關鍵詞：復材云集石英砂、熱塑性樹脂基復合材料、石英砂復合材料、石英砂改性、表面疏水改性
Abstract:：The purpose of this report is to analyze the mechanical properties and modification of quartz sand / HDPE composites and analyze the effects of PMHS, EDPM and MAPE on the modification of quartz sand compositesThe mechanical properties of quartz sand composites are adjusted by the amount of material used to verify the effect of their contents on the mechanical properties of quartz sand composites and the surface hydrophobic modification of quartz sand composites with EPDM as toughening agent and MAPE as phase solvent. The experiment shows that when the content of quartz sand increasing, the strength and brittleness of the composites are increasing and the toughness is decreasing; The toughness and strength of the composites increase with the increase of PHMS content; When the amount of MAPE increases, the strength increases and the toughness decreases; When the amount of EPDM increases, the strength decreases and the impactive toughness increases. Using hydrogen-containing silicone oil and EDPM can modify the properties of quartz sand composites and enhance the strength and toughness. Reasonably adjusting the amount of each raw material can significantly strengthen the strength and toughness of the composites.復材云集
Keywords：quartz sand, thermoplastic resin matrix composites, quartz sand composites, quartz sand modification, surface hydrophobic modification復材云集
引言在進入90年代后，伴隨著科學技術的迅速發展，以通用工程塑料和高性能工程塑料為基體樹脂的熱塑性復合材料逐漸進入大眾視野并受到大量學者青睞，成為眾多學者的重點研究對象。熱塑性復合材料因具有韌性、耐蝕性和抗疲勞性高，成形工藝簡單、周期短，材料利用率高，預浸料存放環境與時間無限制等優異性能而得到快速發展，并逐漸進入航空制造領域。尤其是近年來，在歐盟以及空客、福克航宇等航空制造企業的強力推動下，熱塑性復合材料在民機上頻頻嶄露頭角，在一些部件.上成為熱固性復合材料的有力競爭對手。熱塑性樹脂基復合材料主要有長纖維增強粒料(LFP)、連續纖維增強預浸帶(MITT)和玻璃纖維氈增強型熱塑性復合材料(GMT)。根據使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。熱塑性復合材料發展至今仍存在著不少問題，其中以強度低和韌性差為主要問題所在，其大概率由熱塑性復合材料中無機填料表面親水與HDPE表面親油導致的界面間問題導致。研究者們為了解決這兩個問題采用了很多方法，例如碳纖維強化改性、納米連續纖維強化改性、鄰苯二甲腈增韌改性等等，本文采用MAPE和EPDM對石英砂復合材料進行改性處理，由于已有研究者用這兩者做過熱塑性樹脂基復合材料改性，因此本文采用了氫硅油對石英砂進行改性，基于含氫硅油的硅氫鍵，含氫硅油通過共價鍵形式連接石英砂表面，EPDM通過共價鍵形式連接含氫硅油改性過后的石英砂表面，在石英砂表面形成交聯、彈性的疏水界面，同時提高強度和韌性。實驗部分2.1小組實驗部分實驗一：15%含量的填料+4%的EPDM:60g石英砂+340g HDPE擠出+16 g EPDM實驗二: 15%含量的填料+6%的EPDM:60g石英砂+340g HDPE擠出+24 g EPDM2.2實驗步驟（1）石英砂的疏水改性1.密煉時所需要的石英砂在改性過程中，石英砂比實際需要量增加10 g（因為改性和抽濾過程中石英砂會損失）。2.操作步驟如下：取塑料杯子，加入a g的正己烷和3滴催化劑，在磁力攪拌的過程中，加入b g的含氫硅油，在攪拌的情況下加入 1.5Y g的石英砂，攪拌5min后停止攪拌。抽濾，80度烘干裝袋備用。（2）HDPE/石英砂密煉將稱取好的的PE和石英砂放入密煉機內，密煉12分鐘后取出，冷卻備用，裝袋編號。（3）HDPE/石英砂復合材料的破碎用破碎機破碎，破碎后裝袋備用。（4）HDPE/石英砂復合材料的注射成型將破碎后的石英砂復合材料加入塑料注射成型機中，將HDPE注塑為性能測試所需形狀的零件。其中，本小組所做的實驗為控制MAPE用量來驗證其含量對石英砂復合材料的性能影響。2.3性能測試對石英砂復合材料的性能測試主要為力學性能測試（1）拉伸強度和斷裂伸長率測試參考國家標準《GB1040-92塑料拉伸性能試驗方法》，本文模具注射成型為I型試樣，如圖2.1所示。
圖2.1，GB1040-92塑料拉伸性能試驗方法每組試樣不少于5個，結果求平均值。實驗時的速度選擇如下。速度A 1mm/min±50%速度B 2mm/min±20%速度C 5mm/min±20%速度D 10mm/min±20%速度E 20m/min±10%速度F 50mm/min±10%速度G 100mm/min±10%速度H 200mm/min±10%速度I 500mm/min±10%試驗速度應為使式樣能在0.5~5min試驗時間內斷裂的最低速度。拉伸強度或拉伸斷裂應力或拉伸屈服應力或偏置屈服應力按圖2.2復材云集
圖2.2，屈服應力公式
斷裂伸長率計算如下式：
（2）彎曲強度測試式樣在彎曲過程中承受最大彎曲應力見圖2.3曲線a和b。如果只測彎曲強度，測試時，出現最大彎曲應力時即可停止測試。
圖2.3，彎曲應力隨彎曲應變和撓度變化的典型曲線
沖擊強度測試參考國家標準：《GB/T 1043-93 硬質塑料簡支梁沖擊試驗方法》，儀器為簡支梁沖擊測試儀。
圖2.4，側向試樣的層壓板缺口試樣1.測量如圖2.4所示的b和dk的尺寸，以毫米（mm）計錄其尺寸。
2.記錄測試時儀器顯示的沖擊能量Ak。將Ak、b和dk代入上述公式，得到沖擊強度。所以，簡單地說，沖擊強度就是沖擊能量除以缺口處的橫截面積。
結果與討論填料添加量對復合材料力學性能的影響
圖3.1，石英砂含量對復合材料拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度的影響石英砂作為復合材料的填料，其添加量將影響復合材料的力學性能。圖3.1表示的是石英砂的添加量對拉伸、彎曲、沖擊強度和斷裂伸長率的影響。從圖3.1可知，隨著石英砂添加量的增大，復合材料的拉伸強度逐漸增大達到某一峰值后逐步下落趨于平緩，斷裂伸長率逐漸減小，彎曲強度逐漸上升，沖擊強度逐漸下降。當石英砂的添加量從0%增加到21%時，拉伸強度從24.95增大到26.36，斷裂伸長率由122.37下降到75.94。這里由于石英砂的含量上升之后，復合材料內的填料量增大，增強了復合材料的橫縱向拉伸強度而降低了材料整體韌性。可見，增大石英砂的含量后，復合材料整體的強度提高，但是韌性嚴重降低，脆性提高。復材云集
PMHS改性石英砂及其對復合材料力學性能的影響
圖3.2，PMHS改性石英砂對復合材料拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度的影響PMHS含氫硅油作為復合材料的改性劑，其改性石英砂時的添加量將影響復合材料的力學性能。圖3.2表示的是PMHS的添加量對拉伸、彎曲、沖擊強度和斷裂伸長率的影響。從圖3.2可知，隨著PMHS添加量的增大，復合材料的拉伸強度與沖擊強度逐漸減小，斷裂伸長率與彎曲強度逐漸增大到一定峰值后回落。當PMHS的添加量從2%增加到8%時，拉伸強度從26.14減少到25.52，彎曲強度由26.60增大到27.79的峰值。這里由于PMHS用量的增大，含氫硅油對石英砂的表面疏水改性逐漸加大，從而改善了原料間的界面接觸，使得石英砂表面產生交聯，形成穩定三維網狀結構。本次圖表這里由于本次實驗為不同組所作實驗數據的統和分析，因此數據所處條件與操作皆有一些偏差，因此導致實驗數據額所做出的圖表具有一定偏差和實驗數據波動。但是不可否認的是，增大PMHS用量，石英砂復合材料的強度上升、韌性下降。復材云集
MAPE對復合材料力學性能的影響
圖3.3，MAPE含量對復合材料拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度的影響MAPE馬來酸酐接枝聚乙烯作為復合材料的相容劑，其添加量將影響復合材料的力學性能。圖3.3表示的是MAPE的添加量對拉伸、彎曲、沖擊強度和斷裂伸長率的影響。從圖3.3可知，隨著MAPE添加量的增大，復合材料的拉伸強度與彎曲強度逐漸減小，斷裂伸長率與沖擊強度逐漸增大。當MAPE的添加量從2%增加到6%時，拉伸強度從23.58減少到21.99，彎曲強度由26.38增加到26.87。由此可見MAPE降低了材料的拉伸強度與彎曲強度，增加了伸長率與抗沖擊強度。MAPE的用料量增加可以提升石英砂復合材料的強度，但會降低其韌性。
EPDM對復合材料力學性能的影響
圖3.4，EDPM含量對復合材料拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度的影響EDPM三元乙丙橡膠作為復合材料的增韌劑，其添加量將影響復合材料的力學性能。圖3.3表示的是石英砂的添加量對拉伸、彎曲、沖擊強度和斷裂伸長率的影響。從圖3.3可知，隨著EDPM添加量的增大，復合材料的拉伸強度與彎曲強度逐漸增大，斷裂伸長率和沖擊強度逐漸減小。當EDPM的添加量從2%增加到6%時，拉伸強度從22.77增大到26.38，沖擊強度由8.61減少到6.80。這里由于EDPM作為增韌劑，增加其用量可顯著提升石英砂復合材料的韌性，增大其拉伸強度與抗彎曲能力，但同時會降低其抗沖擊能力與斷裂伸長率。可見，增大EDPM用量能提升石英砂復合材料的韌性，但會降低其強度。復材云集
PMHS/EPDM兩步改性對復合材料力學性能的影響
圖3.5.1，10%PMHS，EDPM料粒量改變對材料性能影響
圖3.5.2，10%EPDM粒料，PMHS用量改變對材料性能影響
圖3.5.3，10%PMHS，EDPM改性液量改變對材料性能影響
圖3.5.4，10%EPDM粒料，PMHS用量改變對材料性能影響通過PMHS/EPDM兩步對復合材料力學性能進行優化改性，其先后順序以及加入形式對復合材料的性能具有影響。圖3.5.1—圖3.5.4表示的是不同EPDM/PMHS用量對拉伸、彎曲、沖擊強度和斷裂伸長率的影響（從左到右分別為拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度）。分別對比圖3.5.1與圖3.5.3、圖3.5.2與3.5.4可知，定量PMHS時，復合材料的拉伸強度、沖擊強度逐漸減小，斷裂伸長率逐漸增加，當EPDM以粒料形式加入時彎曲強度逐漸增加，而當以改性液形式加入時彎曲強度逐漸下降到最低值后上升形成一個谷形曲線；當EPDM固定改變PMHS用量時，彎曲強度逐漸下降，抗沖擊強度、拉伸強度逐漸上升，而斷裂拉伸率的圖表卻出現了不同。PMHS/EPDM兩步改性可理論上通過對石英砂表面進行疏水改性，從而使得石英砂表面可與EDPM/MAPE進行共價鍵交聯從而同時提高強度和韌性。本模塊的圖表數據較為散亂，且并未出現理論中PMHS/EPDM兩步改性對復合材料力學性能上既增強又增韌的改性效果，初步判斷為本實驗最終數據為各組數據的統和整理，各組實驗時實驗環境因素不免出現差異，如室溫、風力、光照、氣流等因素差異，導致各組數據差異性明顯，并且操作上不免出現誤差，導致圖表以及實驗效果與理論結果不盡相同。理論的PMHS/EPDM兩步改性對石英砂復合材料的強度、韌性增加并未實現。復材云集
結論本文主要研究了石英砂復合材料中各個材料的含量改變對石英砂復合材料性能測試，以及PMHS/EPDM兩步改性對復合材料性能的影響。以EPDM為增韌劑、MAPE為相溶劑對石英砂復合材料的表面疏水改性，來調節石英砂復合材料的力學性能，研究表明，在熱塑性石英砂復合材料中，石英砂含量上升時復合材料強度上升、脆性上升同時韌性下降；PHMS用量上升時復合材料韌性下降、強度上升；MAPE用量上升時，強度上升、韌性下降、；EPDM用量上升時，強度下降、沖擊韌性提高；使用PMHS/EPDM兩步改性可理論上對石英砂復合材料改性能同時增強強度和韌性，適度調配各個原料用量可顯著增加熱塑性石英砂復合材料的強度、韌性、抗沖擊性。參考文獻[1]李川. 復合改性石英砂制備及復合改性生物砂濾工藝處理污水廠二級出水效能與機制研究[D].太原理工大學,2020.DOI:10.27352/d.cnki.gylgu.2020.002002.[2]龐筱琴. 玻璃表面堿催化甲基含氫硅油制備超疏水涂層的研究[D].廣西大學,2020.DOI:10.27034/d.cnki.ggxiu.2020.001948.[3]高彎彎. NPEAA/AEPH和NPEAA/MAA/MMA改性苯基含氫硅油的制備及其性能研究[D].陜西科技大學,2020.DOI:10.27290/d.cnki.gxbqc.2020.000247.[4]姜夢林,李姝慧,李景哲,謝昕劍,曾濤,鄭耀臣.不飽和樹脂-石英砂復合材料的制備及力學性能研究[J].山東化工,2018,47(20):28-29+31.DOI:10.19319/j.cnki.issn.1008-021x.2018.20.011.[5]朱曉非. 疏水性石英砂濾料的制備及其油水分離研究[D].蘭州交通大學,2018.[6]張家豪. 改性二氧化硅超疏水粒子的制備及其對建筑外墻乳液耐沾污性的影響[D].哈爾濱工程大學,2017.[7]孫盈盈,胡星宇,林海,張慧君,楊文斌,張欣向.含氫硅油表面改性SiO_2疏水增透膜的制備及其表征[J].硅酸鹽學報,2017,45(01):150-156.DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.2017.01.22.[8]劉光,未碧貴,武福平,常青.石英砂濾料表面干法改性制備疏水性除油濾料[J].化工學報,2016,67(05):2101-2108.[9]潘耀宗. 改性硅油表面活性劑的合成及性能[D].華南理工大學,2014.[10]陳平,于祺,孫明,陸春.高性能熱塑性樹脂基復合材料的研究進展[J].纖維復合材料,2005(02):52-57.心得體會姓名：
本次實驗我參與了復合材料的制備、力學性能測試，負責了論文的撰寫、數據的分析、相關資料的查找。本次實驗是一次多元性的實驗，在實驗中本人也確實體驗到了這一過程所帶來的樂趣，在本次實驗中學習了石英砂復合材料的制備合成以及對其改性的實驗操作，本次實驗對我而言是一次十分寶貴的經驗與經歷，它讓我學習了相關材料的改性思路，了解了力學性能測試的具體辦法與操作，認識了相關實驗器材的功能、工作原理以及操作。此外我在本次實驗中，學習并運用了論文的格式與細節，為今后的科研道路打下基礎。復材云集
對于本門課程的意見與建議的話，本人是覺得希望實驗場地的桌子與儀器能夠多一些，稱量操作以及可以放置的地方太少了，實驗中經常出現角落擠著很多同學在用一臺電子稱稱量，其他擠不進去的同學只好在外面等待的現象。
姓名：
本次高分子材料課程設計的過程包括了對石英砂進行表面疏水改性、用擠出機和注塑機分別完成了復合材料粒子以及樣品應力測試條的制作、對試樣進行力學性能測試。這次高分子課程設計是專業課程設計，我們在實驗前后的過程中收獲頗多。特別是在實驗的實際操作環節，讓我們更加深化相關高分子材料課程基礎以及機械基礎概論知識并且加強了相關實際應用。在實驗數據的分析中我發現，填料的添加會影響其復合材料的最終性能，而隨著填料量的增加其復合材料的性能不會直線上升或者下降，都會有一定幅度變化，如隨著投入石英砂含量的增加，其拉伸強度會經過大幅度上升再下降，最后低于最高點，這是因為增強體的含量超過了閾值會削弱基體的連接程度，反而使其力學性能有一定程度的下降。復材云集
本次的課程設計設計的學科是多元性的，是對我們材料專業學生的一次綜合性考驗。我在本次高分子材料課程設計中與組員一起完成了復合材料樣品的制作、對所得樣品進行相應力學性能測試以及實驗報告的撰寫。在實驗報告的撰寫環節我著重與對報告的摘要以及相關翻譯部分進行英文的轉換。在翻譯的過程中由于是人工處理，加上對專業詞匯的查詢的正確性不夠，存在一些生硬的表達。在實驗數據分析的過程中，我們以書本上及文獻的相應知識作為基礎對其進行相應的討論并且繪制圖像，這讓我們對實驗目的以及過程有了更加深刻的理解。
姓名：
我在小組的任務主要是在實驗過程中配合組員，實驗后對數據處理繪制。經過數據處理我發現，某一種填料的添加會影響其復合材料的最終性能，而隨著填料量的增加其復合材料的性能不會直線上升或者下降，都會有一定幅度變化，如隨著投入石英砂量的增加，其拉伸強度會經過大幅度上升再下降，最后低于最高點。復材云集
這次的高分子材料實驗給了我一種特殊的體驗，能結合自身的理論知識應用于實踐之中。從原料的稱重混合，到投料取料，性能測試，小組工作分配合理，讓人享受與實驗的過程之中。而我給出的建議是，因為這次實驗臨近考研，老師為了照顧考研的同學，允許考研的同學處理后面的工作，如實驗報告。我覺得這樣會前者的實驗體驗，而不能享受其中，去學習。所以我建議我們這門高門子材料實驗可以適當的提前，讓大家都能投身入全過程之中！
姓名：
本次實驗，我們小組做的是石英砂/HDPE復合材料。我在前期的實驗過程中組織組員根據實驗配方制備成品以及對成品進行力學性能的檢測，在后期處理實驗數據，完成小組論文的整合。本次試驗過程我學會了熱塑性高分子復合材料的成型方法，理解可以通過改變填料的含量以及對填料進行改性來影響高分子復合材料的力學性能。
通過本次實驗和論文的學習過程，鞏固了之前高分子材料課程理論內容的部分，加強了對力學性能檢測的實驗裝置的了解，以及對整個論文的格式書寫完整和規范要求有了一定的掌握，對后面畢業論文的撰寫打下了基礎。關于此次課程的一些建議可以把時間適當提前，因為具體的實驗操作時間花費并不會太多，主要時間還是在完成論文部分，這樣可以實驗和理論部分可以一起完成，也避免有同學因為要考研而將整個進程拖得有點久。關于實驗部分，我覺得可以按照提前設置好的實驗配方模塊設置大組，然后讓各個大組內自己分配，這樣感覺可以一定避免因不同的人員的操作，而對后期的實驗數據處理過程中造成實驗現象不明顯。復材云集
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