关键词：复材云集石英砂、热塑性树脂基复合材料、石英砂复合材料、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.复材云集
Keywords：quartz sand, thermoplastic resin matrix composites, quartz sand composites, quartz sand modification, surface hydrophobic modification复材云集
引言在进入90年代后，伴随着科学技术的迅速发展，以通用工程塑料和高性能工程塑料为基体树脂的热塑性复合材料逐渐进入大众视野并受到大量学者青睐，成为众多学者的重点研究对象。热塑性复合材料因具有韧性、耐蚀性和抗疲劳性高，成形工艺简单、周期短，材料利用率高，预浸料存放环境与时间无限制等优异性能而得到快速发展，并逐渐进入航空制造领域。尤其是近年来，在欧盟以及空客、福克航宇等航空制造企业的强力推动下，热塑性复合材料在民机上频频崭露头角，在一些部件.上成为热固性复合材料的有力竞争对手。热塑性树脂基复合材料主要有长纤维增强粒料(LFP)、连续纤维增强预浸带(MITT)和玻璃纤维毡增强型热塑性复合材料(GMT)。根据使用要求不同，树脂基体主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PES、PEEK、PI、PAI等热塑性工程塑料，纤维种类包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等一切可能的纤维品种。热塑性复合材料发展至今仍存在着不少问题，其中以强度低和韧性差为主要问题所在，其大概率由热塑性复合材料中无机填料表面亲水与HDPE表面亲油导致的界面间问题导致。研究者们为了解决这两个问题采用了很多方法，例如碳纤维强化改性、纳米连续纤维强化改性、邻苯二甲腈增韧改性等等，本文采用MAPE和EPDM对石英砂复合材料进行改性处理，由于已有研究者用这两者做过热塑性树脂基复合材料改性，因此本文采用了氢硅油对石英砂进行改性，基于含氢硅油的硅氢键，含氢硅油通过共价键形式连接石英砂表面，EPDM通过共价键形式连接含氢硅油改性过后的石英砂表面，在石英砂表面形成交联、弹性的疏水界面，同时提高强度和韧性。实验部分2.1小组实验部分实验一：15%含量的填料+4%的EPDM:60g石英砂+340g HDPE挤出+16 g EPDM实验二: 15%含量的填料+6%的EPDM:60g石英砂+340g HDPE挤出+24 g EPDM2.2实验步骤（1）石英砂的疏水改性1.密炼时所需要的石英砂在改性过程中，石英砂比实际需要量增加10 g（因为改性和抽滤过程中石英砂会损失）。2.操作步骤如下：取塑料杯子，加入a g的正己烷和3滴催化剂，在磁力搅拌的过程中，加入b g的含氢硅油，在搅拌的情况下加入 1.5Y g的石英砂，搅拌5min后停止搅拌。抽滤，80度烘干装袋备用。（2）HDPE/石英砂密炼将称取好的的PE和石英砂放入密炼机内，密炼12分钟后取出，冷却备用，装袋编号。（3）HDPE/石英砂复合材料的破碎用破碎机破碎，破碎后装袋备用。（4）HDPE/石英砂复合材料的注射成型将破碎后的石英砂复合材料加入塑料注射成型机中，将HDPE注塑为性能测试所需形状的零件。其中，本小组所做的实验为控制MAPE用量来验证其含量对石英砂复合材料的性能影响。2.3性能测试对石英砂复合材料的性能测试主要为力学性能测试（1）拉伸强度和断裂伸长率测试参考国家标准《GB1040-92塑料拉伸性能试验方法》，本文模具注射成型为I型试样，如图2.1所示。
图2.1，GB1040-92塑料拉伸性能试验方法每组试样不少于5个，结果求平均值。实验时的速度选择如下。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%试验速度应为使式样能在0.5~5min试验时间内断裂的最低速度。拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏置屈服应力按图2.2复材云集
图2.2，屈服应力公式
断裂伸长率计算如下式：
（2）弯曲强度测试式样在弯曲过程中承受最大弯曲应力见图2.3曲线a和b。如果只测弯曲强度，测试时，出现最大弯曲应力时即可停止测试。
图2.3，弯曲应力随弯曲应变和挠度变化的典型曲线
冲击强度测试参考国家标准：《GB/T 1043-93 硬质塑料简支梁冲击试验方法》，仪器为简支梁冲击测试仪。
图2.4，侧向试样的层压板缺口试样1.测量如图2.4所示的b和dk的尺寸，以毫米（mm）计录其尺寸。
2.记录测试时仪器显示的冲击能量Ak。将Ak、b和dk代入上述公式，得到冲击强度。所以，简单地说，冲击强度就是冲击能量除以缺口处的横截面积。
结果与讨论填料添加量对复合材料力学性能的影响
图3.1，石英砂含量对复合材料拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、冲击强度的影响石英砂作为复合材料的填料，其添加量将影响复合材料的力学性能。图3.1表示的是石英砂的添加量对拉伸、弯曲、冲击强度和断裂伸长率的影响。从图3.1可知，随着石英砂添加量的增大，复合材料的拉伸强度逐渐增大达到某一峰值后逐步下落趋于平缓，断裂伸长率逐渐减小，弯曲强度逐渐上升，冲击强度逐渐下降。当石英砂的添加量从0%增加到21%时，拉伸强度从24.95增大到26.36，断裂伸长率由122.37下降到75.94。这里由于石英砂的含量上升之后，复合材料内的填料量增大，增强了复合材料的横纵向拉伸强度而降低了材料整体韧性。可见，增大石英砂的含量后，复合材料整体的强度提高，但是韧性严重降低，脆性提高。复材云集
PMHS改性石英砂及其对复合材料力学性能的影响
图3.2，PMHS改性石英砂对复合材料拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、冲击强度的影响PMHS含氢硅油作为复合材料的改性剂，其改性石英砂时的添加量将影响复合材料的力学性能。图3.2表示的是PMHS的添加量对拉伸、弯曲、冲击强度和断裂伸长率的影响。从图3.2可知，随着PMHS添加量的增大，复合材料的拉伸强度与冲击强度逐渐减小，断裂伸长率与弯曲强度逐渐增大到一定峰值后回落。当PMHS的添加量从2%增加到8%时，拉伸强度从26.14减少到25.52，弯曲强度由26.60增大到27.79的峰值。这里由于PMHS用量的增大，含氢硅油对石英砂的表面疏水改性逐渐加大，从而改善了原料间的界面接触，使得石英砂表面产生交联，形成稳定三维网状结构。本次图表这里由于本次实验为不同组所作实验数据的统和分析，因此数据所处条件与操作皆有一些偏差，因此导致实验数据额所做出的图表具有一定偏差和实验数据波动。但是不可否认的是，增大PMHS用量，石英砂复合材料的强度上升、韧性下降。复材云集
MAPE对复合材料力学性能的影响
图3.3，MAPE含量对复合材料拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、冲击强度的影响MAPE马来酸酐接枝聚乙烯作为复合材料的相容剂，其添加量将影响复合材料的力学性能。图3.3表示的是MAPE的添加量对拉伸、弯曲、冲击强度和断裂伸长率的影响。从图3.3可知，随着MAPE添加量的增大，复合材料的拉伸强度与弯曲强度逐渐减小，断裂伸长率与冲击强度逐渐增大。当MAPE的添加量从2%增加到6%时，拉伸强度从23.58减少到21.99，弯曲强度由26.38增加到26.87。由此可见MAPE降低了材料的拉伸强度与弯曲强度，增加了伸长率与抗冲击强度。MAPE的用料量增加可以提升石英砂复合材料的强度，但会降低其韧性。
EPDM对复合材料力学性能的影响
图3.4，EDPM含量对复合材料拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、冲击强度的影响EDPM三元乙丙橡胶作为复合材料的增韧剂，其添加量将影响复合材料的力学性能。图3.3表示的是石英砂的添加量对拉伸、弯曲、冲击强度和断裂伸长率的影响。从图3.3可知，随着EDPM添加量的增大，复合材料的拉伸强度与弯曲强度逐渐增大，断裂伸长率和冲击强度逐渐减小。当EDPM的添加量从2%增加到6%时，拉伸强度从22.77增大到26.38，冲击强度由8.61减少到6.80。这里由于EDPM作为增韧剂，增加其用量可显著提升石英砂复合材料的韧性，增大其拉伸强度与抗弯曲能力，但同时会降低其抗冲击能力与断裂伸长率。可见，增大EDPM用量能提升石英砂复合材料的韧性，但会降低其强度。复材云集
PMHS/EPDM两步改性对复合材料力学性能的影响
图3.5.1，10%PMHS，EDPM料粒量改变对材料性能影响
图3.5.2，10%EPDM粒料，PMHS用量改变对材料性能影响
图3.5.3，10%PMHS，EDPM改性液量改变对材料性能影响
图3.5.4，10%EPDM粒料，PMHS用量改变对材料性能影响通过PMHS/EPDM两步对复合材料力学性能进行优化改性，其先后顺序以及加入形式对复合材料的性能具有影响。图3.5.1—图3.5.4表示的是不同EPDM/PMHS用量对拉伸、弯曲、冲击强度和断裂伸长率的影响（从左到右分别为拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、冲击强度）。分别对比图3.5.1与图3.5.3、图3.5.2与3.5.4可知，定量PMHS时，复合材料的拉伸强度、冲击强度逐渐减小，断裂伸长率逐渐增加，当EPDM以粒料形式加入时弯曲强度逐渐增加，而当以改性液形式加入时弯曲强度逐渐下降到最低值后上升形成一个谷形曲线；当EPDM固定改变PMHS用量时，弯曲强度逐渐下降，抗冲击强度、拉伸强度逐渐上升，而断裂拉伸率的图表却出现了不同。PMHS/EPDM两步改性可理论上通过对石英砂表面进行疏水改性，从而使得石英砂表面可与EDPM/MAPE进行共价键交联从而同时提高强度和韧性。本模块的图表数据较为散乱，且并未出现理论中PMHS/EPDM两步改性对复合材料力学性能上既增强又增韧的改性效果，初步判断为本实验最终数据为各组数据的统和整理，各组实验时实验环境因素不免出现差异，如室温、风力、光照、气流等因素差异，导致各组数据差异性明显，并且操作上不免出现误差，导致图表以及实验效果与理论结果不尽相同。理论的PMHS/EPDM两步改性对石英砂复合材料的强度、韧性增加并未实现。复材云集
结论本文主要研究了石英砂复合材料中各个材料的含量改变对石英砂复合材料性能测试，以及PMHS/EPDM两步改性对复合材料性能的影响。以EPDM为增韧剂、MAPE为相溶剂对石英砂复合材料的表面疏水改性，来调节石英砂复合材料的力学性能，研究表明，在热塑性石英砂复合材料中，石英砂含量上升时复合材料强度上升、脆性上升同时韧性下降；PHMS用量上升时复合材料韧性下降、强度上升；MAPE用量上升时，强度上升、韧性下降、；EPDM用量上升时，强度下降、冲击韧性提高；使用PMHS/EPDM两步改性可理论上对石英砂复合材料改性能同时增强强度和韧性，适度调配各个原料用量可显著增加热塑性石英砂复合材料的强度、韧性、抗冲击性。参考文献[1]李川. 复合改性石英砂制备及复合改性生物砂滤工艺处理污水厂二级出水效能与机制研究[D].太原理工大学,2020.DOI:10.27352/d.cnki.gylgu.2020.002002.[2]庞筱琴. 玻璃表面碱催化甲基含氢硅油制备超疏水涂层的研究[D].广西大学,2020.DOI:10.27034/d.cnki.ggxiu.2020.001948.[3]高弯弯. NPEAA/AEPH和NPEAA/MAA/MMA改性苯基含氢硅油的制备及其性能研究[D].陕西科技大学,2020.DOI:10.27290/d.cnki.gxbqc.2020.000247.[4]姜梦林,李姝慧,李景哲,谢昕剑,曾涛,郑耀臣.不饱和树脂-石英砂复合材料的制备及力学性能研究[J].山东化工,2018,47(20):28-29+31.DOI:10.19319/j.cnki.issn.1008-021x.2018.20.011.[5]朱晓非. 疏水性石英砂滤料的制备及其油水分离研究[D].兰州交通大学,2018.[6]张家豪. 改性二氧化硅超疏水粒子的制备及其对建筑外墙乳液耐沾污性的影响[D].哈尔滨工程大学,2017.[7]孙盈盈,胡星宇,林海,张慧君,杨文斌,张欣向.含氢硅油表面改性SiO_2疏水增透膜的制备及其表征[J].硅酸盐学报,2017,45(01):150-156.DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.2017.01.22.[8]刘光,未碧贵,武福平,常青.石英砂滤料表面干法改性制备疏水性除油滤料[J].化工学报,2016,67(05):2101-2108.[9]潘耀宗. 改性硅油表面活性剂的合成及性能[D].华南理工大学,2014.[10]陈平,于祺,孙明,陆春.高性能热塑性树脂基复合材料的研究进展[J].纤维复合材料,2005(02):52-57.心得体会姓名：
本次实验我参与了复合材料的制备、力学性能测试，负责了论文的撰写、数据的分析、相关资料的查找。本次实验是一次多元性的实验，在实验中本人也确实体验到了这一过程所带来的乐趣，在本次实验中学习了石英砂复合材料的制备合成以及对其改性的实验操作，本次实验对我而言是一次十分宝贵的经验与经历，它让我学习了相关材料的改性思路，了解了力学性能测试的具体办法与操作，认识了相关实验器材的功能、工作原理以及操作。此外我在本次实验中，学习并运用了论文的格式与细节，为今后的科研道路打下基础。复材云集
对于本门课程的意见与建议的话，本人是觉得希望实验场地的桌子与仪器能够多一些，称量操作以及可以放置的地方太少了，实验中经常出现角落挤着很多同学在用一台电子称称量，其他挤不进去的同学只好在外面等待的现象。
姓名：
本次高分子材料课程设计的过程包括了对石英砂进行表面疏水改性、用挤出机和注塑机分别完成了复合材料粒子以及样品应力测试条的制作、对试样进行力学性能测试。这次高分子课程设计是专业课程设计，我们在实验前后的过程中收获颇多。特别是在实验的实际操作环节，让我们更加深化相关高分子材料课程基础以及机械基础概论知识并且加强了相关实际应用。在实验数据的分析中我发现，填料的添加会影响其复合材料的最终性能，而随着填料量的增加其复合材料的性能不会直线上升或者下降，都会有一定幅度变化，如随着投入石英砂含量的增加，其拉伸强度会经过大幅度上升再下降，最后低于最高点，这是因为增强体的含量超过了阈值会削弱基体的连接程度，反而使其力学性能有一定程度的下降。复材云集
本次的课程设计设计的学科是多元性的，是对我们材料专业学生的一次综合性考验。我在本次高分子材料课程设计中与组员一起完成了复合材料样品的制作、对所得样品进行相应力学性能测试以及实验报告的撰写。在实验报告的撰写环节我着重与对报告的摘要以及相关翻译部分进行英文的转换。在翻译的过程中由于是人工处理，加上对专业词汇的查询的正确性不够，存在一些生硬的表达。在实验数据分析的过程中，我们以书本上及文献的相应知识作为基础对其进行相应的讨论并且绘制图像，这让我们对实验目的以及过程有了更加深刻的理解。
姓名：
我在小组的任务主要是在实验过程中配合组员，实验后对数据处理绘制。经过数据处理我发现，某一种填料的添加会影响其复合材料的最终性能，而随着填料量的增加其复合材料的性能不会直线上升或者下降，都会有一定幅度变化，如随着投入石英砂量的增加，其拉伸强度会经过大幅度上升再下降，最后低于最高点。复材云集
这次的高分子材料实验给了我一种特殊的体验，能结合自身的理论知识应用于实践之中。从原料的称重混合，到投料取料，性能测试，小组工作分配合理，让人享受与实验的过程之中。而我给出的建议是，因为这次实验临近考研，老师为了照顾考研的同学，允许考研的同学处理后面的工作，如实验报告。我觉得这样会前者的实验体验，而不能享受其中，去学习。所以我建议我们这门高门子材料实验可以适当的提前，让大家都能投身入全过程之中！
姓名：
本次实验，我们小组做的是石英砂/HDPE复合材料。我在前期的实验过程中组织组员根据实验配方制备成品以及对成品进行力学性能的检测，在后期处理实验数据，完成小组论文的整合。本次试验过程我学会了热塑性高分子复合材料的成型方法，理解可以通过改变填料的含量以及对填料进行改性来影响高分子复合材料的力学性能。
通过本次实验和论文的学习过程，巩固了之前高分子材料课程理论内容的部分，加强了对力学性能检测的实验装置的了解，以及对整个论文的格式书写完整和规范要求有了一定的掌握，对后面毕业论文的撰写打下了基础。关于此次课程的一些建议可以把时间适当提前，因为具体的实验操作时间花费并不会太多，主要时间还是在完成论文部分，这样可以实验和理论部分可以一起完成，也避免有同学因为要考研而将整个进程拖得有点久。关于实验部分，我觉得可以按照提前设置好的实验配方模块设置大组，然后让各个大组内自己分配，这样感觉可以一定避免因不同的人员的操作，而对后期的实验数据处理过程中造成实验现象不明显。复材云集
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