摘　要：玻璃鋼錨桿的主要缺陷是抗扭強度很差，從而在很大程度上限制了其應用領域。文章主要分析了如何通過改進玻璃銅錨桿的組分和成型工藝來提高其抗扭強度。通過扭轉試驗和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察得到了不同加入量的固化劑(MEKP)、納米莫來石以及聚氨酯對玻璃鋼錨桿扭矩的影響。同時，研究發現對樹脂膠液抽真空后可顯著改善桿體的抗扭強度。

關鍵詞：玻璃鋼錨桿；抗扭強度；固化劑；納米莫來石；聚氨酯

　　玻璃鋼錨桿是近年發展起來的新一代錨桿，在回采過程中可直接被采煤機切割且無火花產生，是金屬錨桿的有益補充。
　　玻璃鋼錨桿是以玻璃纖維為增強材料，以不飽和聚酯樹脂(Unsaturated Polyester Resin，UPR)為基體經高溫固化復合而成的新型復合材料錨桿，是先進復合材料一玻璃鋼(Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP)的典型應用。同金屬錨桿相比，GFRP錨桿的突出優勢是：易切割且不產生火花．有較高的比強度，耐腐蝕，生產成本低且環保無污染等。然而，由于玻璃纖維屬于具有脆性特征的材料，所選用的樹脂一般為熱固性樹脂，且兩相復合后界面結合不良，因此GFRP錨桿也有其自身的缺點，主要表現為彈性模量和塑性較低，尤其是在切纖維方向上抗剪、抗扭、抗彎強度比較低，使其在使用過程中容易脆裂，甚至脆斷，從而影響了GFRP錨桿的應用范圍。
　　文章試驗緊緊圍繞改善玻璃纖維和樹脂兩相間的界面結合狀態這一核心問題，從化學成分方面進行改進，終提高GFRP錨桿的宏觀力學性能，尤其是抗扭性能，以擴大GFRP錨桿的應用范圍，并加速GFRP在井下支護中的普及使用。

1　新型玻璃鋼錨桿的制作

1.1　實驗材料
　　兩相基本的材料分別為：192型不飽和聚脂和EDR480―T910型玻璃纖維。兩種材料的相關性能參數分別見表1、表2。

　　另外，所用固化劑為MEKP(過氧化甲乙酮)，促進劑為環烷酸鈷，增塑劑為二甲苯甲醛樹脂。所用填料由氫氧化鋁、硬脂酸鋅、白炭黑、TBPB等組成。另有納米莫來石、聚氨酯。1.2　材料配比選擇
　　1)改變樹脂膠液中固化劑(MEKP)的含量，將MEKP的含量按0.6％，0.8％，1.0％，1.2％，1.4％的比例加入，制成一組試樣。
　　2)在樹脂膠液中加入莫來石，除對照實驗外，其他成分和成型條件不變，將莫來石按0.5％，1.0％，1.5％，2％，2.5％的比例加入，制成一組試樣。
　　3)在樹脂膠液中加入聚氨酯，除對照實驗外，其他成分和成型條件不變，將聚氨酯按照3％～7％ 的加入量逐漸增加含量，制成一組試樣。
1.3　成型過程
　　具體成型過程為：將放置在紗架上的玻璃纖維絲通過過絲板送至浸膠槽，浸膠槽內盛有經抽真空后的樹脂膠液，玻璃纖維通過浸膠槽時浸滿樹脂膠液。浸滿樹脂的玻璃纖維絲經過預成型系統而合攏成束，進入模具內經加熱器加熱熔融，同時通過液壓系統擠壓成型。
1.4　力學測試
　　針對目前GFRP錨桿的主要缺陷是抗扭轉、抗剪切能力很差，而抗拉強度一般能達到要求的情況，提高抗扭轉性能對GFRP的應用推廣作用更大。從試樣的扭矩和微觀圖像就可以推測出GFRP的其他主要性能。因此，實驗只做了測試了試樣扭矩的力學實驗。
　　將三組試樣分別進行扭轉試驗，扭轉實驗在ND-500C型扭轉試驗機上進行，因為GFRP錨桿的性能主要體現在玻璃纖維上，且固化后的樹脂為脆性材料，當樹脂與玻璃纖維分離后GFRP錨桿的抗扭性能就會變得很小，所以規定在玻璃纖維與樹脂開始剝落時為試樣破壞，記錄下試驗數據。

2　實驗結果及分析

2.1　固化劑(MEKP)對桿體抗扭性能的影響
　　MEKP是過氧化氫、過氧化甲乙酮單體、二聚體和多聚體等多種結構在惰性溶劑中的溶液。通過試驗研究發現，隨著MEKP添加量的增多，桿體的扭矩先增大，后又降低。試驗結果如圖1所示。

　　由圖1可知，在MEKP的加入量小于1％時，桿體的扭矩隨著MEKP質量分數的增大而增大，這是由于MEKP的添加量較少時，產生的自由基的量也較少，造成了不飽和聚酯樹脂的體型聚合不完全，隨著MEKP的添加量增多，產生更多的自由基引發聚合反應形成交聯網絡，進而提升桿體抗扭性能。當MEKP質量分數達到1％左右時，體型聚合較完全，宏觀表現為扭矩達到大值。隨著MEKP添加量繼續增加，由于產生自由基的量很多，反應也趨于劇烈，同時伴有反應熱產生，溫度會急劇的升高，體型聚合速度加快。但此時縮聚產生的小分子未能及時排出，小分子形成了較多的氣泡留在聚合產物之內，這些小分子的存在又可使樹脂交聯網絡中易被降解的酯基發生降解而造成結合力的下降。同時，當MEKP加入量過大時，使固化的誘導期和達到峰值期的時間縮短，在短期內放熱過快且不能散熱，使得在自由基產生的局部區域立刻形成三維網狀結構，出現凝膠現象；使自由基失去流動性被封閉在網絡單元內且活性迅速被衰減，使得固化不完全，桿體成分不均勻，導致桿體扭矩較小。
2.2　納米莫來石對桿體抗扭性能的影響
　　實驗中在成型GFRP錨桿的樹脂成分里加入了納米莫來石，發現GFRP錨桿的性能變化很明顯，如圖2所示。GFRP錨桿的扭矩隨著莫來石含量的增多而快速增大，當莫來石含量達到1.5％時，扭矩達到大值，而后隨莫來石的含量增多，GFRP錨桿的扭矩卻逐漸下降。

　　一般認為 ，在聚合物中加入起活性中心作用的高分散性粒子，當粒子尺寸小到一定程度時，這種改性劑的活性會大大增強。樹脂中加入納米莫來石后，納米莫來石與基體樹脂兩相界面的粘附功和界面張力的共同作用影響著復合材料的強度：界面粘附功大，使得兩相結合牢固，復合材料強度增大；界面張力較小，莫來石在基體中的分散性好，提高了兩相間總的接觸面積，終所得復合材料的表面自由能較小，使得復合材料強度增大。
　　同時，在不飽和樹脂基體中加入納米莫來石，粉末狀的莫來石粒徑很小，比表面積大，彌散分布于不飽和樹脂中，有利于其在基體中均勻分散和與樹脂形成良好的結合界面，提高其成核活性，降低基體的結晶度和晶粒尺寸，從而對基體樹脂起到良好的增韌效果，使成型后的GFRP錨桿的扭矩增大，在莫來石的加入量為1.5％左右時達到極大值。當莫來石的含量超過1.5％時，基體樹脂中填料的含量過多，GFRP錨桿的扭矩下降幅度很大。加入莫來石前后的SEM照片如圖3所示，從圖中可以看出莫來石含量為3.0％ 時樹脂與玻璃纖維的結合很差，樹脂本身也很松散，桿體脆性大，抗扭強度低。

　　產生這種現象的原因是納米莫來石在不飽和聚酯樹脂復合材料中作為增強材料，呈分散相，不飽和聚酯樹脂作為基體呈連續相。當納米莫來石含量較少時，隨著納米莫來石含量的增加，不飽和聚脂樹脂的力學性能明顯改善。但增加到一定程度后，不飽和聚酯樹脂含量相對降低，影響了樹脂基體的整體性，使其粘接性能變差，材料內部易出現氣孔、裂縫等缺陷，韌性顯著降低，結合力變弱，從而導致不飽和聚脂樹脂的力學性能降低，在納米莫來石的加入量超過1.5％后，GFRP錨桿的扭矩迅速減小。
2.3　聚氨酯對桿體抗扭性能的影響
　　隨著聚氨酯加入量的增多，GFRP錨桿的扭矩逐漸增大，當聚氨酯的加入量為5％左右時，扭矩達到大值；之后，隨著聚氨酯加入量的增大，GFRP錨桿的性能反而下降，而且下降幅度很大。試驗結果如圖4所示。聚氨酯的加入，提高了基體樹脂的強度和韌性，使樹脂和玻璃纖維的結合更加致密，如圖5所示。因為在樹脂基體中加入聚氨酯乳液會形成聚合物互穿網絡(IPN)結構，能夠提高GFRP的沖擊韌性和增大剪切強度。聚氨酯預基體樹脂的化學交聯結構增加了網絡互穿的程度，減少了網絡間的距離，使兩相的滲透范圍減少至納米級，提高了兩相的相容性。動態力學分析的結果表明，這種互穿網絡結構可以有效地拓寬玻璃化溫度的寬度。由于體系中存在互相滲透纏繞的網絡結構，從而增強了材料的抗扭強度。

　　從圖5中可以清晰的看出未加入聚氨酯時，樹脂與玻璃纖維的界面很清晰的顯現出來，兩相結合狀況很差，基本上呈兩相分離狀態；而加入聚氨酯后，玻璃纖維與基體樹脂結合緊密，看不出兩相的分界面。所以樹脂中聚氨酯的加入。增強了兩相體系的結合力，使GFRP錨桿的扭矩增大。當聚氨酯的加入量小于5％時，對樹脂的性能起到提高和加強作用，在加入量為5％時達到大值，當聚氨酯的加入量超過5％時，GFRP的性能反而下降。
　　這是因為聚氨酯較少時有利于提高樹脂與玻璃纖維之間的結合力，使GFRP錨桿的抗扭性能提高，在聚氨酯加入量為5％左右時出現大值，當聚氨酯的加入量進一步增多時，聚氨酯分子鏈的增多導致了IPN結構尺寸的變化，使原來樹脂網絡與玻璃纖維之間結合的致密性受到影響，增大兩相分離的趨勢，而聚氨酯本身的強度小于樹脂，當基體樹脂中含有過多聚氨酯時，聚氨酯就會形成一個連續的第三相，材料破壞時會從聚氨酯處先破壞，所以隨著聚氨酯的增多，GFRP錨桿的抗扭性能逐漸降低。

3　結　論

　　1)MEKP的加入能改善GFRP錨桿的抗扭性能，其加入量為1.0％左右時，錨桿扭矩達到了極大值，加入過多或過少都會降低GFRP錨桿的性能。
　　2)納米莫來石的加入也能夠提高GFRP的扭矩，在當納米莫來石加入量達到1.5％左右時，扭矩達到大值，隨后莫來石的含量增多時，GFRP錨桿的性能逐漸下降。
　　3)聚氨酯對GFRP錨桿的抗扭性能的影響也十分明顯，隨著聚氨酯加入量的增多，GFRP錨桿的扭矩逐漸增大，當聚氨酯的加入量為5％左右時，扭矩達到大值；之后，隨著聚氨酯加入量的增大，GFRP錨桿的抗扭性能反而下降，而且下降幅度很大。