摘　要：玻璃钢锚杆的主要缺陷是抗扭强度很差，从而在很大程度上限制了其应用领域。文章主要分析了如何通过改进玻璃铜锚杆的组分和成型工艺来提高其抗扭强度。通过扭转试验和扫描电子显微镜(SEM)观察得到了不同加入量的固化剂(MEKP)、纳米莫来石以及聚氨酯对玻璃钢锚杆扭矩的影响。同时，研究发现对树脂胶液抽真空后可显著改善杆体的抗扭强度。

关键词：玻璃钢锚杆；抗扭强度；固化剂；纳米莫来石；聚氨酯

　　玻璃钢锚杆是近年发展起来的新一代锚杆，在回采过程中可直接被采煤机切割且无火花产生，是金属锚杆的有益补充。
　　玻璃钢锚杆是以玻璃纤维为增强材料，以不饱和聚酯树脂(Unsaturated Polyester Resin，UPR)为基体经高温固化复合而成的新型复合材料锚杆，是先进复合材料一玻璃钢(Glass Fiber Reinforced Plastics，GFRP)的典型应用。同金属锚杆相比，GFRP锚杆的突出优势是：易切割且不产生火花．有较高的比强度，耐腐蚀，生产成本低且环保无污染等。然而，由于玻璃纤维属于具有脆性特征的材料，所选用的树脂一般为热固性树脂，且两相复合后界面结合不良，因此GFRP锚杆也有其自身的缺点，主要表现为弹性模量和塑性较低，尤其是在切纤维方向上抗剪、抗扭、抗弯强度比较低，使其在使用过程中容易脆裂，甚至脆断，从而影响了GFRP锚杆的应用范围。
　　文章试验紧紧围绕改善玻璃纤维和树脂两相间的界面结合状态这一核心问题，从化学成分方面进行改进，终提高GFRP锚杆的宏观力学性能，尤其是抗扭性能，以扩大GFRP锚杆的应用范围，并加速GFRP在井下支护中的普及使用。

1　新型玻璃钢锚杆的制作

1.1　实验材料
　　两相基本的材料分别为：192型不饱和聚脂和EDR480―T910型玻璃纤维。两种材料的相关性能参数分别见表1、表2。

　　另外，所用固化剂为MEKP(过氧化甲乙酮)，促进剂为环烷酸钴，增塑剂为二甲苯甲醛树脂。所用填料由氢氧化铝、硬脂酸锌、白炭黑、TBPB等组成。另有纳米莫来石、聚氨酯。1.2　材料配比选择
　　1)改变树脂胶液中固化剂(MEKP)的含量，将MEKP的含量按0.6％，0.8％，1.0％，1.2％，1.4％的比例加入，制成一组试样。
　　2)在树脂胶液中加入莫来石，除对照实验外，其他成分和成型条件不变，将莫来石按0.5％，1.0％，1.5％，2％，2.5％的比例加入，制成一组试样。
　　3)在树脂胶液中加入聚氨酯，除对照实验外，其他成分和成型条件不变，将聚氨酯按照3％～7％ 的加入量逐渐增加含量，制成一组试样。
1.3　成型过程
　　具体成型过程为：将放置在纱架上的玻璃纤维丝通过过丝板送至浸胶槽，浸胶槽内盛有经抽真空后的树脂胶液，玻璃纤维通过浸胶槽时浸满树脂胶液。浸满树脂的玻璃纤维丝经过预成型系统而合拢成束，进入模具内经加热器加热熔融，同时通过液压系统挤压成型。
1.4　力学测试
　　针对目前GFRP锚杆的主要缺陷是抗扭转、抗剪切能力很差，而抗拉强度一般能达到要求的情况，提高抗扭转性能对GFRP的应用推广作用更大。从试样的扭矩和微观图像就可以推测出GFRP的其他主要性能。因此，实验只做了测试了试样扭矩的力学实验。
　　将三组试样分别进行扭转试验，扭转实验在ND-500C型扭转试验机上进行，因为GFRP锚杆的性能主要体现在玻璃纤维上，且固化后的树脂为脆性材料，当树脂与玻璃纤维分离后GFRP锚杆的抗扭性能就会变得很小，所以规定在玻璃纤维与树脂开始剥落时为试样破坏，记录下试验数据。

2　实验结果及分析

2.1　固化剂(MEKP)对杆体抗扭性能的影响
　　MEKP是过氧化氢、过氧化甲乙酮单体、二聚体和多聚体等多种结构在惰性溶剂中的溶液。通过试验研究发现，随着MEKP添加量的增多，杆体的扭矩先增大，后又降低。试验结果如图1所示。

　　由图1可知，在MEKP的加入量小于1％时，杆体的扭矩随着MEKP质量分数的增大而增大，这是由于MEKP的添加量较少时，产生的自由基的量也较少，造成了不饱和聚酯树脂的体型聚合不完全，随着MEKP的添加量增多，产生更多的自由基引发聚合反应形成交联网络，进而提升杆体抗扭性能。当MEKP质量分数达到1％左右时，体型聚合较完全，宏观表现为扭矩达到大值。随着MEKP添加量继续增加，由于产生自由基的量很多，反应也趋于剧烈，同时伴有反应热产生，温度会急剧的升高，体型聚合速度加快。但此时缩聚产生的小分子未能及时排出，小分子形成了较多的气泡留在聚合产物之内，这些小分子的存在又可使树脂交联网络中易被降解的酯基发生降解而造成结合力的下降。同时，当MEKP加入量过大时，使固化的诱导期和达到峰值期的时间缩短，在短期内放热过快且不能散热，使得在自由基产生的局部区域立刻形成三维网状结构，出现凝胶现象；使自由基失去流动性被封闭在网络单元内且活性迅速被衰减，使得固化不完全，杆体成分不均匀，导致杆体扭矩较小。
2.2　纳米莫来石对杆体抗扭性能的影响
　　实验中在成型GFRP锚杆的树脂成分里加入了纳米莫来石，发现GFRP锚杆的性能变化很明显，如图2所示。GFRP锚杆的扭矩随着莫来石含量的增多而快速增大，当莫来石含量达到1.5％时，扭矩达到大值，而后随莫来石的含量增多，GFRP锚杆的扭矩却逐渐下降。

　　一般认为 ，在聚合物中加入起活性中心作用的高分散性粒子，当粒子尺寸小到一定程度时，这种改性剂的活性会大大增强。树脂中加入纳米莫来石后，纳米莫来石与基体树脂两相界面的粘附功和界面张力的共同作用影响着复合材料的强度：界面粘附功大，使得两相结合牢固，复合材料强度增大；界面张力较小，莫来石在基体中的分散性好，提高了两相间总的接触面积，终所得复合材料的表面自由能较小，使得复合材料强度增大。
　　同时，在不饱和树脂基体中加入纳米莫来石，粉末状的莫来石粒径很小，比表面积大，弥散分布于不饱和树脂中，有利于其在基体中均匀分散和与树脂形成良好的结合界面，提高其成核活性，降低基体的结晶度和晶粒尺寸，从而对基体树脂起到良好的增韧效果，使成型后的GFRP锚杆的扭矩增大，在莫来石的加入量为1.5％左右时达到极大值。当莫来石的含量超过1.5％时，基体树脂中填料的含量过多，GFRP锚杆的扭矩下降幅度很大。加入莫来石前后的SEM照片如图3所示，从图中可以看出莫来石含量为3.0％ 时树脂与玻璃纤维的结合很差，树脂本身也很松散，杆体脆性大，抗扭强度低。

　　产生这种现象的原因是纳米莫来石在不饱和聚酯树脂复合材料中作为增强材料，呈分散相，不饱和聚酯树脂作为基体呈连续相。当纳米莫来石含量较少时，随着纳米莫来石含量的增加，不饱和聚脂树脂的力学性能明显改善。但增加到一定程度后，不饱和聚酯树脂含量相对降低，影响了树脂基体的整体性，使其粘接性能变差，材料内部易出现气孔、裂缝等缺陷，韧性显著降低，结合力变弱，从而导致不饱和聚脂树脂的力学性能降低，在纳米莫来石的加入量超过1.5％后，GFRP锚杆的扭矩迅速减小。
2.3　聚氨酯对杆体抗扭性能的影响
　　随着聚氨酯加入量的增多，GFRP锚杆的扭矩逐渐增大，当聚氨酯的加入量为5％左右时，扭矩达到大值；之后，随着聚氨酯加入量的增大，GFRP锚杆的性能反而下降，而且下降幅度很大。试验结果如图4所示。聚氨酯的加入，提高了基体树脂的强度和韧性，使树脂和玻璃纤维的结合更加致密，如图5所示。因为在树脂基体中加入聚氨酯乳液会形成聚合物互穿网络(IPN)结构，能够提高GFRP的冲击韧性和增大剪切强度。聚氨酯预基体树脂的化学交联结构增加了网络互穿的程度，减少了网络间的距离，使两相的渗透范围减少至纳米级，提高了两相的相容性。动态力学分析的结果表明，这种互穿网络结构可以有效地拓宽玻璃化温度的宽度。由于体系中存在互相渗透缠绕的网络结构，从而增强了材料的抗扭强度。

　　从图5中可以清晰的看出未加入聚氨酯时，树脂与玻璃纤维的界面很清晰的显现出来，两相结合状况很差，基本上呈两相分离状态；而加入聚氨酯后，玻璃纤维与基体树脂结合紧密，看不出两相的分界面。所以树脂中聚氨酯的加入。增强了两相体系的结合力，使GFRP锚杆的扭矩增大。当聚氨酯的加入量小于5％时，对树脂的性能起到提高和加强作用，在加入量为5％时达到大值，当聚氨酯的加入量超过5％时，GFRP的性能反而下降。
　　这是因为聚氨酯较少时有利于提高树脂与玻璃纤维之间的结合力，使GFRP锚杆的抗扭性能提高，在聚氨酯加入量为5％左右时出现大值，当聚氨酯的加入量进一步增多时，聚氨酯分子链的增多导致了IPN结构尺寸的变化，使原来树脂网络与玻璃纤维之间结合的致密性受到影响，增大两相分离的趋势，而聚氨酯本身的强度小于树脂，当基体树脂中含有过多聚氨酯时，聚氨酯就会形成一个连续的第三相，材料破坏时会从聚氨酯处先破坏，所以随着聚氨酯的增多，GFRP锚杆的抗扭性能逐渐降低。

3　结　论

　　1)MEKP的加入能改善GFRP锚杆的抗扭性能，其加入量为1.0％左右时，锚杆扭矩达到了极大值，加入过多或过少都会降低GFRP锚杆的性能。
　　2)纳米莫来石的加入也能够提高GFRP的扭矩，在当纳米莫来石加入量达到1.5％左右时，扭矩达到大值，随后莫来石的含量增多时，GFRP锚杆的性能逐渐下降。
　　3)聚氨酯对GFRP锚杆的抗扭性能的影响也十分明显，随着聚氨酯加入量的增多，GFRP锚杆的扭矩逐渐增大，当聚氨酯的加入量为5％左右时，扭矩达到大值；之后，随着聚氨酯加入量的增大，GFRP锚杆的抗扭性能反而下降，而且下降幅度很大。