熱塑性復(fù)合材料片材纖維分散程度對材料性能的影響分析

陳蔚崗,張國騰,張淑萍

(哈爾濱玻璃鋼研究院,哈爾濱 150036)

0 引 言

中長纖維增強(qiáng)熱塑性片材(GMT)問世40余年來,一直是工程師們認(rèn)為性能較好、價格適中的熱塑性復(fù)合材料。其強(qiáng)度高、可回收、重量輕、成本低的特點(diǎn)成為近年來熱塑性復(fù)合材料成型工藝研究的重點(diǎn)課題之一。在國外,GMT迄今仍占纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的主要份額(約 40%)[1]。濕紙法(Wet/Paper Process)工藝也稱為濕法工藝,是由法國Arjomari公司和英國Wiggins Teaper公司開發(fā)的熱塑性片材成型方法之一[2]。濕法熱塑性片材成型工藝一般采用長12mm左右的中長纖維與樹脂顆粒、輔助助劑與水混合在一起形成懸濁液,然后通過上漿工藝將材料制成規(guī)定厚度的片材濕氈。濕氈經(jīng)過脫水、烘干、熱軋形成片材。濕法成型的片材由于纖維短,具有較好的流動性,制件的強(qiáng)度與干法相當(dāng),特別適合于復(fù)雜幾何形狀和薄壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用[3]。這種片材成型工藝復(fù)雜,可以賦予制件較好的抗沖擊性能,并且由于纖維的分散不均而造成的制件不規(guī)則變形小,兼具有熱塑性復(fù)合材料的可回收特性,已成為世界復(fù)合材料制品生產(chǎn)的前沿性材料之一,具有廣闊的市場前景[4]。近年來,它受到LFT日益劇烈的競爭,致使其增長減緩。但這一競爭也激勵了它的求新和發(fā)展,所以GM T在近10 a的發(fā)展比它在前30 a的變化還要多[5]。

在濕法片材國產(chǎn)化工藝研究過程中我們發(fā)現(xiàn),在片材成型過程中巨大的能耗問題是降低生產(chǎn)成本難以克服的關(guān)鍵問題之一。國內(nèi)外材料特性的差異也為研究工作的順利進(jìn)行帶來了重重困難。如何優(yōu)化工藝、降低生產(chǎn)能耗,使產(chǎn)品特性更貼近于實際應(yīng)用需求,是工藝研究的重點(diǎn)。

日本ケ-ブラシ-ト株式會社生產(chǎn)的濕法片材KPシ-ト產(chǎn)品纖維分散方式與我們常規(guī)理解的濕法工藝分散方式完全不同,其力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)與國產(chǎn)的濕法片材樣品的對比給了我們重要的啟示。

1 材料與測試

本次對比試驗材料采用的是哈爾濱玻璃鋼研究院研制的濕法片材實驗樣品與日本ケ-ブラシ-ト株式會社生產(chǎn)的濕法片材KPシ-ト產(chǎn)品。采用相同的片材制品成型工藝成型并加工成試驗件進(jìn)行力學(xué)性能測試。

材料的拉伸性能測試采用的是ASTM標(biāo)準(zhǔn)D638-96,塑料材料的拉伸性能測試方法。試樣厚度為5.1～5.4 mm,測試速度為5 mm/min。測試設(shè)備采用的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的INSTRON-1186電子萬能材料試驗機(jī)。

材料的彎曲性能(包括彎曲強(qiáng)度和彎曲模量)測試采用的是ASTM標(biāo)準(zhǔn)D790-96a,增強(qiáng)與非增強(qiáng)塑料以及電絕緣材料的彎曲性能測試方法。測試采用3點(diǎn)加載,跨距 100 mm,壓頭移動速度2 mm/min,上壓頭直徑10 mm,支撐座直徑10 mm。測試設(shè)備采用的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的INSTRON-1186電子萬能材料試驗機(jī)。

材料的沖擊性能測試采用的是ASTM標(biāo)準(zhǔn)D256-93a,塑料材料缺口試樣錘擺沖擊韌性測試方法。試驗設(shè)備為哈爾濱絕緣材料廠分析測試中心的擺錘式懸臂量沖擊試驗機(jī)JB-6。

兩種材料的測試結(jié)果見表1。

表1 相同成型條件下日本ケ-ブラシ-ト株式會社KPシ-ト的性能指標(biāo)對比Table1 Properties compare of GMT-PP made in Japan and Harbin FRP Institute

2 分析與討論

2.1 外觀

從外觀上看,日本ケ-ブラシ-ト株式會社KPシ-ト產(chǎn)品明顯沒有將纖維進(jìn)行細(xì)化分散,材料的表面可以明顯看出纖維束的痕跡。從試驗結(jié)果看,材料的拉伸性能較低,而沖擊性能、彎曲性能基本符合纖維含量應(yīng)該達(dá)到的性能指標(biāo)。從試樣的斷口可以明顯看出纖維分散方式的不同之處,見圖1。

圖1 兩種纖維分散方式的濕法片材斷口形式對比Fig.1 Compare of two kinds of disperse on broken interface

圖1中左邊的試樣為纖維含量為42%的缺口沖擊強(qiáng)度斷裂后的試樣,右邊為日本ケ-ブラシ-ト株式會社KPシ-ト產(chǎn)品缺口沖擊強(qiáng)度斷裂后的試樣。從照片上可以看出,日本片材明顯沒有使纖維完全分散,纖維束也沒有完全被樹脂浸透。富余的樹脂由于自身的收縮使纖維束的痕跡非常明顯。盡管如此,材料的綜合機(jī)械性能除拉伸強(qiáng)度外,甚至實現(xiàn)了細(xì)化分散纖維都難以達(dá)到的理想結(jié)果。由于纖維束沒有充分分散,大大降低了纖維在樹脂——纖維分散體系中的表面積。同樣的纖維含量下,樹脂完成纖維束表面浸漬,自然要比完成每根纖維完全浸漬容易得多。在能夠?qū)崿F(xiàn)比較理想的材料力學(xué)性能,簡化工藝的同時,還可以提高片材的纖維含量。

2.2 沖擊性能

熱塑性片材一般都具有較高的抗沖擊性能,由于KPシ-ト產(chǎn)品纖維束中孔隙的存在,可以有效地吸收裂紋的擴(kuò)展能量,提高產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度。而我們研制的片材中也不可避免存在孔隙,這是由于纖維含量高,樹脂不能完全浸漬纖維表面造成的。因此從沖擊強(qiáng)度方面,兩者數(shù)據(jù)差異不大。

2.3 拉伸性能

從材料拉伸性能分析,由于KPシ-ト產(chǎn)品纖維束沒有被完全浸漬,當(dāng)片材無規(guī)律分布的纖維束與受力方向不一致時,未能浸漬完全的纖維束相當(dāng)于樹脂中的孔隙。當(dāng)受到拉伸作用時,纖維束與受力方向的角度越大,纖維束受力截面越大,需要纖維束承受的力越大,而這種情況對纖維的受力狀態(tài)是最為不利的(圖2)。材料在該處的局部強(qiáng)度甚至?xí)陀跇渲倔w強(qiáng)度,因此在拉伸性能的比較上KPシ-ト產(chǎn)品處于下風(fēng)。

2.4 彎曲性能

從材料的彎曲性能分析,當(dāng)受到彎曲作用時,材料承受的主要應(yīng)力來源于剪切力,纖維束在材料中的受力狀態(tài)無非3種,見圖3。

在圖3(a)情況下,剪切力被分成兩部分,f2使纖維束沿纖維截面方向受到剪切,f1使纖維束沿纖維方向受到剪切。即:

式中 f為由纖維束單元承受的力;μ為纖維間的摩擦系數(shù)。

由纖維束單元承受的力,與纖維束受力方向上的投影面積有關(guān),即:

式中F為材料單元面積所受的力,N/m2;L為纖維束的長度,mm;W為纖維束的寬度,mm。

可以看出隨著α角逐漸減小,纖維的受力截面也逐漸減小,亦即由該束纖維承受的剪切力也越來越小。

圖3(b)情況下纖維承受了主要剪切應(yīng)力,受力截面也大;圖3(c)情況下,纖維只能承擔(dān)很小的纖維間摩擦力,但由于受力截面很小,因此對材料整體性能影響不大。

從另一個方面看,由于在該體系中樹脂為連續(xù)相,亦即,材料內(nèi)部的孔隙只在纖維束內(nèi)部產(chǎn)生,孔隙的大小基本固定,并且孔隙的分布規(guī)律可以掌握和控制。

從以上的分析可以看出,單純從纖維束浸漬狀態(tài)的好壞來講,對材料整體的剪切性能影響不大。對比試驗的結(jié)果也體現(xiàn)了這個分析的結(jié)論。

而目前采用的纖維細(xì)化分散的濕法片材成型方法,纖維與樹脂之間的比表面積相對較大,如果能使樹脂形成連續(xù)相,材料能夠體現(xiàn)出良好的整體機(jī)械性能。但受樹脂粘度的影響,當(dāng)纖維含量提高到一定程度,就不能完全被樹脂浸漬完全。這時,纖維和樹脂都不是連續(xù)相?？紫兜拇笮『臀恢枚际请S機(jī)的、無規(guī)律的,一般發(fā)生在纖維和樹脂的界面上,對材料的綜合力學(xué)性能影響很大。另一方面,我們都了解國產(chǎn)樹脂分子量分布較國外產(chǎn)品寬,成型時粘度較大。與含量較高的中長纖維進(jìn)行浸漬,很難將其充分浸漬均勻。對成型的工藝條件、成型材料的樹脂粘度要求更為苛刻,從材料的整體設(shè)計上看并不合理。因此在相同纖維含量條件下我們研發(fā)的材料彎曲性能與KPシ-ト產(chǎn)品比較完全處于下風(fēng)。

2.5 熱性能

熱塑性樹脂在浸漬纖維過程中遇到的最大的問題是粘度,要降低樹脂的粘度主要有3種途徑:提高樹脂的分子量分布集中度、降低樹脂的分子量和適宜的浸漬工藝溫度。而分子量的降低直接會影響材料的強(qiáng)度性能和熱性能,日本片材的這種纖維分散方式降低了浸漬的工藝難度,可以使用分子量較高的樹脂,從而提高材料的綜合性能。實測KPシ-ト產(chǎn)品的熱變形溫度略高也反映了這一點(diǎn)。

3 結(jié) 論

GMT-PP片材一般應(yīng)用于耐沖擊、抗震、減震的場合,拉伸性能的好壞對整體材料的綜合性能影響不是很大。從日本GMT-PP片材的制作工藝可以看出,利用這種技術(shù),可以間接提高整體材料中的纖維含量。而纖維含量的增加不僅可以減少片材的制造成本,更提高了片材的綜合力學(xué)性能,降低了片材的制作難度,在保證材料強(qiáng)度的同時兼具有較好的經(jīng)濟(jì)特性。最為可貴的是,這種技術(shù)不局限于濕法片材成型工藝,甚至適用于各種纖維和樹脂的浸漬工藝,尤其適用于熱塑性復(fù)合材料成型工藝。而這種技術(shù)采用的反向思維模式,為我們進(jìn)行新材料的研發(fā)提供了別具一格的思路。

[1]葉鼎銓.GM T片材發(fā)展概況[J].玻璃鋼,2007,(4):18-20.

[2]董永祺.GM T的新進(jìn)展[J].纖維復(fù)合材料,1996,13(1):43-48.

[3]呂赤炎.國外GM T的發(fā)展動向(上)[J].玻璃纖維,1997,(2):27-31.

[4]戴干策,孫 斌.輕質(zhì)熱塑性復(fù)合片材的制備技術(shù)與應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料,2007,24(2):3-6.

[5]葉鼎銓.玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性片(板)材發(fā)展概況[J].玻璃纖維,2008,(3):28-34.