黃麻纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能

湯 棟, 趙 玉 萍, 趙 明

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

近年來,黃麻纖維復(fù)合材料作為一種新型環(huán)保復(fù)合材料,越來越受到人們的關(guān)注。我國黃麻產(chǎn)量豐富,位列世界第三。黃麻纖維除了具有綠色、可降解、再生快等諸多優(yōu)點(diǎn)外,纖維的力學(xué)性能也較優(yōu)良,黃麻纖維的比強(qiáng)度與比模量接近E-玻璃纖維,是一種非常理想的纖維增強(qiáng)材料[1-2]。黃麻纖維復(fù)合材料在汽車、建筑、船舶等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,研究開發(fā)黃麻纖維復(fù)合材料是非常有意義的。黃麻/環(huán)氧復(fù)合材料的力學(xué)性能取決于基體和纖維雙方的特性。國內(nèi)已有學(xué)者對黃麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行過研究和討論,如鄭融等[3]研究了黃麻單向纖維和隨機(jī)分布短纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能,并與竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能進(jìn)行了比較；曾竟成等[4]討論了黃麻有捻纖維束和黃麻布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料的復(fù)合工藝和力學(xué)性能；張安定等[5]研究了黃麻纖維的長度和含量對其增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。但此類研究并未系統(tǒng)闡述黃麻的纖維長度和纖維含量對其環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。作者討論了黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能,特別研究了纖維含量和纖維長度對其拉伸和彎曲性能的影響。

1 實(shí) 驗

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 主要材料

經(jīng)脫膠梳理的黃麻纖維,河南麻布制品有限公司；環(huán)氧樹脂,E-44(6101),香港榮發(fā)裝飾材料國際集團(tuán)有限公司；固化劑,聚酰胺樹脂低分子650型,香港榮發(fā)裝飾材料國際集團(tuán)有限公司；丙酮,化學(xué)純,沈陽新興試劑廠。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

MN壓力成型機(jī),無錫市中凱橡塑機(jī)械有限公司；HY-W萬能制樣機(jī),承德市試驗機(jī)廠；RG微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī),深圳市瑞格爾儀器有限公司；8303烘箱,上海革新儀器制造廠。

1.2 實(shí)驗方法與步驟

1.2.1 黃麻纖維的準(zhǔn)備

將脫膠梳理后的黃麻纖維分別剪成3、5、10、15 mm的4種長度,置于70 ℃的烘箱中干燥脫水。

1.2.2 樹脂基體的制備

將環(huán)氧樹脂、聚酰胺、丙酮按表1所示的樹脂基體配方比例進(jìn)行混合。

表1 環(huán)氧樹脂基體配方表

1.2.3 復(fù)合材料板的制備

制備過程:室溫下黃麻纖維與樹脂基體混合→放置到模具中→放入熱壓機(jī),真空零壓下50 ℃靜置30 min→升溫至80 ℃,壓力2 MPa,1 h→升溫至110 ℃,壓力2 MPa,1 h→升溫至140 ℃,壓力2 MPa,2 h→自然冷卻后脫模。

將5 mm的黃麻纖維分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、20%、30%、40%與樹脂充分混合制成試樣,用以探討纖維含量對黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂性能的影響。

分別將3、5、10、15 mm的黃麻纖維按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%與樹脂充分混合制成試樣,用以探討纖維長度對黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂性能的影響。

另準(zhǔn)備環(huán)氧樹脂澆鑄體試樣,用以探討黃麻纖維的加入對環(huán)氧樹脂性能的影響。

1.3 測試與表征

1.3.1 力學(xué)性能測定

參照GB 1447—2005拉伸性能實(shí)驗方法,在RG微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行板材的拉伸性能測試。試樣規(guī)格為180 mm×20 mm×4 mm,夾持距離為110 mm,加載速度為2 mm/min。

參照GB 1449—2005彎曲性能測試方法,采用三點(diǎn)彎曲法在RG微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行板材的彎曲性能測試。試樣規(guī)格為80 mm×15 mm×4 mm,跨距取為64 mm,加載速度為2 mm/min。

1.3.2 掃描電鏡(SEM)分析

采用日本JEOL公司的JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡觀察黃麻/環(huán)氧復(fù)合材料試樣的拉伸斷面。截取適當(dāng)長度的樣條斷面,將樣品放入70 ℃烘箱中烘干20 min,烘干后用SEM觀察斷面的微觀形態(tài)。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

黃麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料拉伸性能的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對拉伸性能的影響

由圖1可以看出,隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大拉伸強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢,當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)20%時,復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高,為59.56 MPa,之后隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大略有下降。對于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料而言,材料的強(qiáng)度取決于基體將承受的載荷傳遞給增強(qiáng)纖維的程度,黃麻纖維之所以能夠增強(qiáng)樹脂基體的力學(xué)性能,最主要的因素是基體將承受的部分載荷傳遞給了增強(qiáng)纖維[6],兩相間的界面黏結(jié)情況決定了傳遞效果。黃麻纖維含量較低時,許多纖維處于孤立狀態(tài),纖維間抱合力較差,不能起到分擔(dān)基體所受載荷的作用,因此試樣拉伸性能較低[7]。隨著纖維含量增加,材料強(qiáng)度增大。這是由于黃麻纖維發(fā)揮了增強(qiáng)纖維的作用,與基體共同承擔(dān)拉伸外力,所以隨著纖維含量增加,復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)力也會增加。但是,當(dāng)纖維含量增大到一定量,纖維在環(huán)氧樹脂中不能完全、均勻浸透,纖維與纖維間的樹脂含量過少且分布不均影響了界面黏結(jié)情況,導(dǎo)致了復(fù)合材料受力不均,降低了拉伸強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂中的黃麻纖維限制了環(huán)氧樹脂的變形,所以較小的應(yīng)力不可能引起大的變形,且隨著纖維含量的增多纖維對樹脂基體的變形限制越嚴(yán)重[8],拉伸模量隨纖維含量增加而遞增。這說明黃麻纖維含量的增加對復(fù)合材料拉伸模量的提升是有利的。

黃麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料彎曲性能的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出,隨著黃麻纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,板材彎曲強(qiáng)度逐漸增加,當(dāng)黃麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時,黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到了93.11 MPa,纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加彎曲強(qiáng)度則略有下降。材料受到彎曲變形時,纖維在基體中因應(yīng)力缺陷所引起的破壞作用高于纖維在基體中所發(fā)揮的增強(qiáng)作用[9]。而彎曲模量則先隨纖維含量的增加而遞增,后趨于平緩。

圖2 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對彎曲性能的影響

2.2 纖維長度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖3、4給出了在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,纖維長度對材料拉伸和彎曲性能的影響。由圖3、4可以看出,隨著纖維長度的增加,材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度均呈先增加后減小的變化趨勢,且在纖維長度為10 mm處達(dá)到最大,此時拉伸強(qiáng)度為53.08 MPa,彎曲強(qiáng)度為83.44 MPa,實(shí)驗數(shù)據(jù)符合短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料臨界纖維長度對材料強(qiáng)度的影響規(guī)律[10],即在低于臨界纖維長度時,材料的強(qiáng)度隨纖維長度的增加而增大；而高于臨界纖維長度時,材料的強(qiáng)度隨纖維長度的增加而減小。因為纖維在復(fù)合材料中充當(dāng)?shù)氖窃鰪?qiáng)材料,所以隨纖維長度的增加,單根纖維與樹脂的結(jié)合面也增大,結(jié)合力增加,復(fù)合材料板斷裂時需要將纖維與樹脂脫黏的力也更大,所以強(qiáng)度隨之增大。而拉伸與彎曲模量均隨纖維長度的增加而遞增,說明纖維的高長徑比帶來了材料模量的提高。

圖4 纖維長度對材料模量的影響

2.3 材料斷口SEM分析

采用SEM觀察纖維長度為5 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的復(fù)合材料的斷口處微觀結(jié)構(gòu),見圖5,其中(a)、(b)、(c)分別是斷口處40、100、300倍的SEM照片。由圖5(a)可以看出,一部分黃麻纖維裸露在環(huán)氧樹脂外面,這是由于拉伸破壞導(dǎo)致纖維被拔出,且纖維長短不一,說明纖維與樹脂之間的結(jié)合不夠均勻完善。由圖5(b)可以看出,在拉伸斷裂過程中有樹脂的粉碎顆粒產(chǎn)生,且樹脂有因黃麻浸潤不均產(chǎn)生的氣泡。除樹脂有撕裂的痕跡外,還有基體與纖維剝離后留下的纖維

圖5 材料拉伸斷面的SEM形貌

絲,這是纖維和樹脂在脫黏時因兩者的結(jié)合力而將纖維撕裂的結(jié)果。由圖5(c)可以看出,黃麻截面是不規(guī)則的多角形,中間有多個空腔。纖維和樹脂之間存在著由于黃麻纖維從樹脂中拔出所形成的類似圓形的孔洞,黃麻纖維表面比較光滑,基本沒有樹脂黏附在纖維表面,這說明兩相界面之間的黏結(jié)強(qiáng)度仍有待進(jìn)一步增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

黃麻纖維的加入對環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能有明顯改善,且纖維的含量和長度對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著影響。隨著纖維含量和長度的增加,復(fù)合材料的彎曲和拉伸強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢。黃麻纖維在長度10 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%時,黃麻/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸和彎曲綜合性能比較好。纖維含量的增加和纖維長度的增加對材料模量的提升是有利的。隨著纖維含量與纖維長度的增加,材料的模量也呈增加的趨勢。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%、纖維長度超過10 mm時,增加不明顯。

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