連續(xù)玻纖增強聚烯烴預(yù)浸帶的力學(xué)性能

劉雪靜， 譚洪生， 李麗平， 譚哲興

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

70年代之前熱固性樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于軍工產(chǎn)品，在較長一段時間內(nèi)，連續(xù)纖維增強熱固性塑料應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如管道、罐體等.70年代后開始轉(zhuǎn)向民用，但此材料的主要缺點是使用后不易回收利用[1-2]，為克服此缺點，人們開發(fā)出幾種熱塑性樹脂基復(fù)合材料以滿足市場需求.熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有特定溫度范圍內(nèi)反復(fù)加熱熔融、冷卻硬化、加工成型方便、機(jī)械性能好等特點，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域[3-5].目前，短玻纖增強聚烯烴熱塑性復(fù)合材料研究起步較早，并廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、化工、包裝、電力、運輸?shù)阮I(lǐng)域[6-9].連續(xù)/長玻纖增強的復(fù)合材料由于具有更加優(yōu)異的性能，能滿足許多實際應(yīng)用對材料性能的要求，成為研究和應(yīng)用的熱點[10-11]，而國內(nèi)有關(guān)連續(xù)玻璃纖維增強聚烯烴預(yù)浸帶復(fù)合材料的研究報道較少.筆者采用熔融浸漬工藝制備出連續(xù)纖維增強聚烯烴預(yù)浸帶，研究了樹脂基體與纖維含量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并通過動態(tài)黏彈譜儀考察了玻璃纖維對聚烯烴動態(tài)力學(xué)行為的影響.

1 實驗部分

1.1 原材料

高密度聚乙烯(HDPE)(PE A)，牌號：DGDA 2911，熔體質(zhì)量流動速率MFR為20g/min； HDPE(PE B)，牌號：DGDB 2480，MFR為0.1g/min；低密度聚乙烯(LLDPE)(PE C)，牌號：DFDA 7042，MFR為1.9g/min；抗沖共聚聚丙烯(IPC)(PP A)：SP179，MFR為8.9g/min，均為中國石油化工股份有限公司齊魯分公司生產(chǎn)；

PP：牌號T30S(PP B)，MFR為3g/min，中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司；

馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)：PP-G-1；馬來酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)：PE-G-1，均為南京德巴化工有限公司生產(chǎn)；

GF：HYBON 6000，中材金晶玻纖有限公司.

1.2 材料制備

1.2.1 預(yù)浸帶制備

將玻璃纖維穿入與單螺桿擠出機(jī)連接的熔融浸漬模具中，聚烯烴樹脂經(jīng)單螺桿擠出機(jī)擠出，經(jīng)擠出機(jī)的進(jìn)料口進(jìn)入到模具中，并沿模具芯套和套管之間的狹縫通道流入，與穿入狹縫中的玻璃纖維匯合，其后一同沿此狹縫流道前進(jìn)，被樹脂浸漬的玻璃纖維經(jīng)由口模成型[12]，然后經(jīng)壓延機(jī)、牽引機(jī)牽引，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩流變儀的輸出速度和牽引機(jī)的速度來控制預(yù)浸帶復(fù)合材料中纖維的含量，從而制得連續(xù)玻璃纖維增強聚烯烴預(yù)浸帶復(fù)合材料.

1.2.2 試樣制備

將制備的預(yù)浸帶復(fù)合材料自然冷卻后經(jīng)熱模壓機(jī)分兩層垂直排列壓制成板材(如圖1)，其尺寸為150mm×100mm×2mm，模壓溫度為220℃，壓力為15MPa.模壓成型的片材再使用萬能制樣機(jī)制取樣條.

圖1 兩層浸漬帶壓制復(fù)合材料板材示意圖

1.3 分析測試

拉伸強度：試樣尺寸為150mm×15mm×2mm，其余按GB/T 1447-2005進(jìn)行測試；

彎曲強度：試樣尺寸為50mm×12.5mm×2mm，其余按GB/T 9341-2006進(jìn)行測試；

動態(tài)力學(xué)行為測試：儀器為Q800型，美國TA公司；測試條件為振動頻率和振幅分別為1Hz和20μm，升溫速率為5℃/min，溫度范圍為-140～120℃，高純氮氣氛.測試樣條的尺寸為：35mm×10mm×2mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 基體樹脂對力學(xué)性能的影響

圖2 基體樹脂對復(fù)合材料拉伸強度的影響

由圖2看出，不同樹脂制備的浸漬帶拉伸強度不同.由于不同樹脂的流動性不同，其與玻璃纖維的浸漬效果也不相同.對于純樹脂基體PP(B)、PP(A)、PE(B)、PE(C)來說，其拉伸強度PP(B)>PP(A)，PE(B)>PE(C)，但由于PP(A)、PE(C)的熔體流動速率較低，故在擠出過程中與纖維的浸漬效果較差.因此，樹脂與纖維間浸漬效果越好，界面黏結(jié)強度越高，在拉伸過程中纖維拔出或拉斷所需要消耗的能量越多，從而使復(fù)合材料的抗拉強度越高；反之，復(fù)合材料的抗拉強度越低.

從圖2還可看出，將預(yù)浸帶通過熱模壓機(jī)壓片制成的樣條與預(yù)浸帶樣條的拉伸強度相比較低，這是因為纖維在壓片過程中的排布方向不同其拉伸強度也不同，相同質(zhì)量的復(fù)合材料，壓片過程中纖維縱橫垂直分布時，沿拉伸力方向的纖維數(shù)量減少，抗拉能力降低；與拉伸力垂直方向的纖維在拉伸過程中起不到承載的作用.因此，二維垂直方向分布的復(fù)合材料比一維單向方向分布的抗拉強度低.

由圖3可以看出，加入纖維后材料的彎曲強度大幅度提高.所用樹脂基體均為聚烯烴，其拉伸和彎曲性能較低；加入纖維后，纖維與基體黏結(jié)在一起形成有效的界面層，在彎曲過程中基體通過界面層將載荷有效的傳遞給纖維，纖維在基體中起到骨架作用，故彎曲強度明顯提高.纖維單向分布時，脫黏或斷裂的纖維含量高，因此具有較高的彎曲強度；纖維縱橫垂直分布時，與壓頭平行的纖維在彎曲過程中不起作用，承載的纖維數(shù)量降低，故彎曲強度較低.在玻璃纖維增強聚烯烴預(yù)浸帶的制備過程中，存在纖維分散不均，纖維與基體界面黏結(jié)性差的問題，有待進(jìn)一步改進(jìn).

圖3 基體樹脂對復(fù)合材料彎曲強度的影響

2.2 纖維含量對力學(xué)性能的影響

圖4是基體樹脂為PE(A)的復(fù)合材料其纖維含量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))不同時預(yù)浸帶拉伸強度的變化.可以看出，纖維含量為70%時拉伸強度達(dá)到最大值，70%以下隨纖維含量的增加，拉伸過程中斷裂和拔出的纖維數(shù)量增加，消耗更多的能量，故隨纖維含量增加拉伸強度提高；70%以上隨纖維含量的增加基體樹脂減少，使得纖維和基體之間的浸漬效果變差，兩者之間的黏結(jié)性減弱，界面強度降低.另一方面隨纖維含量的增加，基體中晶體含量降低，此時大量的玻璃纖維相互重疊、接觸，影響了基體樹脂的相連續(xù)性，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能降低[13-15].

圖4 纖維含量對預(yù)浸帶拉伸強度的影響

圖5是基體樹脂為PE(A)的預(yù)浸帶復(fù)合材料彎曲強度隨纖維含量的變化.纖維含量為70%時彎曲強度最高.70%以下，隨纖維含量的增加，基體與纖維的接觸面積增大，黏結(jié)性增強，此時使纖維脫黏需要更多的能量；纖維在復(fù)合材料中起骨架的作用，吸收主要的彎曲能量，隨纖維含量的增加承載更多的載荷，材料的彎曲強度越高；70%以上時，基體含量降低，纖維與基體間的浸潤性降低，浸漬效果變差，降低材料的彎曲性能，故彎曲強度低.

圖5 纖維含量對預(yù)浸帶彎曲強度的影響

2.3 動態(tài)力學(xué)行為

圖6為纖維含量不同的預(yù)浸帶復(fù)合材料的儲能模量隨溫度的變化曲線.儲能模量是表征聚合物熔體黏彈性的重要參數(shù)，表征熔體變形過程中存儲的能量.從圖中可以看出純PE熔體的儲能模量較低，加入纖維后預(yù)浸帶復(fù)合材料的儲能模量有較大幅度的提高.這主要是因為加入玻璃纖維后，纖維能較好的增強樹脂基體，提高了材料的剛性，使得復(fù)合材料的模量增加，同時樹脂分子的運動受阻，使得材料的內(nèi)耗減少，從而提高了復(fù)合材料的抗形變能力.由于纖維增強的聚合物基復(fù)合材料儲能模量具有加和性，復(fù)合材料的儲能模量隨纖維含量的增加而提高，纖維的用量越高，預(yù)浸帶復(fù)合材料的儲能模量就越大[16-17].

圖6 PE(A)及其復(fù)合材料的儲能模量與溫度的關(guān)系

圖7為纖維含量不同的預(yù)浸帶復(fù)合材料的損耗因子隨溫度的變化曲線.從圖中可以看出純2911在-100℃左右存在一個凸峰，表明基體已發(fā)生無定形的玻璃化轉(zhuǎn)變，此峰為純聚乙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度.加入纖維后，復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高，這是因為纖維的加入使得基體的含量降低從而使非晶部分的含量降低；隨纖維含量的增加，復(fù)合材料基體中非晶部分的含量減少，故在圖中纖維含量為55%時存在小的凸峰，纖維含量為70%時幾乎無玻璃化轉(zhuǎn)變.

圖7 損耗因子tanδ與溫度的關(guān)系

3 結(jié)論

1)玻璃纖維的加入可以大幅度的提高復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度.當(dāng)玻璃纖維的含量為70%時，復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度達(dá)到最大值，其后隨纖維含量的增加復(fù)合材料的性能反而降低.

2)纖維分布對材料的性能有較大影響，纖維一維單向分布時，復(fù)合材料的拉伸、彎曲強度最高；纖維縱橫垂直分布時，復(fù)合材料的拉伸、彎曲強度較單向分布時低.纖維縱橫垂直分布時，與彎曲實驗簡支梁兩支點連線垂直的纖維在彎曲過程中不起承載作用，故纖維的分布方向?qū)澢阅苡绊戄^大.

3)玻璃纖維增強聚烯烴預(yù)浸帶復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)行為分析表明，加入玻纖后復(fù)合材料的儲能模量大幅度提高，預(yù)示著材料的抗形變能力明顯增強；隨玻纖含量的增加，材料的損耗因子降低，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高；纖維含量為70%時，幾乎無玻璃化轉(zhuǎn)變.

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