玻璃纖維布增強(qiáng)高密度聚乙烯性能研究

郭梅英，楊紅娜，吳曉青

(1.天津工業(yè)大學(xué)，先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)(2.北京航天合眾科技發(fā)展有限公司，北京 100076)

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玻璃纖維布增強(qiáng)高密度聚乙烯性能研究

郭梅英1，楊紅娜2，吳曉青1

(1.天津工業(yè)大學(xué)，先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)(2.北京航天合眾科技發(fā)展有限公司，北京 100076)

通過熱壓罐成型工藝制備了玻璃纖維增強(qiáng)高密度聚乙烯(HDPE)復(fù)合材料，重點(diǎn)對(duì)材料的沖擊性能以及熱穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：隨著玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，復(fù)合材料沖擊性能呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，并在玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)最佳；隨著沖擊能量增大，復(fù)合材料沖擊性能呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，并在35J能量時(shí)達(dá)到最佳。樹脂材料的熱穩(wěn)定性也因?yàn)椴ＡЮw維的增強(qiáng)有了一定提高。

玻璃纖維布；HDPE；熱壓罐成型；力學(xué)性能；熱穩(wěn)定性

1　引 言

熱塑性樹脂經(jīng)纖維增強(qiáng)后，強(qiáng)度、模量等性能都得以提高。并且熱塑性復(fù)合材料與熱固性復(fù)合材料相比具有：輕質(zhì)高強(qiáng)、高韌性、高損傷容限、成本低、加工工藝簡(jiǎn)單、可回收利用、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航空航天、電能、建筑、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域迅速發(fā)展[1-4]。聚乙烯雖然機(jī)械強(qiáng)度不高，但是成型溫度范圍廣，易于成型，纖維增強(qiáng)的聚乙烯可以在很大程度上改善樹脂和纖維的性能，制得理想性能的材料。因此，纖維增強(qiáng)的聚乙烯復(fù)合材料近年來一直是研究的熱點(diǎn)。Claire Steggall-Murphy[5]、Wellington Chu[6]、D.Bikiaris[7]、李力[8]、張寧[9]等人分別對(duì)纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的性能進(jìn)行了研究。雖然國(guó)內(nèi)外在玻纖增強(qiáng)聚乙烯研究上已有了一些經(jīng)驗(yàn)，但大多是以短纖維為增強(qiáng)體，通過擠出成型，或用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)預(yù)浸料制備復(fù)合材料，直接使用玻璃纖維布對(duì)熱塑性樹脂進(jìn)行成型的研究較少。本文通過使用熱壓罐成型工藝對(duì)玻璃纖維布增強(qiáng)的高密度聚乙烯復(fù)合材料進(jìn)行成型，并對(duì)成型材料的沖擊性能以及熱穩(wěn)定性能進(jìn)行分析。

2　實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)中選擇大連櫻田機(jī)械制造有限公司制造的熱壓罐進(jìn)行復(fù)合材料的成型。原材料為常州天馬集團(tuán)生產(chǎn)的中堿玻璃纖維無捻粗紗布與河北省保定恩世包裝生產(chǎn)的HDPE樹脂薄膜。

選用美國(guó)Instron Dynatup 9250HV，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1843-2008，對(duì)材料沖擊性能進(jìn)行測(cè)試；選用德國(guó)耐馳STA449F3型同步熱分析儀對(duì)材料熱穩(wěn)定性能進(jìn)行測(cè)試；選用日本日立MT-1000掃描電子顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行掃描。

3　結(jié)果與討論

3.1沖擊性能

對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)HDPE復(fù)合材料在施加30J能量前提下，纖維含量對(duì)材料沖擊性能影響如圖1所示。

圖1　不同纖維質(zhì)量含量時(shí)材料沖擊性能影響

圖1中可以觀察到材料沖擊強(qiáng)度隨著纖維質(zhì)量增大呈現(xiàn)先增大后較少趨勢(shì)；表面沖擊凹坑深度隨著纖維質(zhì)量增大呈現(xiàn)出先減少后增大趨勢(shì)。在玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí)，材料受沖擊作用破壞最嚴(yán)重。

當(dāng)玻璃纖維含量較低時(shí)，樹脂在復(fù)合材料受到?jīng)_擊時(shí)起到主導(dǎo)地位，由于聚乙烯樹脂耐沖擊性能較差，導(dǎo)致材料耐沖擊強(qiáng)度較低。隨著玻纖含量增加，纖維破裂以及拔出過程中吸收了大部分的沖擊能量，在一定程度上提高了板材的韌性，增大了材料的層間斷裂能力。抵抗破壞性能的增強(qiáng)也使得沖擊坑的深度與復(fù)合板材厚度的比值不斷減少。當(dāng)纖維含量在30%時(shí)，復(fù)合材料的耐沖擊性能最佳，復(fù)合板材吸收的能量最多。在超過這個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，材料的耐沖擊性能反而有了一定的下降。是因?yàn)殡S著玻璃纖維布層數(shù)的增多，樹脂含量減少，樹脂不能完全浸漬纖維，從而導(dǎo)致了較差的層間結(jié)合能力，導(dǎo)致材料在受到外力沖擊時(shí)存在較多的殘余應(yīng)力，降低了材料的力學(xué)性能。同時(shí)沖擊凹坑深度也隨之增大。

選定材料中玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%前提下，能量對(duì)材料沖擊性能影響如圖2-3所示。

圖2中沖擊強(qiáng)度與表面凹坑深度隨能量增大均呈現(xiàn)先增大后減少趨勢(shì)。在這里結(jié)合圖3不同能量下復(fù)合板材時(shí)間-載荷關(guān)系對(duì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象原因進(jìn)行分析。

圖3中可以觀察到，隨著沖擊能量增大，沖擊速度變大，達(dá)到最大載荷的時(shí)間變短，整體沖擊時(shí)間不斷減少，載荷-時(shí)間曲線的波動(dòng)越發(fā)的劇烈，曲線中峰值也呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)，因此對(duì)復(fù)合板材造成的損傷也越加嚴(yán)重。這是因?yàn)樵谳^小的沖擊能量時(shí)，材料主要變化為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的彈性變形，此時(shí)板材并未產(chǎn)生過多的損傷。在能量稍微增大時(shí)，板材產(chǎn)生了包括小的分層以及基體裂紋等輕微的損傷，也不足以對(duì)板材產(chǎn)生明顯的影響。此時(shí)，曲線呈現(xiàn)出小幅的波動(dòng)，但整體并不是十分劇烈，材料表面凹坑深度增大。在更大的能量時(shí)，板材會(huì)出現(xiàn)明顯的損傷，凹坑深度達(dá)到最大，表現(xiàn)為纖維與基體樹脂的分層以及纖維的斷裂，此時(shí)就會(huì)對(duì)板的剛度產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，時(shí)間-載荷曲線也會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

圖2　不同能量下復(fù)合板材沖擊性能

圖3　不同能量下復(fù)合板材時(shí)間-載荷關(guān)系圖

3.2熱穩(wěn)定性分析

圖4為純樹脂與成型材料熱穩(wěn)定性的對(duì)比。

圖4中可以看出，玻璃纖維的加入明顯增強(qiáng)了樹脂材料熱穩(wěn)定性能。因?yàn)椴ＡЮw維在材料中起到了剛性鏈的作用，基體分子間的運(yùn)動(dòng)由于玻璃纖維的加入變得相對(duì)困難。因此玻璃纖維的加入提高了玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性高密度聚乙烯復(fù)合材料的熱降解溫度。

3.3復(fù)合材料沖擊斷口形貌

圖5為玻璃纖維增強(qiáng)HDPE復(fù)合材料的沖擊斷口的掃描電鏡圖。

圖5中可以看出，在沖擊載荷的作用下，基體樹脂與玻璃纖維產(chǎn)生了分層，并且有大量的玻璃纖維從基體中拔出斷裂，殘留斷面上玻璃纖維表面光滑，粘附較少的HDPE樹脂。說明HDPE樹脂對(duì)玻璃纖維浸漬不理想，在外力作用下樹脂與纖維很容易發(fā)生脫黏破壞。

圖4　復(fù)合材料熱重分析

圖5　成型板材的沖擊斷口圖

4　結(jié) 語

(1)確定熱壓罐成型工藝可以成型熱塑性復(fù)合材料。

(2)當(dāng)能量固定時(shí)，沖擊強(qiáng)度隨玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)材料沖擊強(qiáng)度均達(dá)到最大。當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時(shí)，玻纖增強(qiáng)HDPE復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度隨能量增大呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，35J時(shí)達(dá)到最大。

(3)玻璃纖維增強(qiáng)后樹脂的熱穩(wěn)定性與純樹脂相比有了提高。

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Glass Fabric Reinforced High Density Polyethylene Composite Material Preparation and Properties Research

GUO Meiying1,YANG Hongna2,WU Xiaoqing1

(1.Kay Laboratory for Advanced Textile Composite of Ministry of Education,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387)(2.Beijing aerospace modern science and technology development co.,LTD,Beijing,100076)

This paper through the autoclave molding process preparation of glass fiber reinforced high density polyethylene (HDPE) composite material,focus on the impact of the material performance and thermal stability were studied.The results show that with the improvement of glass fiber mass fraction,composite material showed a trend of first increases and then the impact resistance,and the glass fiber the best when the mass fraction of 30%; With impact energy increases,the composites showed a trend of first increases and then the impact resistance,and at the age of 35 J energy to achieve the best.Thermal stability of the resin material because of glass fiber reinforced has been raised.

Glass Fabric; HDPE; Autoclave Molding; mechanical property; thermal stability

2015-08-16)

郭梅英(1988-)，女，碩士研究生，研究方向：熱塑性復(fù)合材料。E-mail:gmytjgy@163.com.

吳曉青(1964-)，女，教授，博士生導(dǎo)師；E-mail:wuxiaoqing501@126.com.