石墨填充聚四氟乙烯復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)研究

靳遵龍,郭月明，李趙,2，王定標(biāo)，王永慶

石墨填充聚四氟乙烯復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)研究

靳遵龍1, 郭月明1， 李趙1,2， 王定標(biāo)1， 王永慶1

(1. 鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院， 河南 鄭州 450001； 2. 河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450016)

摘要：通過(guò)對(duì)添加石墨的聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，考察石墨的添加量對(duì)改性復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響.得到了試樣的拉伸強(qiáng)度及其拉伸性能曲線.試驗(yàn)結(jié)果表明，石墨的添加量對(duì)改性PTFE的性能影響很大.當(dāng)石墨體積分?jǐn)?shù)為24%時(shí)，改性PTFE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較純聚四氟乙烯降低了48%，僅為12.2 MPa；隨著石墨含量的繼續(xù)增加，改性PTFE復(fù)合材料的力學(xué)性能持續(xù)明顯降低.

關(guān)鍵詞：聚四氟乙烯；石墨；拉伸試驗(yàn)

0引言

隨著社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，人們對(duì)石油、化工、航天、制藥、輕工等領(lǐng)域中使用的導(dǎo)熱材料的綜合性能要求越來(lái)越高.單一材質(zhì)的材料很難滿足目前工業(yè)發(fā)展的特殊要求.在某些特殊場(chǎng)合，傳統(tǒng)的金屬和非金屬材料已經(jīng)無(wú)法滿足使用要求，復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與研究顯得非常必要.

在化工、制藥、輕工等生產(chǎn)中使用的熱交換器，需要所用的材料具有良好的力學(xué)性能，同時(shí)也要耐高溫和耐腐蝕.高分子材料有很好的耐高溫和耐腐蝕性，并且價(jià)格較合金材料有很大的優(yōu)越性，但純高分子材料的熱導(dǎo)率都很低，一般通過(guò)添加具有高熱導(dǎo)率的填料來(lái)改變其性能，由此可制取價(jià)格低廉、加工容易、耐腐蝕性強(qiáng)、力學(xué)性能好的復(fù)合材料.因此，開(kāi)發(fā)適用于這些特殊工況的高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料顯得非常重要[1].

王紅凱等[2]利用催化劑使有機(jī)硅的甲氧基與環(huán)氧樹(shù)脂的仲羥基反應(yīng)生成共聚物，增加了固化產(chǎn)物的抗高溫性和韌性.

Gaier等[3]將不同導(dǎo)熱性的纖維布置于復(fù)合材料的不同方向上，得到具有導(dǎo)熱各向異性的復(fù)合材料.Ishida等[4]用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%的氮化硼作為填充物，來(lái)填充聯(lián)二苯甲胺類(lèi)聚合物，最終獲得的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)32.5 W/(m·K).Yamada等[5]采用試驗(yàn)研究和有限元分析相結(jié)合的方法研究了碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱性.Adams[6]分析研究了高導(dǎo)熱碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)熱碳纖維是高度石墨化的，得到這些材料的導(dǎo)熱性與石墨狀態(tài)相關(guān)的結(jié)論.Danes[7]指出,在一些對(duì)傳熱性能要求高的場(chǎng)合，可以用導(dǎo)熱復(fù)合材料來(lái)代替單純的聚合物.

綜上所述，對(duì)于石墨改性PTFE復(fù)合材料的影響，眾人研究的焦點(diǎn)大多集中在其熱力學(xué)性能的改變上，而對(duì)其力學(xué)性能的影響研究甚少.鑒于此，筆者對(duì)石墨改性PTFE復(fù)合材料進(jìn)行拉伸測(cè)試，目的在于研究石墨對(duì)改性復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，為改性PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能的預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù).

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)試樣及儀器

石墨,F-1型粉劑,d≤4 μm,上海膠體化工廠;PTFE,SFX-1型懸浮顆粒,d≤15 μm,四川中昊晨光化工研究院;掃描電子顯微鏡,型號(hào)為JSM-7500F,日本電子株式會(huì)社;微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),型號(hào)為WDW-100D,上海華龍測(cè)試儀器有限公司.此處按國(guó)標(biāo)GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測(cè)定》[8]5.1中的要求，選用并制備適用于纖維增強(qiáng)熱固性和熱塑性塑料的試驗(yàn)的Ⅲ型試樣，其模型如圖1所示，尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.具體試樣由廊坊中潤(rùn)密封材料有限公司提供所需配比的板材，然后經(jīng)由自己加工成類(lèi)似于標(biāo)準(zhǔn)模型的試樣(試樣表面應(yīng)保證平整、無(wú)裂紋、氣泡、分層且無(wú)加工損傷及明顯雜質(zhì)等缺陷).共有8組編號(hào)為01～08不同配比的待測(cè)試樣.研究表明，石墨的填充使得PTFE的熱導(dǎo)率明顯提高[9].為保證試樣的導(dǎo)熱性、強(qiáng)度、耐腐蝕性等性能在試驗(yàn)要求的范圍內(nèi)，01至08號(hào)試樣中石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25.5%、23.6 %、21.8%、19.9%、18.1%、16.3%、14.4%、12.5% (對(duì)應(yīng)體積分?jǐn)?shù)分別為28%、26%、24%、22%、20%、18%、16%、14%).

圖1　Ⅲ型試樣尺寸數(shù)據(jù)

名稱(chēng)尺寸/mm總長(zhǎng)L110中間平行部分長(zhǎng)度C9.5端部寬度W45端部半徑R06.5表面半徑R175側(cè)面半徑R275中間平行部分厚度d03.2端部厚度d16.5中間平行部分寬度b25

1.2試驗(yàn)步驟

(1)按GB/T 2918—1998《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境》[10]規(guī)定的試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)并對(duì)石墨填充PTFE復(fù)合材料試樣狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié).(2)試樣準(zhǔn)備.在被測(cè)石墨填充PTFE復(fù)合材料試樣上劃出長(zhǎng)度為l的標(biāo)距線；測(cè)量石墨填充PTFE復(fù)合材料試樣中間平行部分的厚度及寬度，測(cè)量結(jié)果精確到0.01 mm，分別取3個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行試樣厚度和寬度的測(cè)量，取其算術(shù)平均值作為試樣計(jì)算寬度和厚度.(3)試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備.先打開(kāi)拉力試驗(yàn)機(jī)，再打開(kāi)計(jì)算機(jī)，開(kāi)機(jī)預(yù)熱10 min后進(jìn)行試驗(yàn)，并按配套軟件使用手冊(cè)運(yùn)行配套軟件.(4)夾持試樣.對(duì)拉力試驗(yàn)機(jī)夾具進(jìn)行檢查，先將試樣夾持在上夾具上，進(jìn)行力清零以消除試樣自重后再對(duì)另一端用下夾具進(jìn)行夾持；確保上、下夾具的中心線連線與被測(cè)試樣的縱軸線重合；以適宜的夾持力度對(duì)試樣進(jìn)行夾持，以防被測(cè)試樣在夾具內(nèi)斷裂或者從夾具脫離.(5)開(kāi)始試驗(yàn).點(diǎn)擊主機(jī)小鍵盤(pán)上的試件保護(hù)鍵，消除夾持力并對(duì)位移清零；按運(yùn)行命令按鈕，按照軟件設(shè)定的方案以及GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測(cè)定》[8]的規(guī)定選用5 mm/min±20%的拉伸速度進(jìn)行試驗(yàn).(6)數(shù)據(jù)記錄.分別記錄試樣屈服時(shí)的載荷和斷裂負(fù)荷；試樣拉斷后，取下斷裂的兩段試樣，將其兩端對(duì)齊、靠緊并用游標(biāo)卡尺測(cè)出試件斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度lt(若被測(cè)試樣在拉伸過(guò)程中，斷裂的部分在中間平行部分外時(shí)，認(rèn)定此試樣作廢，須另取試樣重新進(jìn)行試驗(yàn)).

1.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

試件在拉伸過(guò)程及斷裂前瞬間在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上的狀態(tài)見(jiàn)圖2，拉伸過(guò)程中，試樣的拉伸性能曲線見(jiàn)圖3.

圖2　試樣拉伸斷裂前瞬間圖

圖3　編號(hào)01試樣拉伸性能曲線

拉伸試驗(yàn)中，被測(cè)試樣的最大負(fù)荷見(jiàn)表2，試樣拉伸強(qiáng)度見(jiàn)表3，試樣拉伸強(qiáng)度與石墨體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系見(jiàn)圖4.

表2　試樣最大負(fù)荷

被測(cè)試樣的拉伸強(qiáng)度以式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：σt為試樣拉伸強(qiáng)度，MPa；P為試樣最大負(fù)荷,N；b為試樣寬度，mm;d為試樣厚度，mm.

表3　試樣的拉伸強(qiáng)度

圖4　試樣的拉伸強(qiáng)度與石墨體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

從表3及圖4可以看到，石墨對(duì)改性PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能影響很大，隨著石墨含量的繼續(xù)增加，改性復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)持續(xù)明顯降低.純PTFE基體材料的拉伸強(qiáng)度約為23.35 MPa，當(dāng)石墨體積分?jǐn)?shù)為24%時(shí)，改性PTFE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較純PTFE降低了48%，僅為12.2 MPa.試驗(yàn)得到的石墨改性PTFE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，為該材料更廣泛的應(yīng)用提供了參考.

2結(jié)論

根據(jù)塑性材料拉伸試驗(yàn)原理，按GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的測(cè)定》對(duì)石墨改性PTFE復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到改性后復(fù)合材料的拉伸性能曲線及相應(yīng)石墨添加體積分?jǐn)?shù)下的拉伸強(qiáng)度，從定量上論證了石墨含量與改性PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)系：在石墨含量?jī)H為24%時(shí)，改性PTFE復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度降低48%，僅為12.2 MPa；隨石墨含量增加，改性PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能持續(xù)明顯降低.所得相應(yīng)石墨含量下改性PTFE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，為改性PTFE復(fù)合材料力學(xué)性能的預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

參考文獻(xiàn)：

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Tensile Test on PTFE Composites Filled with Graphite

JIN Zunlong1, GUO Yueming1, LI Zhao1,2, WANG Dingbiao1, WANG Yongqing1

(1.School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing, Zhengzhou 450016, China)

Abstract:Tensile test on PTFE composites filled with graphite was carried out to investigate the effect of the graphite content on the tensile strength of modified composite materials. The tensile performance curve and tensile strength were obtained. The results showed that the mechanical properties of modified PTFE composites were influenced significantly by the graphite content. When the volume fraction of graphite is 24%, the tensile strength of the modified PTFE composites decreased by 48%, which was only 12.2 MPa. With the increase of the graphite content, the mechanical properties of the modified PTFE composites continued to decrease obviously.

Key words:PTFE; graphite; tensile test

收稿日期:2015-10-07；

修訂日期：2015-11-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21576245)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M552011)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A470005)

通信作者:王永慶(1979—)，男，河南安陽(yáng)人，鄭州大學(xué)講師，博士，主要從事高導(dǎo)熱復(fù)合材料強(qiáng)化傳熱及力學(xué)性能研究工作，E-mail: wangyq@zzu.edu.cn.

文章編號(hào):1671-6833(2016)01-0084-03

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ327.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201510015

引用本文:靳遵龍, 郭月明， 李趙，等.石墨填充聚四氟乙烯復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016，37(1)：84-86,91.