聚苯硫醚/玻璃纖維輕質(zhì)復(fù)合材料制備及性能研究

1. 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200233；2. 上海杰事杰新材料(集團)股份有限公司，上海 201108

近些年來，汽車的輕量化和可持續(xù)發(fā)展越來越受到重視。在汽車內(nèi)飾用紡織品中，玻璃纖維以其獨特的高強度、高模量、耐腐蝕、耐高溫、抗老化、降噪聲等特性成為研究熱點。目前汽車上常用輕質(zhì)高分子復(fù)合材料來取代鋼結(jié)構(gòu)件，主要有玻璃纖維增強熱塑性材料、玻璃纖維氈增強熱塑性材料(GMT)等[1]。其中，GMT是由連續(xù)玻璃纖維氈和熱塑性樹脂合成的一種新型復(fù)合材料，其以熱塑性樹脂(通用塑料、工程塑料或高性能塑料)為基體，以玻璃纖維氈(短切或連續(xù)的玻璃纖維氈)為增強骨架。輕質(zhì)GMT材料具有輕質(zhì)環(huán)保、吸聲隔熱、高強韌性、優(yōu)良的抗化學(xué)腐蝕性和環(huán)境適應(yīng)性等特點，是汽車輕量化的首選材料之一。

聚苯硫醚(PPS)纖維是一種新型高性能合成纖維，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性、阻燃性等，在環(huán)保、電子、機械、汽車、紡織、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。但是純聚苯硫醚纖維脆性較大、沖擊韌性較差，若以玻璃纖維等無機材料增強后可提高其物理機械性能，因此很多學(xué)者對此進行了大量的研究[3]。

本研究旨在探索制備GMT材料的新途徑，通過PPS纖維與玻璃纖維的機械混合、梳理成網(wǎng)，再經(jīng)針刺熱壓工藝，試圖研制出一種既具有優(yōu)秀的力學(xué)性能又具有良好的隔聲性能的功能化PPS/玻璃纖維輕質(zhì)復(fù)合材料。

1 試驗部分

1.1 主要原料

玻璃纖維：長78.0 mm，2 400 tex/束，耐高溫型352A(巨石集團)。

PPS纖維：長78.0 mm(裁剪)，440 dtex/束，耐高溫型(四川得陽特種新材料有限公司)。

1.2 樣品制備

本文所研究的復(fù)合材料工藝主要包括2個步驟：玻璃纖維和PPS纖維的混合、梳理成網(wǎng)并針刺成氈；PPS/玻璃纖維復(fù)合材料的熱壓成型。

1.2.1 針刺氈的制備

PPS纖維與玻璃纖維按照質(zhì)量比60 ∶40進行混合，經(jīng)過粗開松、精開松后，纖維由管道輸送到梳理機；進一步梳理后，由交叉鋪網(wǎng)機進行鋪網(wǎng)；纖網(wǎng)經(jīng)過1道上下針刺后裁剪成規(guī)格為60 cm×60 cm PPS/玻璃纖維針刺氈小樣。

1.2.2 復(fù)合材料的制備

先平鋪1層聚四氟乙烯脫膜紙，再分別放置1.5、 2、 3和4 mm厚的模具，把裁好的60 cm×60 cm的PPS/玻璃纖維針刺氈小樣放置在模具中央，然后在上面平鋪1層聚四氟乙烯脫膜紙。依次分別進行熱壓、冷壓，制出4種不同厚度的復(fù)合材料，編號分別為1#～4#。具體工藝參數(shù)為：熱壓溫度300 ℃、冷壓溫度20 ℃、熱(冷)壓壓力1 MPa、熱壓時間8 min、冷壓時間30 min。

2 性能測試

2.1 厚度

根據(jù)GB/T 24218.2—2009標(biāo)準(zhǔn)，對樣品進行厚度測試。

2.2 面密度

根據(jù)GB/T 24218.1—2009標(biāo)準(zhǔn)，用電子天平對樣品進行面密度測試。

2.3 力學(xué)性能

拉伸強度和斷裂伸長率測試按照ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)測試，彎曲強度按照ASTM D790標(biāo)準(zhǔn)測試，懸臂梁無缺口沖擊強度按照ASTM D256標(biāo)準(zhǔn)測試。

2.4 熱變形溫度

參照GB/T 1634.2—2004標(biāo)準(zhǔn)，對樣品進行熱變形溫度測試。

2.5 隔聲性能

根據(jù)ISO 10534-2標(biāo)準(zhǔn)，對樣品進行隔聲性能測試，將材料貼實安裝，測試結(jié)果以1/3倍頻程中心頻率表示。

測試儀器：PULSE 3550B 5通道頻譜分析儀、4206T駐波阻抗管、4189傳聲器、7758型聲學(xué)材料測試系統(tǒng)和4231聲學(xué)校準(zhǔn)器。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

4種不同厚度的樣品基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，發(fā)現(xiàn)本文所制樣品面密度較低，厚度較小。

表1 樣品的規(guī)格參數(shù)

4種樣品的力學(xué)性能如表2所示。玻璃纖維由于具有較好的力學(xué)性能，在復(fù)合材料中起增強體作用，其在受力過程中是載荷的主要承載體。PPS纖維在復(fù)合材料中主要起固結(jié)作用。材料經(jīng)熱壓后，玻璃纖維和PPS纖維之間因黏結(jié)而使復(fù)合材料強力增強。

表2 樣品的機械性能

從表2可以看到4種樣品的懸臂梁無缺口沖擊強度均較大，這是由于玻璃纖維的加入，增強了材料的柔韌性。同時也可以看出，在相同的熱壓條件下，厚度較小的復(fù)合材料的拉伸強度和彎曲強度較大。這可能是由于模具厚度越小，起黏結(jié)作用的PPS纖維越容易浸透到玻璃纖維之間，并能均勻地包覆在玻璃纖維周圍，纖維網(wǎng)被更加緊密地壓在一起，所以復(fù)合材料的整體力學(xué)性能增強。

3.2 熱變形溫度

表3為4種樣品的熱變形溫度，從表3可以看出，4種不同厚度樣品的熱變形溫度都達到了270 ℃以上，說明PPS/玻璃纖維復(fù)合材料具有非常好的耐高溫性能。

PPS纖維本身耐熱性能良好，經(jīng)玻璃纖維填充后熱變形溫度有更大地提高。這是因為復(fù)合材料的熱變形溫度主要與PPS纖維和玻璃纖維的模量及結(jié)合強度有關(guān)。玻璃纖維的模量高，在恒定壓力、勻速升溫的條件下，當(dāng)外力施加在玻璃纖維上時，材料的變形速率減小，因此PPS/玻璃纖維復(fù)合材料的熱變形溫度有所提高[4]。

表3 樣品的熱變形溫度

3.3 隔聲性能

材料的隔聲一般包括2個部分：反射和吸收。隔聲機理為當(dāng)聲波傳播到材料時，部分聲波在材料表面發(fā)生反射和散射，部分聲波穿過表面進入材料內(nèi)部并在孔隙與纖維間不斷進行反射，纖維因此發(fā)生振動而使聲能損失，因此聲壓被降低。同時當(dāng)聲波在孔隙中傳播時，空氣分子發(fā)生振動，但由于纖維邊界摩擦力的存在，空氣分子振動產(chǎn)生黏滯效應(yīng)，聲能被加速轉(zhuǎn)換成熱能而被消耗，從而達到隔聲降噪的目的[5]。材料的隔聲性能用隔聲量(單位為dB)來表征，隔聲量越大，材料隔聲性能越好。圖1為4種樣品的隔聲性能測試曲線。

圖1 樣品的隔聲性能測試曲線

由圖1可知4種樣品曲線走勢類似，均在5 000 Hz處達到了最高隔聲量。同時也可以看到曲線在630 Hz處出現(xiàn)了一個拐點，這是因為測試由中低頻向中高頻轉(zhuǎn)換時，更換阻抗管產(chǎn)生了隨機誤差，并且測試系統(tǒng)本身也會存在一定的系統(tǒng)誤差。在頻率為200～6 300 Hz時，1#樣品的隔聲量比2#和3#樣品大。在中低頻段，1#樣品的隔聲量比4#樣品大，在頻率為5 000 Hz附近，1#樣品的隔聲量比4#樣品小。一般而言，材料的面密度和結(jié)構(gòu)決定了材料在中高頻的隔聲性能，在一定范圍內(nèi)，材料的面密度、厚度和孔隙率越大，材料的隔聲性能越好，因此4#樣品在5 000 Hz頻率下的隔聲量較大。在頻率為200～6300 Hz時，1#樣品的隔聲性能較為穩(wěn)定，適合作為汽車用隔聲材料。

4 結(jié)語

PPS纖維與玻璃纖維以60 ∶40的質(zhì)量比混合，先經(jīng)針刺工藝制成針刺氈，再由熱壓工藝制得輕質(zhì)復(fù)合材料。通過對比發(fā)現(xiàn)厚度為1.5 mm的復(fù)合材料，面密度最小，拉伸強度和彎曲強度最大，熱變形溫度較高，可達275 ℃，隔聲性能較好，最大隔聲量出現(xiàn)在5 000 Hz頻率處。

本文研發(fā)的PPS/玻璃纖維輕質(zhì)復(fù)合材料，既具有良好的物理力學(xué)性能，又具有很好的隔聲性能，在汽車內(nèi)飾中具有很好的發(fā)展前景。