苧麻織物增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料成型工藝及其阻燃性能

李明，王利劍，劉勝凱，王春紅，陳澄，左祺

(天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

隨著人們出行需求的日益增加，軌道交通車輛的使用也越來越多。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料相比于芳綸纖維、碳纖維制備的復(fù)合材料，由于其價(jià)格相對(duì)低廉而在軌道交通車輛上廣泛使用[1–2]。然而，玻璃纖維存在不可再生、不可回收以及生產(chǎn)制造過程中能量消耗巨大等問題，與之相比苧麻纖維質(zhì)量輕，比強(qiáng)度、比模量與玻璃纖維相近，有望廣泛用于軌道交通車輛上[3]。雖然苧麻纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在一定程度上能夠替代傳統(tǒng)的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，但在力學(xué)性能與阻燃性能上還與玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料存在一定差距，因此提高苧麻纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能和阻燃性能成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

復(fù)合材料的力學(xué)性能與其成型工藝有關(guān)，目前苧麻纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的成型工藝主要有纏繞成型、模壓成型、鋪放成型、熱壓罐成型、樹脂傳遞模塑成型等方式[4]，Prasad等[5]采用手糊成型和模壓成型制備亞麻增強(qiáng)不飽和聚酯(UP)樹脂復(fù)合材料，研究結(jié)果表明模壓成型工藝制備的復(fù)合材料性能更優(yōu)。模壓成型工藝相較于其它成型方式具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品強(qiáng)度高、人員要求較低、可重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)而被大量使用，因此筆者擬采用模壓成型工藝制備UP/苧麻復(fù)合材料。

UP/苧麻復(fù)合材料阻燃性能較差的原因與其增強(qiáng)體苧麻纖維有關(guān)，這是由于苧麻纖維主要由碳、氫、氧等元素構(gòu)成，在受熱過程中極易燃燒并釋放出大量熱量及水和二氧化碳等物質(zhì)[6]，其易燃特性容易在復(fù)合材料中形成“燭芯效應(yīng)”，使得UP/苧麻復(fù)合材料阻燃性能難以滿足軌道交通車輛的阻燃標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要對(duì)苧麻纖維進(jìn)行阻燃改性，從而拓寬UP/苧麻復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域上的應(yīng)用。目前，苧麻纖維的阻燃改性方法主要有直接浸漬法[7]、層層自組裝法[8–9]、溶膠-凝膠法[10]、接枝改性法[11]、共混改性等方式[12]，直接浸漬法由于具有操作簡(jiǎn)便、成本較低、織物力學(xué)性能影響較小等優(yōu)勢(shì)，適于UP/苧麻復(fù)合材料的阻燃改性。

筆者制備的UP/苧麻復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檐壍澜煌I(lǐng)域，其性能要求主要參考TB/T 3138–2006《機(jī)車車輛阻燃材料技術(shù)條件使用要求》、TB/T 3138–2018 《機(jī)車車輛用材料阻燃技術(shù)要求》以及JT/T 1095–2016 《營(yíng)運(yùn)客車內(nèi)飾材料阻燃特性》三種標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中要求復(fù)合材料的極限氧指數(shù)(LOI)≥35%，彎曲強(qiáng)度≥150 MPa。

因此，筆者選用一種阻燃UP樹脂制備UP/苧麻復(fù)合材料，經(jīng)過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)改性處理對(duì)復(fù)合材料的最優(yōu)成型工藝探究沒有影響[13]，故首先探究了UP樹脂的固化工藝，然后對(duì)UP/苧麻復(fù)合材料的模壓成型工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明其彎曲性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但阻燃性能不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。基于上述結(jié)果，在前期復(fù)合材料成型工藝基礎(chǔ)上采用植酸(PA)對(duì)苧麻織物進(jìn)行阻燃改性以提高復(fù)合材料的阻燃性能，進(jìn)而制得阻燃性能和力學(xué)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的UP/苧麻復(fù)合材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

苧麻織物：織物克重130，190，310 g/m2，湖南華升洞庭麻業(yè)有限公司；

氫氧化鈉(NaOH)：分析純，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑KH550：分析純，鼎海塑膠化工有限公司；

PA：分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；

阻燃UP樹脂：常州市華潤(rùn)復(fù)合材料有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

塑料制品液壓機(jī)：YTD71-45A型，天津天鍛液壓有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9240A型，鞏義市予華儀器有限公司；

萬能試驗(yàn)機(jī)：Instron3369型，美國(guó)英斯特朗公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：Phenom XL型，上海復(fù)納科學(xué)儀器有限公司；

差示掃描量熱(DSC)儀：DSC200F3型，德國(guó)耐馳公司；

LOI儀：HC-2C型，美國(guó)阿特拉斯公司；

熱重(TG)分析儀：TG209F3型，德國(guó)耐馳公司；

X射線光電子能譜(XPS)儀：NEXSA型，美國(guó)賽默飛世爾公司。

1.3 試樣制備

(1)未阻燃苧麻織物處理及復(fù)合材料的制備。

首先配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液，苧麻織物與硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液的質(zhì)量比為1∶20，將苧麻織物充分浸沒在上述溶液中，每10 min攪拌一次，2 h后取出并放于烘箱中(80℃)烘干至恒重。然后按苧麻織物與UP樹脂質(zhì)量比30∶70將UP樹脂均勻涂抹到苧麻織物上，制得UP/苧麻預(yù)浸料，最后將制備的預(yù)浸料借助模壓工藝制備成UP/苧麻復(fù)合材料。

(2)阻燃改性苧麻織物處理及復(fù)合材料的制備。

首先將PA均勻分散于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液中，制得PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，3%，5%，7%的阻燃溶液，苧麻織物與阻燃溶液的質(zhì)量比為1∶20，將苧麻織物充分浸沒在上述阻燃溶液中，每10 min攪拌一次，30 min后取出并放于烘箱中(80℃)烘干至恒重。然后按苧麻織物與UP樹脂質(zhì)量比30∶70將UP樹脂均勻涂抹到阻燃改性苧麻織物上，最后依據(jù)前期探討出的最優(yōu)模壓成型工藝制備阻燃改性UP/苧麻復(fù)合材料。

1.4 性能測(cè)試與表征

(1)力學(xué)性能測(cè)試。

拉伸性能測(cè)試：使用萬能試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM D638–2014進(jìn) 行 測(cè) 試，試 樣 尺 寸 為160 mm×12.5 mm×3 mm，夾持隔距為90 mm，加載速度為5 mm/min。

彎曲性能測(cè)試：使用萬能試驗(yàn)機(jī)，按照ASTM D790–2017進(jìn) 行 測(cè) 試，試 樣 尺 寸 為60 mm×12.5 mm×3 mm，試樣跨距為48 mm，加載速度為2 mm/min。

(2) DSC測(cè)試。

使用DSC儀進(jìn)行測(cè)試，稱取UP樹脂5～10 mg放 入坩堝 并 壓 實(shí)密封，依 次 以5，10，15，20℃/min的升溫速率對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，氣體氛圍為N2，測(cè)試區(qū)間為20～220℃。

(3) SEM表征。

采用SEM觀察復(fù)合材料的斷裂界面以及殘?zhí)啃蚊?，觀察前需要對(duì)樣品表面進(jìn)行噴金處理，測(cè)試溫度25℃，測(cè)試電壓10 kV。

(4) LOI測(cè)試。

LOI按照GB/T 2406.1–2009進(jìn)行測(cè)試。試樣尺寸為100 mm×50 mm×3 mm，燃燒筒內(nèi)氣體流速40 mm/s，使用頂面點(diǎn)燃法燃燒時(shí)間3 min或燃燒長(zhǎng)度50 mm (二選一)。

(5) TG分析。

取10～20 mg實(shí)驗(yàn)樣品，在N2保護(hù)下以10℃/min的升溫速率由室溫加熱至800℃。

(6) XPS分析。

采用XPS儀的全譜能量掃描對(duì)苧麻織物表面的化學(xué)成分進(jìn)行定性定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 UP樹脂固化工藝分析

UP樹脂在不同升溫速率下的DSC曲線如圖1所示。UP樹脂的固化為放熱反應(yīng)，在DSC圖譜中以吸熱單峰呈現(xiàn)，單峰的峰始溫度、峰頂溫度、峰終溫度分別對(duì)應(yīng)于樹脂固化開始、最高以及終止時(shí)刻的峰值溫度。由圖1可知，不同升溫速率下固化反應(yīng)特征變化明顯，隨著升溫速率的增加，放熱峰向高溫方向移動(dòng)且峰型尖銳程度逐漸增強(qiáng)，固化反應(yīng)的各特征峰溫度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。主要原因是在升溫速率較低時(shí)，樹脂體系有足夠的時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)，放熱過程較為緩和。隨著升溫速率的逐漸提高，樹脂體系在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)增大，因此其固化峰變得愈發(fā)尖銳[14]。由圖1的DSC曲線可以得出試樣在不同升溫速率下的固化起始溫度Ti、固化峰值溫度Tp和固化終止溫度Tf，具體數(shù)據(jù)參見表1。

圖1 不同升溫速率下的UP樹脂升溫固化DSC曲線

表1 UP樹脂在不同升溫速率下的特征溫度

根據(jù)表1中UP樹脂在不同升溫速率下的特征溫度，采用外推法得到升溫速率為0℃/min時(shí)對(duì)應(yīng)的特征溫度分別為35.5，59.9，96.5℃，如圖2所示，其分別對(duì)應(yīng)于樹脂固化的起始溫度、峰值溫度、結(jié)束溫度。因此該UP樹脂在固化時(shí)需要由起始固化溫度35℃緩慢升溫到60℃恒溫固化，最后升到97℃保持一段時(shí)間才能完全固化?；谇捌谠囼?yàn)得出樹脂的最佳固化工藝為：由35℃升溫至60℃，保溫3 h，然后升溫至100℃，保溫1 h，使樹脂完全固化。

圖2 UP樹脂的溫度-升溫速率外推曲線(圖中公式的β表示升溫速率)

2.2 成型工藝對(duì)UP/苧麻復(fù)合材料力學(xué)性能影響

(1)模壓壓力對(duì)UP/苧麻復(fù)合材料性能影響。

模壓壓力對(duì)于復(fù)合材料的成型和性能有著很重要的影響。為了研究UP/苧麻復(fù)合材料的成型工藝，首先對(duì)模壓成型工藝中的加壓壓力進(jìn)行探究。以克重為130 g/m2的苧麻織物為增強(qiáng)體、織物鋪層層數(shù)為24層制備了復(fù)合材料，探究了不同模壓壓力下苧麻復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能，結(jié)果如圖3所示。由圖3a可以看出，隨著模壓壓力不斷增大，UP/苧麻復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，當(dāng)壓力為20 MPa時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大為87.44 MPa，比壓力為5 MPa時(shí)提升了13.41%。而拉伸彈性模量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在模壓壓力15 MPa時(shí)達(dá)到最大為8.57 GPa。這是因?yàn)殡S著壓力的增大，樹脂對(duì)織物的浸潤(rùn)效果得到提升，復(fù)合材料的致密程度增加，從而提高了苧麻纖維和樹脂之間的接觸面積和粘附力，使得復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度提高[15]。由圖3b可以看出，隨著模壓壓力的增大，苧麻復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)壓力為15 MPa時(shí)，苧麻復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度最大為147.89 MPa、此時(shí)彎曲彈性模量為9.64 GPa。模壓壓力過大時(shí)，復(fù)合材料在成型過程中會(huì)有較大殘余應(yīng)力的存留，導(dǎo)致樹脂基體在受壓力的情況下交聯(lián)固化成型，而這種殘余應(yīng)力在材料層間體現(xiàn)的更加嚴(yán)重，在彎曲測(cè)試時(shí)會(huì)將這種殘余應(yīng)力釋放。殘余應(yīng)力越大對(duì)復(fù)合材料層間結(jié)合性能越不利，使得復(fù)合材料彎曲性能下降[16]，但整體來看，下降的幅度相對(duì)不大。

圖3 不同模壓壓力的UP/苧麻復(fù)合材料力學(xué)性能

通過分析對(duì)比不同模壓壓力下復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能可知，當(dāng)模壓壓力為20 MPa時(shí)，苧麻復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較好，最終確定復(fù)合材料的模壓壓力為20 MPa。

(2)織物克重對(duì)UP/苧麻復(fù)合材料性能的影響。

選取三種不同克重的苧麻織物作為增強(qiáng)體，克 重 分 別 為130，190，310 g/m2。在 模 壓 壓 力20 MPa，纖維樹脂質(zhì)量比不變條件下(即苧麻織物克重為130，190，310 g/m2時(shí)鋪層層數(shù)分別為24層、17層、10層)，探究三種不同克重苧麻織物對(duì)復(fù)合材料拉伸性能、彎曲性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同織物克重的UP/苧麻復(fù)合材料力學(xué)性能

由圖4可知，克重為190 g/m2的苧麻織物制備復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量均較好，分別為97.69 MPa，7.70 GPa，166.83 MPa，8.57 GPa。對(duì)織物厚度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)織物克重增加時(shí)，織物厚度也隨之增加。190 g/m2的苧麻織物厚度處于克重為130 g/m2和310 g/m2的苧麻織物之間，厚度適中有利于樹脂對(duì)苧麻織物的浸潤(rùn)，提高復(fù)合材料性能。綜上可知，當(dāng)苧麻織物克重為190 g/m2時(shí)，復(fù)合材料的性能最好。

(3)織物鋪層層數(shù)對(duì)UP/苧麻復(fù)合材料性能的影響。

以模壓壓力20 MPa，克重為190 g/m2的苧麻織物為增強(qiáng)體，制備不同鋪層層數(shù)的UP/苧麻復(fù)合材料，探究了織物鋪層層數(shù)對(duì)苧麻復(fù)合材料拉伸性能、彎曲性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同鋪層層數(shù)的UP/苧麻復(fù)合材料力學(xué)性能

為了進(jìn)一步優(yōu)化苧麻織物克重為190 g/m2的復(fù)合材料的力學(xué)性能，苧麻織物的鋪層層數(shù)不宜過大，這是因?yàn)殇亴訉訑?shù)過大會(huì)影響樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)導(dǎo)致復(fù)合材料界面結(jié)合性能下降，因此在探討鋪層層數(shù)時(shí)最大選擇20層。由圖5可知，隨著織物鋪層層數(shù)的增加，UP/苧麻復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)織物鋪層層數(shù)為14層時(shí)性能最好，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度分別為100.06 MPa和171.03 MPa。這是因?yàn)殡S著織物鋪層層數(shù)的增多，增強(qiáng)體對(duì)樹脂的增強(qiáng)效果逐漸增強(qiáng)；當(dāng)織物鋪層層數(shù)為20層時(shí)，樹脂不能完全浸潤(rùn)織物，嚴(yán)重影響了纖維與樹脂之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，使得復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

綜上所述，以拉伸性能、彎曲性能為指標(biāo)探討UP/苧麻復(fù)合材料的成型工藝，確定其最佳制備工藝為模壓壓力20 MPa、織物克重190 g/m2以及織物鋪層層數(shù)14層。

2.3 PA對(duì)UP/苧麻復(fù)合材料阻燃性能影響

(1) PA對(duì)UP/苧麻復(fù)合材料LOI影響。

不同PA含量的UP/苧麻復(fù)合材料LOI測(cè)試結(jié)果見表2。由表2可見，與未阻燃UP/苧麻復(fù)合材料相比，PA改性UP/苧麻復(fù)合材料LOI隨著PA含量的增加而提高，即苧麻織物阻燃性能提高的同時(shí)會(huì)使復(fù)合材料阻燃性能提高。PA與硅烷偶聯(lián)劑KH550中的硅-磷-氮元素在復(fù)合材料燃燒過程中能夠充分發(fā)揮協(xié)同阻燃效果，PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%后，阻燃改性復(fù)合材料的LOI均超過35%，滿足了標(biāo)準(zhǔn)中復(fù)合材料LOI≥35%的要求。當(dāng)PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，阻燃改性復(fù)合材料的LOI超過40%，達(dá)到40.1%，相較于未阻燃復(fù)合材料提高了18.6%。

表2 不同PA含量的UP/苧麻復(fù)合材料LOI %

圖6 為未阻燃和PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的UP/苧麻復(fù)合材料表面殘?zhí)啃蚊矆D。由圖6可知，未阻燃UP/苧麻復(fù)合材料燃燒后炭層較薄且較為松散，單根纖維結(jié)構(gòu)清晰可見，此炭層結(jié)構(gòu)不能有效阻止燃燒過程中熱量以及可燃性氣體的傳遞，復(fù)合材料的阻燃效果較差，阻燃UP/苧麻復(fù)合材料燃燒后纖維與纖維之間相互粘結(jié)，形成的炭層結(jié)構(gòu)致密且表面多處膨脹，有效降低了復(fù)合材料內(nèi)部的縫隙孔洞，減少了可燃性氣體的揮發(fā)同時(shí)隔絕外部氧氣，阻燃性能得到提高。

圖6 未阻燃及阻燃UP/苧麻復(fù)合材料殘?zhí)啃蚊?/p>

(2) PA阻燃機(jī)理探究。

圖7 為未阻燃和PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的苧麻織物XPS能譜圖。由圖7可以看出，在285 eV和535 eV附近出現(xiàn)的強(qiáng)峰分別為苧麻纖維中的C，O元素對(duì)應(yīng)的峰。未阻燃苧麻織物元素中出現(xiàn)了Si和N，這是因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑KH550附著在了織物表面。阻燃織物在134 eV附近出現(xiàn)了P2p峰，說明PA已經(jīng)接枝到了織物表面。

圖7 未阻燃及阻燃苧麻織物XPS能譜圖

PA阻燃苧麻織物的機(jī)理如圖8所示。首先PA中的—OH和硅烷偶聯(lián)劑KH550中的—NH2反應(yīng)生成胺鹽，然后硅烷偶聯(lián)劑KH550水解生成硅醇，硅醇中的硅羥基與苧麻纖維表面羥基脫水縮合生成—Si—O—C—鍵，有效降低了PA直接阻燃改性對(duì)苧麻纖維的損傷，同時(shí)PA和硅烷偶聯(lián)劑KH550中的硅磷氮元素發(fā)揮協(xié)同阻燃作用，使UP/苧麻復(fù)合材料的阻燃性能得到進(jìn)一步提升。

圖8 苧麻織物阻燃機(jī)理圖

(3) PA對(duì)UP/苧麻復(fù)合材料熱穩(wěn)定性影響。

圖9 為未阻燃和PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的UP/苧麻復(fù)合材料TG和DTG圖。由圖9可知，經(jīng)過PA阻燃改性苧麻織物后，復(fù)合材料的殘?zhí)柯视?8.45%提升到30.88%，熱分解峰值溫度從360℃降低到332℃。這是因?yàn)镻A熱分解溫度較低，約為120℃左右，能提前受熱分解產(chǎn)生磷酸，催化織物熱解形成炭層，延緩基體材料的進(jìn)一步熱分解，使得復(fù)合材料熱降解峰值溫度左移，但成炭量增多[17]。這些結(jié)果證明PA提升了復(fù)合材料的阻燃效果和成炭量，這與復(fù)合材料的LOI測(cè)試結(jié)果一致。

圖9 未阻燃及阻燃UP/苧麻復(fù)合材料TG和DTG圖

2.4 PA對(duì)UP/苧麻復(fù)合材料力學(xué)性能影響

不同PA含量的UP/苧麻復(fù)合材料的拉伸性能如圖10a所示。由圖10a可知，與未阻燃復(fù)合材料相比，PA阻燃復(fù)合材料的拉伸性能隨著PA含量的增加逐漸降低，拉伸強(qiáng)度分別下降13.00%，17.48%，21.76%，21.07%，當(dāng)PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，拉伸彈性模量下降21.26%。復(fù)合材料拉伸性能下降一方面是由于PA中含有磷酸基團(tuán)，磷酸在一定溫度條件下會(huì)對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞使織物強(qiáng)力下降，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料拉伸性能下降；另一方面是由于PA的添加會(huì)破壞纖維與樹脂之間硅烷偶聯(lián)劑KH550形成的化學(xué)鍵，使得復(fù)合材料界面結(jié)合性能下降，導(dǎo)致外部載荷不能有效傳遞到纖維上，纖維起不到增強(qiáng)作用[18–19]。

圖10 不同PA含量的UP/苧麻復(fù)合材料力學(xué)性能

不同PA含量的UP/苧麻復(fù)合材料的彎曲性能如圖10b所示。由圖10b可知，未阻燃復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量較高，這是因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑KH550能夠減少苧麻纖維表面羥基，增強(qiáng)纖維與樹脂的界面強(qiáng)度使得復(fù)合材料彎曲性能提升。阻燃后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度相比未阻燃復(fù)合材料分別下降了3.8%，5.61%，8.87%，12.83%，當(dāng)PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和5%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度分別為161.43 MPa和155.86 MPa，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，彎曲彈性模量下降最大為10.47%。這是由于PA是一種磷酸基團(tuán)含量較高的物質(zhì)，磷酸基團(tuán)會(huì)對(duì)纖維素結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定破壞，從而影響苧麻纖維與UP樹脂的界面結(jié)合效果，進(jìn)而使復(fù)合材料彎曲性能下降。

圖11 為未阻燃及阻燃UP/苧麻復(fù)合材料拉伸斷裂形貌圖。由圖11可以看出，未阻燃復(fù)合材料斷裂面比較整齊，纖維多為樹脂包裹，抽出或拔出現(xiàn)象較少；而經(jīng)過PA阻燃處理后，復(fù)合材料的斷面粗糙不平整，且存在許多纖維抽拔后留下的孔洞，樹脂基體的連續(xù)性遭到破壞，界面結(jié)合性能較差使得復(fù)合材料力學(xué)性能下降。

圖11 未阻燃和PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的UP/苧麻復(fù)合材料斷裂形貌

3 結(jié)論

(1) UP樹脂的最佳固化工藝為：由35℃升溫至60℃，保溫3 h，然后升至100℃，保溫1 h使樹脂完全固化。UP/苧麻復(fù)合材料的最佳制備工藝為壓力20 MPa、織物克重190 g/m2以及鋪層層數(shù)14層。

(2) PA阻燃改性使UP/苧麻復(fù)合材料的極限氧指數(shù)由未加阻燃劑的33.8%提升到PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的40.1%，成炭量得到提高。

(3) PA阻燃改性使UP/苧麻復(fù)合材料的力學(xué)性能降低，當(dāng)PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和5%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度分別為161.43，155.86 MPa，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)PA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最差，相比未阻燃復(fù)合材料其拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量分別下降了21.07%，21.26%；彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量分別下降了12.83%，10.47%。