GF增強PPS復合材料的制備及性能

陳同海，張守玉，水鋒，王孝軍，3，楊杰，3

(1.江蘇集萃先進高分子材料研究所有限公司，南京 210031； 2.南京特塑復合材料有限公司，南京 210031； 3.四川大學分析測試中心，成都 610041)

由于熱固性復合材料具有高強輕質(zhì)和可設計性等優(yōu)點，在工程領域普遍得到應用，但是熱固性復合材料自身的局限性限制了其進一步的發(fā)展，比如韌性差等；該類型的復合材料在制備的過程中揮發(fā)出的有害氣體，既污染了周圍的環(huán)境又損害了工人的身體；回收困難，造成了大量的材料浪費等[1]。相比熱固性復合材料，熱塑性復合材料不僅具有高耐沖擊性、高韌性、高損傷容限以及良好的耐熱性能和電性能等優(yōu)點，還能夠避免熱固性復合材料不可回收、需要低溫貯存以及加工周期長的缺點，在市場上所占比例日益增長[2]。除了上述特點外，熱塑性復合材料還具有反復使用的特性；如 David等[3]通過系列的研究分析發(fā)現(xiàn)，熱塑性復合材料具有反復使用的特點。王洪恩等[4]在研究碳纖維增強聚苯硫醚(PPS)感應焊接工藝時，同樣利用了熱塑性復合材料可以反復熔融的特性。

熱塑性復合材料的樹脂基體涉及通用和特種工程塑料，而PPS是特種工程塑料較為典型的代表，俗稱“塑料黃金”[5]。性能優(yōu)勢包含以下幾方面：優(yōu)異的耐熱性能、良好的力學性能、耐腐蝕、自阻燃性達UL94 V–0級[6]。由于PPS具有以上性能優(yōu)勢，且相較于其它高性能熱塑性工程塑料又具有易加工、成本低的特點，因此成為制造復合材料的優(yōu)良樹脂基體。劉洪等[7]在研究短切玻纖(SGF)增強PPS (PPS/SGF)復合材料時，研究了兩種增容劑及其含量對復合材料綜合性能的影響。研究結(jié)果表明，通過兩種增容劑的協(xié)同作用，在解決了復合材料表面毛刺和光澤度的同時，改善了復合材料的強度和韌性。張翀等[8]采用熔融共混的方式制備了PPS/SGF復合材料，并對其力學性能進行了研究分析，研究結(jié)果表明：SGF的加入可以顯著提高PPS的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度，當SGF質(zhì)量分數(shù)為40%時，增強效果明顯。劉琳等[9]采用熔融浸漬工藝制備了長玻纖(LGF)增強聚丙烯(PP/LGF)復合材料，考察了LGF含量、牽引速度及增容劑對復合材料力學性能的影響。研究結(jié)果表明，復合材料的力學性能隨著LGF含量的增加而增加。由于PPS復合材料綜合性能優(yōu)異，在民航領域已被廣泛應用，包括機翼前緣、座椅、支架、架方向舵和內(nèi)飾等；而LGF增強PPS復合材料的力學性能和纖維的長度密切相關[10]。因此，筆者將PPS/SGF復合材料和PPS/LGF復合材料的綜合性能進行對比，其中PPS/LGF復合材料采用熔融浸漬工藝制備及PPS/SGF復合材料采用熔融共混雙螺桿造粒工藝制備，采用熔融浸漬工藝的原因在于浸漬模具內(nèi)實現(xiàn)纖維束的浸漬，并且對纖維不造成損傷。最后，通過兩者力學性能的數(shù)據(jù)對比，為我國民航等領域的科技人員在選擇材料時提供技術(shù)支撐。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

LGF紗：ERS240-T984T，泰山玻璃纖維有限公司；

SGF紗：ECS10-3.0-T443R，泰山玻璃纖維有限公司；

改性PPS：四川大學。

1.2 主要設備及儀器

雙螺桿擠出機：KS20型，昆山科信橡塑機械有限公司；

熔融浸漬模具：自制，南京特塑復合材料有限公司；

烘箱：YW-225-H型，上海元沃儀器設備有限公司；

電子萬能材料試驗機：AGS-J型，日本島津公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：S-4700型，日本日立公司；

注塑機：PT-130型，中山力勁機械有限公司；

熱變形溫度試驗機：HV-3000-P6C型，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司。

1.3 熔融浸漬模具的設計

熔融浸漬的核心在于浸漬輥的設計，關于浸漬輥的形式，各國研究者做了大量的工作，以熔融浸漬理論為核心，研究影響纖維浸漬效果的因素，從而開發(fā)出一系列獨特的浸漬輥，浸漬輥的表面分為鼓型和圓柱狀，及轉(zhuǎn)動的和靜止的浸漬輥等[11–16]。采用靜止狀態(tài)的表面鍍鉻圓柱狀輥作為浸漬輥，雖然該結(jié)構(gòu)形式能大大減小纖維紗線和浸漬輥之間的摩擦力，但浸漬模具腔體空間存在樹脂“死角”的問題。在此基礎上，設計狹縫流道結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 狹縫流道

設計的狹縫流道腔體可使熔融的樹脂基體快速充滿浸漬模具腔體，并能實現(xiàn)模具內(nèi)樹脂動態(tài)循環(huán)平衡，避免了樹脂長期處于“死角”高溫碳化的問題。狹縫流道模具的特點是根據(jù)波峰波谷設計的方案在浸漬模具設計了不同的起伏結(jié)構(gòu)。該設備的特點是纖維在狹縫流道穿梭的過程中，通過一系列波峰波谷系統(tǒng)時，使纖維得到很好的分散和浸漬。設備實物圖如圖2所示。

圖2 熔融浸漬模具

1.4 玻璃纖維增強PPS的制備

(1) PPS/LGF復合材料的制備。

第一步：LGF紗引出紗架后，經(jīng)過玻璃纖維展寬設備，在該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)纖維的展寬有助于對玻璃纖維的浸漬；而后，玻璃纖維依次經(jīng)過狹縫流道模具、冷卻設備、牽引設備和切粒機；第二步：PPS在雙螺桿擠出機中熔融后輸送到狹縫流道模具，在模具內(nèi)實現(xiàn)樹脂基體對玻璃纖維的浸漬；一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)、六區(qū)加熱溫度分別為250，270，290，305，310℃和320℃、浸漬模具加熱溫度320℃。第三步：浸漬的LGF紗被牽引機拉出后，在切粒機的作用下被切割成一定長度的顆粒。制備了LGF質(zhì)量分數(shù)為13%，20%和30%的PPS/LGF復合材料，長度均為12 mm。

(2) PPS/SGF復合材料的制備。

采用雙螺桿擠出機制備PPS/SGF復合材料，通過SGF的喂料量制備SGF質(zhì)量分數(shù)為13%，20%和30%的PPS/SGF復合材料，長度均為3 mm。成型溫度如下：一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)、五區(qū)、六區(qū)加熱溫度分別為250，270，290，305，310℃和310℃、口模加熱溫度305℃。

(3)注塑樣條制備。

按照測試要求將PPS/SGF和PPS/LGF顆粒注塑成測試樣條，注塑工藝如下：一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)的加熱溫度分別為250，300，320℃、噴嘴加熱溫度為320℃。

1.5 性能測試

拉伸性能按照GB/T 1040–2006測試，加載速度為2 mm/min；

彎曲性能按照GB/T 9341–2008測試，壓頭速度2 mm/min；

沖擊性能按照GB/T 1843–2008測試，沖擊能量11 J；

熱變形溫度按照GB/T 1634.2-2019分別將PPS/SGF和PPS/LGF顆粒注塑樣條進行測試，使用1.80 MPa彎曲應力法的A法；

SEM表征：將復合材料的破壞樣條斷面進行噴金處理，在SEM下觀察，并拍照。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學性能分析

樹脂基體中增加的增強纖維可形成支撐骨架，當復合材料受到外力作用時，增強纖維可以有效地承擔外界載荷的作用；同時可以通過斷裂、變形等方式吸收能量，提高樹脂的力學性能。圖3和圖4分別是不同玻纖含量的PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的拉伸性能和彎曲性能。從圖3，圖4可以看到，提高玻纖的加入量，復合材料的拉伸強度和彎曲強度都逐步地增加。主要原因在于玻纖含量增加時，復合材料中有更多的玻纖承受外力的作用，同時由于玻纖數(shù)量的增加，使得玻纖之間的樹脂基體變薄，更有利于玻纖增強框架的搭建；因此，玻纖含量提升使得復合材料在受到外加載荷情況下，應力更多的由樹脂傳遞至玻纖，有效地提高了復合材料的拉伸和彎曲性能。

圖3 PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的拉伸性能

圖4 PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的彎曲性能

PPS/LGF復合材料的拉伸和彎曲性能比PPS/SGF復合材料均更高，在玻纖質(zhì)量分數(shù)為30%時，PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的拉伸強度分別為110 MPa和122 MPa；彎曲強度分別為175 MPa和208 MPa；彎曲彈性模量分別為8 GPa和9 GPa。PPS/LGF復合材料的拉伸強度、彎曲強度和彎曲彈性模量比PPS/SGF復合材料分別提高了11.0%，18.9%和11.3%。PPS/LGF復合材料中玻纖的長度保留率更高，在同樣玻纖含量條件下，復合材料的抗載荷能力更強，力學性能更佳。

圖5為PPS/LGF和PPS/SGF復合材料的缺口沖擊強度和無缺口沖擊強度。

圖5 PPS/SGF和PPS/LGF復合材料沖擊性能

由圖5可見，在玻纖含量較低時，復合材料的沖擊強度降低，主要原因是較低的玻纖含量無法在復合材料中形成較好的應力傳遞網(wǎng)絡，使得玻纖在復合材料受到?jīng)_擊載荷下以缺陷的形式存在，導致復合材料的整體沖擊強度降低。上述缺陷是指玻纖尖端或者裂紋尖端；熱塑性復合材料的失效的誘發(fā)點是玻纖尖端或者裂紋尖端，從此點開始蔓延至復合材料完全被破壞。玻纖質(zhì)含量較少時，復合材料中增加了玻纖尖端，此時由于玻纖尖端引起復合材料斷裂的作用要大于玻纖增強的作用，所以沖擊性能會有一定程度的下降。隨著玻纖含量的增加，復合材料中玻纖可以形成有效的空間網(wǎng)絡，且增強作用大于玻纖尖端的作用，在受到外加載荷作用下更好地將外加載荷傳遞給增強纖維，進而提升復合材料的整體性能，而在PPS/LGF體系中玻纖的長度更長，空間網(wǎng)絡更為密實，增強玻纖承載能力更強，其沖擊強度也更佳。玻纖質(zhì)量分數(shù)為30%時PPS/LGF復合材料比PPS/SGF復合材料的沖擊強度提高19.4%，從31 kJ/m2提升至37 kJ/m2，缺口沖擊強度提高54.5%(從7.7 kJ/m2提高至11.9 kJ/m2)。

2.2 PPS/SGF和PPS/LGF復合材料熱性能分析

圖6為PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的熱變形溫度。結(jié)果顯示，玻纖的引入大幅度地提高復合材料的耐熱性能，其中玻纖質(zhì)量分數(shù)為30%時，PPS/SGF復合材料和PPS/LGF復合材料的熱變形溫度分別達到250℃和275℃，PPS/LGF復合材料的熱變形溫度比PPS/SGF復合材料的高10%。主要原因是玻纖的引入使復合材料內(nèi)部形成增強纖維的網(wǎng)絡骨架，極大地提高復合材料的耐熱性能，PPS/LGF中玻纖尺寸更長，耐熱性能提高優(yōu)勢更加明顯。

圖6 PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的熱變形溫度

2.3 PPS/SGF和PPS/LGF復合材料斷面分析

圖7為PPS/SGF和PPS/LGF復合材料沖擊斷面的SEM照片。

圖7 PPS/SGF和PPS/LGF復合材料斷面

由圖7可見，玻纖在樹脂中較好的分散，隨著玻纖含量的增加，復合材料內(nèi)部增強纖維網(wǎng)絡的構(gòu)建更加完善；這也是復合材料整體力學性能隨著玻纖含量增加而提升的主要原因。對比PPS/SGF和PPS/LGF復合材料，PPS/LGF復合材料中的玻纖保留率更高，這也是PPS/LGF復合材料力學性能更為優(yōu)異的主要原因。

3 結(jié)論

(1)采用狹縫流道結(jié)構(gòu)模具制備了玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)分別為13%，20%和30%的PPS/LGF復合材料，通過狹縫流道結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)了纖維的良好浸漬，同時采用該結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)了模具樹脂的無“死角”化。

(2)對PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的力學性能和耐熱性能進行了對比分析。結(jié)果表明，在玻纖質(zhì)量分數(shù)為30%時，PPS/SGF和PPS/LGF復合材料的拉伸強度分別為110 MPa和122 MPa；彎曲強度分別為175 MPa和208 MPa；彎曲彈性模量分別為8 GPa和9 GPa；缺口沖擊強度和無缺口沖擊強度分別為7.7，11.9 kJ/m2和31，37 kJ/m2。PPS/LGF復合材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲彈性模量、缺口沖擊強度和無缺口沖擊強度比PPS/SGF復合材料分別提升了11.0%，18.9%，11.3%，54.5%和19.4%。PPS/SGF復合材料的熱變形溫度達到250℃，PPS/LGF復合材料的熱變形溫度達到275℃，PPS/LGF復合材料的熱變形溫度高于PPS/SGF復合材料熱變形溫度10%。