GF增強(qiáng)PPS復(fù)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(jìn)高分子材料研究所有限公司，南京 210031； 2.南京特塑復(fù)合材料有限公司，南京 210031； 3.四川大學(xué)分析測(cè)試中心，成都 610041)

由于熱固性復(fù)合材料具有高強(qiáng)輕質(zhì)和可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域普遍得到應(yīng)用，但是熱固性復(fù)合材料自身的局限性限制了其進(jìn)一步的發(fā)展，比如韌性差等；該類型的復(fù)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(fèi)等[1]。相比熱固性復(fù)合材料，熱塑性復(fù)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(diǎn)，還能夠避免熱固性復(fù)合材料不可回收、需要低溫貯存以及加工周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，在市場(chǎng)上所占比例日益增長(zhǎng)[2]。除了上述特點(diǎn)外，熱塑性復(fù)合材料還具有反復(fù)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(fù)合材料具有反復(fù)使用的特點(diǎn)。王洪恩等[4]在研究碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚(PPS)感應(yīng)焊接工藝時(shí)，同樣利用了熱塑性復(fù)合材料可以反復(fù)熔融的特性。

熱塑性復(fù)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(shì)包含以下幾方面：優(yōu)異的耐熱性能、良好的力學(xué)性能、耐腐蝕、自阻燃性達(dá)UL94 V–0級(jí)[6]。由于PPS具有以上性能優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)，因此成為制造復(fù)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(qiáng)PPS (PPS/SGF)復(fù)合材料時(shí)，研究了兩種增容劑及其含量對(duì)復(fù)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(fù)合材料表面毛刺和光澤度的同時(shí)，改善了復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。張翀等[8]采用熔融共混的方式制備了PPS/SGF復(fù)合材料，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)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(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，當(dāng)SGF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，增強(qiáng)效果明顯。劉琳等[9]采用熔融浸漬工藝制備了長(zhǎng)玻纖(LGF)增強(qiáng)聚丙烯(PP/LGF)復(fù)合材料，考察了LGF含量、牽引速度及增容劑對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著LGF含量的增加而增加。由于PPS復(fù)合材料綜合性能優(yōu)異，在民航領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，包括機(jī)翼前緣、座椅、支架、架方向舵和內(nèi)飾等；而LGF增強(qiáng)PPS復(fù)合材料的力學(xué)性能和纖維的長(zhǎng)度密切相關(guān)[10]。因此，筆者將PPS/SGF復(fù)合材料和PPS/LGF復(fù)合材料的綜合性能進(jìn)行對(duì)比，其中PPS/LGF復(fù)合材料采用熔融浸漬工藝制備及PPS/SGF復(fù)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(shí)現(xiàn)纖維束的浸漬，并且對(duì)纖維不造成損傷。最后，通過兩者力學(xué)性能的數(shù)據(jù)對(duì)比，為我國(guó)民航等領(lǐng)域的科技人員在選擇材料時(shí)提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)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(xué)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機(jī)：KS20型，昆山科信橡塑機(jī)械有限公司；

熔融浸漬模具：自制，南京特塑復(fù)合材料有限公司；

烘箱：YW-225-H型，上海元沃儀器設(shè)備有限公司；

電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：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(jī)：PT-130型，中山力勁機(jī)械有限公司；

熱變形溫度試驗(yàn)機(jī)：HV-3000-P6C型，高鐵檢測(cè)儀器（東莞）有限公司。

1.3 熔融浸漬模具的設(shè)計(jì)

熔融浸漬的核心在于浸漬輥的設(shè)計(jì)，關(guān)于浸漬輥的形式，各國(guó)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(dú)特的浸漬輥，浸漬輥的表面分為鼓型和圓柱狀，及轉(zhuǎn)動(dòng)的和靜止的浸漬輥等[11–16]。采用靜止?fàn)顟B(tài)的表面鍍鉻圓柱狀輥?zhàn)鳛榻n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(chǔ)上，設(shè)計(jì)狹縫流道結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 狹縫流道

設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)模具內(nèi)樹脂動(dòng)態(tài)循環(huán)平衡，避免了樹脂長(zhǎng)期處于“死角”高溫碳化的問題。狹縫流道模具的特點(diǎn)是根據(jù)波峰波谷設(shè)計(jì)的方案在浸漬模具設(shè)計(jì)了不同的起伏結(jié)構(gòu)。該設(shè)備的特點(diǎn)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(shí)，使纖維得到很好的分散和浸漬。設(shè)備實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 熔融浸漬模具

1.4 玻璃纖維增強(qiáng)PPS的制備

(1) PPS/LGF復(fù)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(shè)備，在該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)纖維的展寬有助于對(duì)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(shè)備、牽引設(shè)備和切粒機(jī)；第二步：PPS在雙螺桿擠出機(jī)中熔融后輸送到狹縫流道模具，在模具內(nèi)實(shí)現(xiàn)樹脂基體對(duì)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(jī)拉出后，在切粒機(jī)的作用下被切割成一定長(zhǎng)度的顆粒。制備了LGF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%，20%和30%的PPS/LGF復(fù)合材料，長(zhǎng)度均為12 mm。

(2) PPS/SGF復(fù)合材料的制備。

采用雙螺桿擠出機(jī)制備PPS/SGF復(fù)合材料，通過SGF的喂料量制備SGF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%，20%和30%的PPS/SGF復(fù)合材料，長(zhǎng)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(cè)試要求將PPS/SGF和PPS/LGF顆粒注塑成測(cè)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(cè)試

拉伸性能按照GB/T 1040–2006測(cè)試，加載速度為2 mm/min；

彎曲性能按照GB/T 9341–2008測(cè)試，壓頭速度2 mm/min；

沖擊性能按照GB/T 1843–2008測(cè)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(jìn)行測(cè)試，使用1.80 MPa彎曲應(yīng)力法的A法；

SEM表征：將復(fù)合材料的破壞樣條斷面進(jìn)行噴金處理，在SEM下觀察，并拍照。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

樹脂基體中增加的增強(qiáng)纖維可形成支撐骨架，當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，增強(qiáng)纖維可以有效地承擔(dān)外界載荷的作用；同時(shí)可以通過斷裂、變形等方式吸收能量，提高樹脂的力學(xué)性能。圖3和圖4分別是不同玻纖含量的PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)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(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都逐步地增加。主要原因在于玻纖含量增加時(shí)，復(fù)合材料中有更多的玻纖承受外力的作用，同時(shí)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(qiáng)框架的搭建；因此，玻纖含量提升使得復(fù)合材料在受到外加載荷情況下，應(yīng)力更多的由樹脂傳遞至玻纖，有效地提高了復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能。

圖3 PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸性能

圖4 PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的彎曲性能

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

圖5為PPS/LGF和PPS/SGF復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度和無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度。

圖5 PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料沖擊性能

由圖5可見，在玻纖含量較低時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度降低，主要原因是較低的玻纖含量無(wú)法在復(fù)合材料中形成較好的應(yīng)力傳遞網(wǎng)絡(luò)，使得玻纖在復(fù)合材料受到?jīng)_擊載荷下以缺陷的形式存在，導(dǎo)致復(fù)合材料的整體沖擊強(qiáng)度降低。上述缺陷是指玻纖尖端或者裂紋尖端；熱塑性復(fù)合材料的失效的誘發(fā)點(diǎn)是玻纖尖端或者裂紋尖端，從此點(diǎn)開始蔓延至復(fù)合材料完全被破壞。玻纖質(zhì)含量較少時(shí)，復(fù)合材料中增加了玻纖尖端，此時(shí)由于玻纖尖端引起復(fù)合材料斷裂的作用要大于玻纖增強(qiáng)的作用，所以沖擊性能會(huì)有一定程度的下降。隨著玻纖含量的增加，復(fù)合材料中玻纖可以形成有效的空間網(wǎng)絡(luò)，且增強(qiáng)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(qiáng)纖維，進(jìn)而提升復(fù)合材料的整體性能，而在PPS/LGF體系中玻纖的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，空間網(wǎng)絡(luò)更為密實(shí)，增強(qiáng)玻纖承載能力更強(qiáng)，其沖擊強(qiáng)度也更佳。玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)PPS/LGF復(fù)合材料比PPS/SGF復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高19.4%，從31 kJ/m2提升至37 kJ/m2，缺口沖擊強(qiáng)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(fù)合材料熱性能分析

圖6為PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)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(fù)合材料的耐熱性能，其中玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，PPS/SGF復(fù)合材料和PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度分別達(dá)到250℃和275℃，PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度比PPS/SGF復(fù)合材料的高10%。主要原因是玻纖的引入使復(fù)合材料內(nèi)部形成增強(qiáng)纖維的網(wǎng)絡(luò)骨架，極大地提高復(fù)合材料的耐熱性能，PPS/LGF中玻纖尺寸更長(zhǎng)，耐熱性能提高優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖6 PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度

2.3 PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料斷面分析

圖7為PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料沖擊斷面的SEM照片。

圖7 PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)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(fù)合材料內(nèi)部增強(qiáng)纖維網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建更加完善；這也是復(fù)合材料整體力學(xué)性能隨著玻纖含量增加而提升的主要原因。對(duì)比PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料，PPS/LGF復(fù)合材料中的玻纖保留率更高，這也是PPS/LGF復(fù)合材料力學(xué)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?jǐn)?shù)分別為13%，20%和30%的PPS/LGF復(fù)合材料，通過狹縫流道結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了纖維的良好浸漬，同時(shí)采用該結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了模具樹脂的無(wú)“死角”化。

(2)對(duì)PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，在玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度分別為110 MPa和122 MPa；彎曲強(qiáng)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(qiáng)度和無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度分別為7.7，11.9 kJ/m2和31，37 kJ/m2。PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、缺口沖擊強(qiáng)度和無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度比PPS/SGF復(fù)合材料分別提升了11.0%，18.9%，11.3%，54.5%和19.4%。PPS/SGF復(fù)合材料的熱變形溫度達(dá)到250℃，PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度達(dá)到275℃，PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度高于PPS/SGF復(fù)合材料熱變形溫度10%。