玻纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯墊板材料的制備及性能研究

于海華 陶佳棟 羅忠昕 陳勇強(qiáng) 郭強(qiáng)

(勝利新大新材料股份有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

在工程建設(shè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事活動(dòng)等過程中，前期臨建道路鋪設(shè)或作業(yè)平臺(tái)建設(shè)是影響進(jìn)程的重要因素，復(fù)合材料墊板是一種用于快速搭建平臺(tái)或通道的板材，可快速鋪設(shè)道路和作業(yè)平臺(tái)，解決輜重裝備的通行和作業(yè)問題。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是指相對(duì)分子質(zhì)量大于150 萬(wàn)的線性結(jié)構(gòu)熱塑性工程塑料，最早于1958 年由德國(guó)的赫斯特公司開發(fā)研制成功和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。UHMWPE 材料具有質(zhì)量輕、彈性變形伸長(zhǎng)率高、抗沖擊性能和耐酸堿腐蝕優(yōu)異等特點(diǎn)[1]，是制備高性能復(fù)合材料墊板的優(yōu)質(zhì)基體材料。目前國(guó)內(nèi)聚乙烯復(fù)合材料墊板采用純UHMWPE 或HPDE 材料生產(chǎn)制造，強(qiáng)度低，耐磨性能較差，加工成型困難等缺點(diǎn)，需對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)改性處理。采用玻璃纖維與熱塑性樹脂進(jìn)行共混是一種常用的改性手段，采用纖維增強(qiáng)可以有效提高材料的力學(xué)性能，適用于較為苛刻的使用環(huán)境、承載力要求較高的場(chǎng)合，為當(dāng)前新材料研究的重點(diǎn)和發(fā)展的方向。玻璃纖維作為常用的增強(qiáng)材料，分為無(wú)堿、中堿以及高堿玻璃纖維，具有抗拉性能較好，彈性模量大、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，作為增強(qiáng)材料使用后可提高制品的剛性，具有良好的抗變形能力，耐磨性好，且價(jià)格便宜[2]。

本文采用玻璃纖維對(duì)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)進(jìn)行改性，制備了玻璃纖維增強(qiáng)超高分子量聚乙烯墊板用復(fù)合材料，研究玻纖含量對(duì)UHMWPE 改性復(fù)合材料的拉伸、彎曲及沖擊等力學(xué)性能以及摩擦磨損性能的影響規(guī)律，分析了玻纖含量對(duì)改性UHMWPE 復(fù)合材料的改善作用。為玻纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合材料墊板的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

表1 主要原材料

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

表2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

1.3 試樣制備

本研究采用UHMWPE 與不同比例玻璃纖維進(jìn)行混配試驗(yàn)，玻纖含量分別為0%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%。通過實(shí)驗(yàn)確定出最佳的UHMWPE、玻璃纖維混配比例。配置過氧化氫、蒸餾水、氨水混合液，滴加乙酸，將PH 值調(diào)至4-5，按玻纖量的3%添加KH550 硅烷偶聯(lián)劑，混合均勻，將玻璃纖維放入其中浸泡，反應(yīng)4 小時(shí)，完成后在80℃下進(jìn)行烘干。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定的不同比例將玻纖與UHMWPE混合，在自動(dòng)攪拌機(jī)內(nèi)攪拌15min，物料混合均勻后放入干燥箱烘干[3]。將物料放入模具腔內(nèi)鋪滿，清理周圍余料，將模具置于平板硫化機(jī)內(nèi)，先在10MPa 壓力下預(yù)壓，溫度達(dá)到設(shè)定值180℃后，加壓至15MPa，熱壓20min，再冷卻至常溫制成所需樣板。利用萬(wàn)能制樣機(jī)，對(duì)制得的8 組不同玻纖含量的UHMWPE 改性樣板，按照摩擦磨損性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及簡(jiǎn)支梁缺口沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行摩擦磨損性能和力學(xué)性能試驗(yàn)。

2 玻纖增強(qiáng)UHMWPE 復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試

2.1 拉伸性能測(cè)試

利用CMT5305 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)GB/T 1447-2005 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)不同玻纖含量的UHMWPE 復(fù)合材料進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)速度為50mm/min。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式1、公式2 計(jì)算得到拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率如表3 所示。

表3 不同玻纖含量UHMWPE 復(fù)合材料的拉伸性能

式中：σt- 試樣拉伸強(qiáng)度，單位MPa；

F- 試樣最大拉伸載荷，單位N；

b- 試樣寬度，單位mm；

d- 試樣厚度，單位mm。

式中：εt- 試樣斷裂伸長(zhǎng)率，單位%；

ΔLb- 試樣斷裂時(shí)標(biāo)距L0內(nèi)的伸長(zhǎng)量，單位mm；

L0- 測(cè)量的標(biāo)距，單位mm。

圖1 為玻纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯材料的拉伸強(qiáng)度與玻纖含量的關(guān)系圖，從圖中可以看出，隨著玻纖含量的增加，試樣的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化。玻纖含量約30%時(shí)，拉伸強(qiáng)度最大，達(dá)到69.4MPa，而后隨玻纖含量增加又呈下降趨勢(shì)。

圖1 玻纖含量與試樣拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 為玻纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯材料的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率與玻纖含量的關(guān)系圖，從圖中可以看出，純UHMWPE 試樣的斷裂伸長(zhǎng)率為501.5%，在添加玻璃纖維后，試樣的斷裂伸長(zhǎng)率驟降至5%左右。

圖2 玻纖含量與試樣斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系

2.2 彎曲性能測(cè)試

按GB/T 1449-2005 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)不同玻纖含量的UHMWPE 復(fù)合材料進(jìn)行彎曲強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)速度為50mm/min。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式3 計(jì)算得到彎曲強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 不同玻纖含量UHMWPE 復(fù)合材料的彎曲性能

式中：σb- 試樣彎曲強(qiáng)度，單位MPa；

P- 試樣最大彎曲載荷，單位N；

l- 支撐間距，單位mm；

b- 試樣寬度，單位mm；

h- 試樣厚度，單位mm。

圖3 為玻纖含量與試樣彎曲強(qiáng)度的關(guān)系圖，隨玻纖含量增加，彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度一樣，呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的曲線圖。玻纖含量約30%時(shí)，彎曲強(qiáng)度最大，達(dá)到120.6MPa，而后隨玻纖含量增加又呈緩慢下降趨勢(shì)。

圖3 玻纖含量與試樣彎曲強(qiáng)度的關(guān)系

2.3 沖擊性能測(cè)試

利用SLC-200 型沖擊試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)GB/T 1451-2005 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)不同玻纖含量的UHMWPE 復(fù)合材料進(jìn)行沖擊強(qiáng)度測(cè)試，試樣采用單缺口的簡(jiǎn)支梁側(cè)向沖擊類型。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(4)計(jì)算得到?jīng)_擊強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表5 所示。

表5 不同玻纖含量UHMWPE 復(fù)合材料的沖擊性能

式中：αk- 試樣沖擊強(qiáng)度，單位KJ/m2；

A- 試樣破壞時(shí)吸收的能量，單位J；

h- 試樣厚度，單位mm；

b- 試樣剩余寬度，單位mm。

圖4 為玻纖含量與試樣沖擊強(qiáng)度的曲線圖，隨玻纖含量增加，試樣沖擊強(qiáng)度先增長(zhǎng)后下降。玻纖含量約30%時(shí)，沖擊強(qiáng)度最大，達(dá)到66.1KJ/m2。材料的沖擊性能曲線與拉伸、彎曲一致。

圖4 玻纖含量與試樣沖擊強(qiáng)度的關(guān)系

2.4 結(jié)果分析

由圖1、圖3 和圖4 可知，UHMWPE 加入玻纖共混改性后，材料的拉伸、彎曲和沖擊性能均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，極值點(diǎn)在玻纖含量30%左右。改性后材料力學(xué)性能的提升是由于玻璃纖維在復(fù)合材料中主要起骨架作用，吸收大部分外力作用產(chǎn)生的能量，整體力學(xué)性能增強(qiáng)。當(dāng)玻纖含量較低時(shí)，玻纖與UHMWPE 樹脂間浸潤(rùn)充分，隨著纖維含量的增加，材料性力學(xué)性能提升。而當(dāng)玻纖含量超過30%甚至更高時(shí)，纖維在UHMWPE 基體樹脂中可能會(huì)出現(xiàn)纖維間堆積，玻纖間UHMWPE 樹脂少，容易產(chǎn)生氣泡或空洞等局部缺陷，玻纖與樹脂之間界面相容性差的缺點(diǎn)暴露出來(lái)，材料的各項(xiàng)力學(xué)性能開始下降[4]。由圖2 可知，UHMWPE 中加入玻纖共混改性后，材料的斷裂伸長(zhǎng)率下降至5%左右，這是由于玻纖的斷裂伸長(zhǎng)率低，且受拉時(shí)纖維先受力，材料的斷裂伸長(zhǎng)率約等于玻纖的斷裂伸長(zhǎng)率。

3 玻纖增強(qiáng)UHWMPE 復(fù)合材料的摩擦磨損性能測(cè)試

利用MMW-1 型萬(wàn)能磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同玻纖含量的UHMWPE 復(fù)合材料進(jìn)行摩擦磨損性能測(cè)試。試驗(yàn)前需用無(wú)水乙醇清洗試樣和對(duì)磨鋼環(huán)，烘干，此外還需用800 目的砂紙對(duì)鋼環(huán)摩擦表面進(jìn)行拋光。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，轉(zhuǎn)軸速度為200r/min，摩擦載荷為200N，試驗(yàn)時(shí)間為30min。用精密天平稱取試樣試驗(yàn)前后的質(zhì)量，由此得到試樣的磨損量[5]，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表6 所示。

表6 不同玻纖含量UHMWPE 復(fù)合材料的摩擦磨損性能

圖5 玻纖含量與試樣摩擦磨損性能的曲線圖。從圖中可以看出，加入玻纖后，材料摩擦量先明顯下降，材料的耐磨性提升，玻纖含量約30%左右時(shí)，磨損量最低。當(dāng)玻纖含量超過30%后，磨損量又呈上升趨勢(shì)。

圖5 玻纖含量與試樣磨損性能的關(guān)系

與純UHMWPE 相比，玻璃纖維的加入大大提高了UHMWPE 復(fù)合材料的硬度，能有效地阻止磨損的發(fā)展，從而降低了材料的磨損量；但如果玻纖含量過高時(shí)，材料內(nèi)部亦可能出現(xiàn)不均勻或缺陷，玻纖與基體之間的結(jié)合力較弱，容易從基體中剝落，這就反而導(dǎo)致了材料磨損量的增加。

4 結(jié)論

本文采用玻璃纖維對(duì)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)進(jìn)行改性，研究玻纖含量對(duì)UHMWPE 改性復(fù)合材料的拉伸、彎曲及沖擊等力學(xué)性能以及摩擦磨損性能的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

4.1 隨著纖維含量的增加，玻纖增強(qiáng)超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的拉伸、彎曲和沖擊性能均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。玻纖含量為30%左右時(shí)，對(duì)UHMWPE 復(fù)合材料的增強(qiáng)效果最好，拉伸強(qiáng)度達(dá)到69.4MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)到120.6MPa，沖擊強(qiáng)度達(dá)到66.1kJ/m2。

4.2 UHMWPE 與玻纖共混改性后，拉伸斷裂伸長(zhǎng)率由純UHMWPE 試樣的501.5%降至5%左右，材料的韌性大幅下降。

4.3 加入玻纖改性后的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料，耐磨性能提高，30%玻纖含量時(shí)耐磨性最好。

4.4 30%左右玻纖增強(qiáng)的超高分子量聚乙烯具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和耐磨損性能，可滿足制備高性能復(fù)合材料墊板的需求。