靜電紡聚氨酯納米纖維膜對(duì)復(fù)合材料I型層間斷裂韌性的影響

付亞菲，吳海亮，楊 忠，吳曉青

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司，天津 300387)

0 引言

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料因具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐疲勞性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和可設(shè)計(jì)性等，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、建筑、體育、醫(yī)療等領(lǐng)域。但在制造和使用過(guò)程中厚度方向抵抗載荷能力弱，層間出現(xiàn)不可見(jiàn)的分層會(huì)造成嚴(yán)重危害，因此如何提高復(fù)合材料的抗分層性能，成為亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。目前用于層間增韌的方法主要有樹(shù)脂基體增韌、層間增韌(顆粒、纖維或薄膜)以及Z向增韌[1-6]，但直接對(duì)樹(shù)脂基體進(jìn)行增韌會(huì)使樹(shù)脂流動(dòng)性差，不易浸透鋪層的織物，Z向增韌中三維編織生產(chǎn)周期長(zhǎng)成本高，縫合和針刺成型會(huì)損傷纖維導(dǎo)致力學(xué)性能下降，而在層間加入有孔隙的納米纖維薄膜增韌受到了越來(lái)越多科研人員的關(guān)注。Beylergil和Mohammadi等研究使用聚酰胺66(PA66)增韌碳纖維復(fù)合材料，結(jié)果表明由于PA66纖維的橋接作用，PA66納米纖維薄膜的加入使斷裂韌性得到顯著提高[7-8]。Beckermann用靜電紡制備的聚酰胺66(PA66)，聚乙烯醇縮丁醛(PVB)，聚己內(nèi)酯(PCL)，聚醚砜(PES)和聚酰胺酰亞胺(PAI)納米纖維膜增韌碳纖維復(fù)合材料，結(jié)果表明4.5 g/m2的PA66薄膜增韌的綜合性能最好，I型斷裂韌性由參照樣的234 J/m2達(dá)到600 J/m2提高了156%[9]。Zhang等采用聚己內(nèi)酯(PCL)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯腈(PAN)納米纖維插層增韌多軸碳纖維復(fù)合材料，表明只有PCL納米纖維與環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生聚合誘導(dǎo)相分離提高了復(fù)合材料的I型層間斷裂韌性，GIC-ini和GIC-prop最高達(dá)到429 J/m2和749 J/m2[10]。Nasser等將芳綸納米纖維(ANF)用于增韌平紋碳纖維織物，結(jié)果表明使用8層ANF使復(fù)合材料的GIC-ini達(dá)到692 J/m2，相對(duì)未增韌試樣得到了81.6%的改善[11]。

目前用于層間增韌的聚酰胺(PA)，聚己內(nèi)酯(PCL)，芳綸(ANF)等納米纖維膜都對(duì)復(fù)合材料的層間韌性起到了積極作用。在聚合物材料中，聚氨酯(TPU)具有較高的強(qiáng)度以及優(yōu)良的韌性和彈性，在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但很少用于復(fù)合材料的相關(guān)研究。因此，本文采用靜電紡絲法制備TPU納米纖維膜作為層間增韌材料，研究TPU膜厚度對(duì)復(fù)合材料I型層間斷裂韌性的影響以及對(duì)不同織物復(fù)合材料I型層間斷裂韌性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 靜電紡聚氨酯納米纖維膜的制備

靜電紡絲工藝如圖1所示。用分析天平稱取適量的聚氨酯(TPU)顆粒，在105℃下烘燥12小時(shí)，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和四氫呋喃(THF)體積比為3:1，配置濃度為12%的紡絲液。在電壓作用下納米纖維沉積成膜，通過(guò)控制時(shí)間制得不同厚度的納米纖維膜，烘燥去除溶劑后備用。

圖1 靜電紡絲工藝示意圖

1.2 復(fù)合材料層合板的制備

本實(shí)驗(yàn)采用真空輔助樹(shù)脂成型工藝(VARI)制備復(fù)合材料。在室溫下用電子天平以100∶32的比例量取環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑，進(jìn)行混合并充分?jǐn)嚢杈鶆颍摎?5分鐘后備用。圖2為復(fù)合材料鋪層示意圖(本實(shí)驗(yàn)所用的增強(qiáng)體織物包括單向玻璃纖維織物、多軸向玻璃纖維織物、單向碳纖維織物和緞紋碳纖維織物)，鋪層時(shí)在未增韌試樣中間層一端放置隔離膜形成預(yù)制裂紋，增韌試樣中間層同時(shí)放置靜電紡薄膜與隔離膜，分別起增韌和形成預(yù)制裂紋的作用。將未增韌和增韌的預(yù)制體放置在同一個(gè)真空袋下進(jìn)行復(fù)合材料層合板的制備。

圖2 復(fù)合材料鋪層示意圖

2 復(fù)合材料層間斷裂韌性測(cè)試方法及表征

2.1 I型層間斷裂韌性測(cè)試(DCB)

根據(jù)ASTM D5528標(biāo)準(zhǔn)的雙懸臂梁(DCB)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行試樣制備和測(cè)試，每種樣品測(cè)試五個(gè)試樣，試樣長(zhǎng)為200mm，寬為25mm，預(yù)制裂紋長(zhǎng)度約63mm，對(duì)應(yīng)的初始分層a0為50mm，試樣尺寸如圖3所示。測(cè)試前在試樣側(cè)面涂白色修正液，預(yù)制裂紋尖端前5mm以1 mm的間距作標(biāo)記，之后以5mm的間距作標(biāo)記，用以跟蹤記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展。在預(yù)制裂紋的一端上下兩面粘結(jié)鉸鏈，以便于在測(cè)試時(shí)施加垂直于裂紋表面的拉伸載荷。

圖3 DCB試樣和測(cè)試圖

在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以1mm/min的速度進(jìn)行DCB測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中記錄載荷-位移曲線并觀測(cè)裂紋分層長(zhǎng)度，根據(jù)a(試樣裂紋長(zhǎng)度)與C1/3之間關(guān)系的散點(diǎn)圖擬合得到直線與X軸的截距｜Δ｜，采用修正梁理論法(MBT)計(jì)算能量釋放率，計(jì)算公式如下:

式中:GIC為I型能量釋放率，kJ/m2；P為載荷，N；δ為加載點(diǎn)位移，mm；b為試樣寬度，mm；a為裂紋長(zhǎng)度，mm；Δ為實(shí)測(cè)裂紋的修正系數(shù)。

2.2 掃描電子顯微鏡觀測(cè)斷面形貌(SEM)

在斷裂試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)域切割獲得斷面試樣，用導(dǎo)電膠帶粘貼在樣品臺(tái)上，進(jìn)行噴金處理后使用掃描電子顯微鏡觀測(cè)復(fù)合材料的斷面形貌用以分析斷裂機(jī)理。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜電紡聚氨酯納米纖維膜的性能

圖4為掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到的靜電紡TPU納米纖維形貌，TPU納米纖維表面光滑、直徑均勻呈不規(guī)則排列且分布均勻；使用掃描電子顯微鏡和圖像分析軟件(imageproplus)測(cè)量100根纖維來(lái)確定纖維直徑分布，平均直徑為908nm(如圖5)；使用厚度儀測(cè)量四種納米纖維膜厚度分別為24.30μm、52.30μm、82.90μm、112.50μm；使用電子單纖維強(qiáng)力儀上對(duì)TPU納米纖維膜進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，測(cè)得平均斷裂強(qiáng)度為3.06 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為418.94%。

圖4 靜電紡TPU納米纖維膜的SEM圖像

3.2 聚氨酯納米纖維膜厚度對(duì)復(fù)合材料層間斷裂韌性的影響

圖5為未增韌和24.30 μm、52.30 μm、82.90 μm、112.50 μm厚的TPU薄膜層間增韌單向玻璃纖維復(fù)合材料DCB測(cè)試的載荷-位移曲線和R-曲線。從圖5(a)中可以看出，試樣在拉伸初始階段呈線性增長(zhǎng)且在位移為12 mm之前基本重合，隨加入TPU膜厚度的增加載荷-位移曲線依次在14.4 mm、18.25 mm、20.60 mm和21.66 mm處變?yōu)榉蔷€性，最大值載荷由TPU膜厚為24.30 μm時(shí)的60.65 N增加到112.5 μm時(shí)的97.72 N，表明復(fù)合材料隨所加入的TPU膜厚度增加需要更大的拉伸載荷來(lái)抵抗裂紋擴(kuò)展。在非線性階段裂紋不斷在層間擴(kuò)展，曲線上升到最大拉伸載荷后呈“鋸齒形”變化，且隨加入薄膜厚度的增加“鋸齒”波動(dòng)越大，拉伸至試樣失效處的拉伸位移和拉伸載荷越大。從圖5(b)可以看出能量釋放率隨層間加入的TPU膜厚度的增加而增加，未增韌試樣和使用24.30 μm、52.30 μm厚的TPU膜增韌試樣在裂紋裂紋擴(kuò)展至60 mm后GIC趨于平緩直至試樣完全失效，82.90 μm和112.50 μm厚的TPU膜增韌試樣在裂紋擴(kuò)展至55 mm后GIC有明顯的波動(dòng)，表明層間加入的TPU膜越厚會(huì)使裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定，這與載荷-位移曲線中呈現(xiàn)的趨勢(shì)一致。

圖5 TPU納米纖維膜增韌復(fù)合材料DCB測(cè)試的(a)載荷-位移曲線(b)R曲線

表1為DCB測(cè)試的結(jié)果。從表1中可以清楚地看到，初始能量釋放率GIC-ini在未增韌時(shí)為0.286 kJ/m2，TPU納米纖維膜進(jìn)行層間增韌后有明顯的提高，最高為加入112.50 μm后達(dá)到1.622 kJ/m2，相對(duì)未增韌試樣提高了467.13%；擴(kuò)展階段的平均能量釋放率GIC-prop在未增韌時(shí)為0.707 kJ/m2，使用TPU膜增韌后層間斷裂韌性隨膜厚度的增加而不斷增加，達(dá)到1.290 kJ/m2，1.573 kJ/m2，2.178 kJ/m2和2.587 kJ/m2，分別提高了82.46%，122.49%，208.06%，265.91%。

表1 TPU納米纖維膜增韌復(fù)合材料DCB測(cè)試的最大載荷值、GIC-ini和GIC-prop

圖6為TPU膜增韌單向玻璃纖維復(fù)合材料的斷面掃描電鏡圖。從圖6可以看到，隨著加入薄膜厚度的增加斷裂面上覆蓋的纖維膜越多且斷面更加粗糙，膜的邊緣有明顯的卷翹表明TPU膜在載荷作用下被拉斷，斷面還有少量被拉斷的玻璃纖維，表明層間加入的TPU納米纖維可以有效橋接裂紋尖端，當(dāng)裂紋在載荷作用下擴(kuò)展時(shí)橋接的纖維被拉斷，TPU納米纖維膜具有較好的彈性因此發(fā)生塑性變形而斷裂失效；由圖6(b-e)可以看到TPU納米纖維膜的存在使復(fù)合材料斷面粗糙，且由不同高度的斷口組成，表明裂紋在傳遞時(shí)并不是沿著一個(gè)平面擴(kuò)展而是不斷沿著納米纖維方向改變裂紋傳遞方向，即便是小幅度的改變也會(huì)發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)增加斷裂路徑，延長(zhǎng)斷裂時(shí)間消耗更多的能量。I型層間斷裂韌性隨著膜厚度的增加而不斷增加，但當(dāng)膜的厚度進(jìn)一步加大時(shí)，膜的厚度過(guò)大會(huì)影響樹(shù)脂浸透織物，使復(fù)合材料層合板中出現(xiàn)白斑。因此，本次實(shí)驗(yàn)沒(méi)有測(cè)試更高厚度的TPU膜增韌單向玻璃纖維復(fù)合材料的層間斷裂韌性。

圖6 DCB測(cè)試的斷面SEM圖像(a)未增韌和四種厚度的TPU膜增韌(b)24.30 μm、(c)52.30 μm、(d)82.90 μm、(e)112.50 μm

3.3 聚氨酯納米纖維膜增韌對(duì)不同織物復(fù)合材料層間斷裂韌性的影響

圖7為未增韌和TPU納米纖維膜增韌不同織物復(fù)合材料DCB測(cè)試的載荷-位移曲線和R曲線。由圖7(a、c、e和g)可以看到，未增韌和TPU增韌試樣在拉伸初始階段沿大致相同斜率上升，在未增韌試樣曲線變?yōu)榉蔷€性時(shí)TPU增韌試樣繼續(xù)呈線性增加，直到裂紋在層間發(fā)生擴(kuò)展；在擴(kuò)展階段，未增韌試樣曲線下降緩慢，增韌試樣呈明顯的“鋸齒形”波動(dòng)下降且位于未增韌試樣上方，具有比未增韌試樣大的拉伸載荷和拉伸破壞位移，表明TPU納米纖維有明顯的阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。從圖7(b、d、f和h)R-曲線看到，未增韌試樣的能量釋放率在裂紋擴(kuò)展至55mm前呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在擴(kuò)展至55mm后單向玻璃纖維、單向碳纖維和緞紋碳纖維復(fù)合材料的能量釋放率在一水平線上下浮動(dòng)，多軸向玻璃纖維復(fù)合材料在裂紋擴(kuò)展至70mm后能量釋放率持續(xù)增加，TPU增韌試樣的能量釋放率與載荷-位移呈現(xiàn)的趨勢(shì)一致，由于TPU膜的加入而呈現(xiàn)不穩(wěn)定性且大于未增韌試樣。

圖7 不同織物復(fù)合材料DCB測(cè)試的載荷-位移曲線和R曲線

表2為DCB測(cè)試結(jié)果，表明在初始階段，單向玻璃纖維、多軸向玻璃纖維、單向碳纖維和緞紋碳纖維復(fù)合材料的GIC-ini在使用TPU增韌后達(dá)到1.622 kJ/m2、1.038 kJ/m2、1.556 kJ/m2、1.770 kJ/m2，分別 提 高 了467.13%、135.91%、332.22%和404.27%；在裂紋擴(kuò)展階段，幾種復(fù)合材料的GIC-prop分別達(dá)到了2.587 kJ/m2、1.577 kJ/m2、2.243 kJ/m2、2.351 kJ/m2，相對(duì)未增韌試樣提高了265.91%、24.27%、197.09%和168.38%?？梢园l(fā)現(xiàn)TPU增韌后復(fù)合材料的初始能量釋放率GIC-ini的提高大于擴(kuò)展能量釋放率GIC-prop的提高，這是因?yàn)槲丛鲰g試樣裂紋的初始擴(kuò)展只是沿增強(qiáng)體纖維-基體界面進(jìn)行，使用TPU納米纖維膜增韌后，納米纖維膜提供了更多的裂紋擴(kuò)展路徑，裂紋開(kāi)始向?qū)娱g發(fā)生擴(kuò)展時(shí)偏離界面從而大大提高了復(fù)合材料的初始能量釋放率。

表2 不同織物復(fù)合材料DCB測(cè)試的最大載荷值、GIC-ini和GIC-prop

圖8為未增韌和TPU納米纖維膜增韌不同織物復(fù)合材料DCB測(cè)試的斷面SEM圖像。從圖8(a，c，e和g)中可以看到未增韌試樣斷裂面光滑，裂紋在層間不斷擴(kuò)展時(shí)發(fā)生纖維-基體界面的脆性斷裂；圖8(b)顯示TPU膜增韌的單向玻璃纖維復(fù)合材料斷面上覆蓋大量的TPU纖維膜和一些玻璃纖維，斷裂面粗糙表明裂紋在傳遞時(shí)沿著纖維方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)而消耗更多的能量；圖8(d)為TPU增韌的多軸向玻璃纖維復(fù)合材料斷面，因膜上下兩面的玻璃纖維方向呈±45°，因此斷面上有明顯的從下層纖維-基體形成的脆性斷面沿著TPU纖維偏移至TPU膜增韌區(qū)域而后到達(dá)上層的增強(qiáng)體界面，TPU膜與玻璃纖維良好的粘結(jié)作用會(huì)使TPU斷裂時(shí)消耗能量；從圖8(f、h)能看到，TPU膜增韌的單向和緞紋碳纖維復(fù)合材料表面覆蓋TPU纖維膜，表明裂紋擴(kuò)展主要發(fā)生在TPU膜中，TPU膜的橋接作用阻礙裂紋擴(kuò)展。另外，由于纖維膜存在孔隙結(jié)構(gòu)，具有大的比表面積的纖維與孔隙中的樹(shù)脂有很好的接觸，孔隙中的樹(shù)脂在纖維結(jié)構(gòu)中相當(dāng)于“釘銷”，因此當(dāng)裂紋在層間擴(kuò)展時(shí)除了克服TPU膜的強(qiáng)力、纖維的橋接外還需要克服“釘銷”作用，因此加入TPU納米纖維膜能極大提高復(fù)合材料的抗分層性能。

圖8 未增韌和TPU納米纖維膜增韌不同織物復(fù)合材料DCB測(cè)試的斷面SEM圖像(a-b)單向玻璃纖維復(fù)合材料(c-d)多軸向玻璃纖維復(fù)合材料(e-f)單向碳纖維復(fù)合材料(g-h)緞紋碳纖維復(fù)合材料

4 結(jié)論

(1)TPU納米纖維膜用作層間增韌材料，I型能量釋放率隨TPU膜厚度增加不斷增大，112.50 μm厚的TPU納米纖維膜對(duì)復(fù)合材料層間斷裂韌性的增韌效果最佳。這是由于TPU膜具有優(yōu)異的強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率，作為插層材料能抵抗較高的拉伸載荷，當(dāng)裂紋在層間擴(kuò)展時(shí)其納米級(jí)纖維具有的大的比表面積有助于復(fù)合體系層間接觸和傳遞載荷，纖維起到橋接作用隨之產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)并且發(fā)生塑性變形來(lái)消耗更多的能量，因此能大幅度提高復(fù)合材料的層間斷裂韌性。與文獻(xiàn)中所用的其他材料相比，靜電紡TPU納米纖維膜用作插層增韌材料具有極大的優(yōu)越性。

(2)TPU納米纖維膜對(duì)復(fù)合材料I型層間斷裂韌性的影響也取決于織物結(jié)構(gòu)。未增韌時(shí)多軸向玻璃纖維復(fù)合材料具有最高的能量釋放率，GIC-ini和GIC-prop分別為0.440 kJ/m2和1.269 kJ/m2，緞紋碳纖維復(fù)合材料次之，單向碳纖維和單向玻璃纖維最小；選用112.5 μm的TPU納米纖維膜能夠有效提高復(fù)合材料的I型層間斷裂韌性，其中TPU層間增韌的單向玻璃纖維復(fù)合材料具有最高的能量釋放率和最大的改善作用，GIC-ini和GIC-prop達(dá)到1.622 kJ/m2和2.587 kJ/m2，相對(duì)未增韌試樣分別提高了467.13%和265.91%，緞紋碳纖維復(fù)合材料次之，對(duì)單向碳纖維和多軸向玻璃纖維復(fù)合材料改善最小。并且復(fù)合材料的初始能量釋放率GIC-ini的提高大于對(duì)擴(kuò)展能量釋放率GIC-prop的提高。