果蔬瓦楞紙箱纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

董娟娟,舒祖菊,方 遒

(1.安徽新聞出版職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電信息系,安徽 合肥 230601;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 輕紡工程與藝術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230022)

碳纖維作為一種經(jīng)環(huán)氧涂層處理和石墨壓織的碳化纖維制品,由于具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特性[1],在汽車(chē)、電子產(chǎn)品和包裝等工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛;尼龍6(PA6)作為一種由己內(nèi)酰胺聚合而成的高分子化合物,由于具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊性和抗溶解性等[2],在交通運(yùn)輸、機(jī)械制造等行業(yè)廣泛應(yīng)用。隨著包裝工程等對(duì)纖維復(fù)合材料要求的提高,在果蔬瓦楞紙箱中要求具有良好表面質(zhì)量和拉伸性能的纖維復(fù)合材料[3-6],因此,有必要研究碳纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料的力學(xué)性能和表面質(zhì)量影響因素,而目前的難點(diǎn)主要集中在碳纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料的浸漬上[7-9],碳纖維與PA6之間的浸漬效果在很大程度上會(huì)影響最終產(chǎn)品的使用性能。本文為了提升果蔬瓦楞紙箱纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能等,研究了模具溫度、張緊力和壓延處與模具出口距離對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和表面質(zhì)量的影響,以期優(yōu)化出果蔬瓦楞紙箱纖維復(fù)合材料的制備工藝,為高性能果蔬瓦楞紙箱纖維復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

原材料包括日本東麗T700 SC-24K型碳纖維、福建實(shí)業(yè)TP-4319型PA6、抗氧劑A和抗氧劑B。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括:DZF-621型真空干燥箱、ADVENTURE 30型電子分析天平、RM-300A型轉(zhuǎn)矩流變儀、DVM5型驅(qū)動(dòng)輕紗架、MOS6型三輥壓延機(jī)、SZ-83/500DV型塑料注塑成型機(jī)、SZ250型破碎機(jī)。

1.2 試樣制備

纖維復(fù)合材料的制備工藝流程如圖1所示[10]。首先,將PA6樹(shù)脂材料進(jìn)行真空干燥,與一定比例的抗氧劑A和抗氧劑B混合均勻后進(jìn)入螺桿擠出機(jī);連續(xù)碳纖維經(jīng)過(guò)預(yù)熱預(yù)分散處理后,將碳纖維和熔融樹(shù)脂混合進(jìn)行熔融浸漬處理,包覆碳纖維。調(diào)整壓延工藝參數(shù),包括模具溫度、張緊力、牽引速度等,并以一定的牽引力將復(fù)合材料穿過(guò)模具,得到一定寬度和厚度的復(fù)合材料預(yù)浸料,隨后進(jìn)行冷卻、卷取等后處理,得到纖維復(fù)合材料預(yù)浸料。

圖1 纖維復(fù)合材料的制備工藝流程圖

1.3 測(cè)試方法

采用INSTRON-5969型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1040-2006《塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》[11],拉伸速率為5 mm/min,結(jié)果為5組試樣的平均值;纖維復(fù)合材料的表面經(jīng)過(guò)噴金處理后,在JSM 6800型掃描電子顯微鏡上觀察;宏觀表面形貌采用華為P40手機(jī)進(jìn)行拍攝。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模具溫度

圖2為模具溫度對(duì)拉伸性能的影響?？梢?jiàn),隨著模具溫度從240 ℃ 上升至270 ℃ 時(shí),纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度先增加后減小,在模具溫度為250 ℃ 時(shí)取得抗拉強(qiáng)度最大值,約為836 MPa;從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中可見(jiàn),隨著應(yīng)變?cè)黾?纖維復(fù)合材料的應(yīng)力快速增加,在到達(dá)峰值應(yīng)力后,繼續(xù)增加應(yīng)變會(huì)造成應(yīng)力快速下降,表明此時(shí)纖維復(fù)合材料的塑性較差。這主要是因?yàn)殡S著模具溫度升高,加工過(guò)程中的樹(shù)脂熔融程度不同,如果模具溫度過(guò)低,樹(shù)脂無(wú)法完全熔融而造成流動(dòng)性較差[12]、樹(shù)脂與纖維的浸潤(rùn)性較差而無(wú)法完成完全包覆,而如果模具溫度過(guò)高,樹(shù)脂雖然充分熔融但是會(huì)造成界面浸漬性較差[12],拉伸強(qiáng)度也會(huì)降低,因此,適宜的模具溫度為250 ℃,此時(shí)樹(shù)脂與纖維可以實(shí)現(xiàn)良好浸漬。

圖2 模具溫度對(duì)纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響

對(duì)不同模具溫度下纖維復(fù)合材料的拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。分別列出了模具溫度為240 ℃ 和250 ℃ 時(shí)復(fù)合材料的拉伸斷口低倍和高倍形貌。在較低的模具溫度下(240 ℃),纖維之間可見(jiàn)未被樹(shù)脂完全填充的空隙,且高倍下可見(jiàn)纖維表面樹(shù)脂的包覆性不好,這也是此時(shí)拉伸強(qiáng)度相對(duì)較低的緣故;當(dāng)模具溫度升高至250 ℃ 時(shí),拉伸斷口形貌中可見(jiàn)纖維間沒(méi)有明顯間隙,樹(shù)脂由于流動(dòng)性較好而能夠完全填充間隙[13],且高倍下可見(jiàn)纖維表面樹(shù)脂包覆良好。拉伸斷口形貌觀察結(jié)果與圖2的拉伸性能測(cè)試結(jié)果相吻合。

圖3 不同模具溫度下纖維復(fù)合材料的拉伸斷口形貌

2.2 張緊力

圖4為張緊力對(duì)纖維復(fù)合材料預(yù)浸帶厚度的影響。其中,模具溫度為250 ℃?？梢?jiàn),隨著張緊力從1 N增加至17 N時(shí),纖維復(fù)合材料預(yù)浸帶厚度先減小后增加,在張緊力為13 N時(shí)取得最小值,繼續(xù)增加張緊力,纖維復(fù)合材料預(yù)浸帶厚度反而增加。這主要是因?yàn)槭┘訌埦o力會(huì)改變纖維的分布狀態(tài),在一定程度上發(fā)揮展紗的作用[14],纖維復(fù)合材料制備過(guò)程中,張緊力和壓力協(xié)同作用,會(huì)使得纖維在拉直的同時(shí)與樹(shù)脂有較好的浸漬[15],因此,張緊力增加會(huì)使得纖維分散而厚度變小,但是當(dāng)張緊力增加到一定程度時(shí),纖維已經(jīng)處于拉直狀態(tài),繼續(xù)增加張緊力會(huì)影響浸潤(rùn)而使得預(yù)浸帶厚度反而略有增加。

圖4 張緊力對(duì)纖維復(fù)合材料預(yù)浸帶厚度的影響

圖5為張緊力對(duì)纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響。其中,模具溫度為250 ℃。可見(jiàn),隨著張緊力從1 N增加至17 N時(shí),纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度先增加后減小,在張緊力為13 N時(shí)取得最大值,繼續(xù)增加張緊力,纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度反而減小。這主要是因?yàn)閺埦o力會(huì)改變分散在軋輥上纖維的厚度,并影響樹(shù)脂的浸潤(rùn)效果[16],在較低的張緊力時(shí),纖維無(wú)法實(shí)現(xiàn)拉直而影響樹(shù)脂與纖維的浸潤(rùn),拉伸強(qiáng)度相對(duì)較低,而如果張緊力過(guò)大,纖維在模具中的阻力增加,在局部不均勻處還會(huì)發(fā)生數(shù)量絲束斷裂或者刮傷的現(xiàn)象[17-18],因此,復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度會(huì)受到影響而減小。

圖5 張緊力對(duì)纖維復(fù)合材料拉伸性能的影響

2.3 壓延處與模具出口距離

在纖維復(fù)合材料制備過(guò)程中,最終成品的考核指標(biāo)除了拉伸性能外,還包括表面質(zhì)量。因此,進(jìn)一步研究了壓延處與模具出口距離對(duì)纖維復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響,結(jié)果如圖6所示。當(dāng)壓延處與模具出口距離較大時(shí)(90 mm),可見(jiàn)纖維復(fù)合材料的表面存在縱向溝槽、表面附著物等,整體表面較為粗糙;當(dāng)壓延處與模具出口距離較小時(shí)(75 mm),可見(jiàn)纖維復(fù)合材料的表面存在縱向溝槽較淺,且表面附著物基本消失,整體表面較為光滑。這主要是因?yàn)閴貉犹幣c模具出口距離會(huì)影響預(yù)浸帶的冷卻時(shí)間,如果壓延處與模具出口距離較大時(shí),預(yù)浸帶在進(jìn)入壓延輥時(shí)已經(jīng)冷卻[19],成型相對(duì)較差而影響表面質(zhì)量,而在適宜的壓延處與模具出口距離時(shí),在纖維復(fù)合材料進(jìn)入壓延輥時(shí)仍然具有較好的塑性[20],成型質(zhì)量相對(duì)較好。

圖6 壓延處與模具出口距離對(duì)纖維復(fù)合材料表面質(zhì)量的影響

3 結(jié)論

1)隨著模具溫度從240 ℃ 上升至270 ℃,纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度先增加后減小,在模具溫度為250 ℃時(shí)取得抗拉強(qiáng)度最大值,約為836 MPa;適宜的模具溫度為250 ℃,此時(shí)樹(shù)脂與纖維可以實(shí)現(xiàn)良好浸漬。拉伸斷口形貌觀察結(jié)果與圖2的拉伸性能測(cè)試結(jié)果相吻合。

2)隨著張緊力從1 N增加至17 N,纖維復(fù)合材料預(yù)浸帶厚度先減小后增加,在張緊力為13 N時(shí)取得最小值,繼續(xù)增加張緊力,纖維復(fù)合材料預(yù)浸帶厚度反而增加。隨著張緊力從1 N增加至17 N,纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度先增加后減小,在張緊力為13 N時(shí)取得最大值,繼續(xù)增加張緊力,纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度反而減小。

3)當(dāng)壓延處與模具出口距離較大時(shí)(90 mm),纖維復(fù)合材料的表面存在縱向溝槽、表面附著物等,整體表面較為粗糙;當(dāng)壓延處與模具出口距離較小時(shí)(75 mm),纖維復(fù)合材料的表面存在縱向溝槽較淺,且表面附著物基本消失,整體表面較為光滑。