湯 棟, 趙 玉 萍, 趙 明

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

近年來(lái),黃麻纖維復(fù)合材料作為一種新型環(huán)保復(fù)合材料,越來(lái)越受到人們的關(guān)注。我國(guó)黃麻產(chǎn)量豐富,位列世界第三。黃麻纖維除了具有綠色、可降解、再生快等諸多優(yōu)點(diǎn)外,纖維的力學(xué)性能也較優(yōu)良,黃麻纖維的比強(qiáng)度與比模量接近E-玻璃纖維,是一種非常理想的纖維增強(qiáng)材料[1-2]。黃麻纖維復(fù)合材料在汽車、建筑、船舶等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,研究開(kāi)發(fā)黃麻纖維復(fù)合材料是非常有意義的。黃麻/環(huán)氧復(fù)合材料的力學(xué)性能取決于基體和纖維雙方的特性。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)黃麻纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行過(guò)研究和討論,如鄭融等[3]研究了黃麻單向纖維和隨機(jī)分布短纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能,并與竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能進(jìn)行了比較；曾竟成等[4]討論了黃麻有捻纖維束和黃麻布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料的復(fù)合工藝和力學(xué)性能；張安定等[5]研究了黃麻纖維的長(zhǎng)度和含量對(duì)其增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。但此類研究并未系統(tǒng)闡述黃麻的纖維長(zhǎng)度和纖維含量對(duì)其環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。作者討論了黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能,特別研究了纖維含量和纖維長(zhǎng)度對(duì)其拉伸和彎曲性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 主要材料

經(jīng)脫膠梳理的黃麻纖維,河南麻布制品有限公司；環(huán)氧樹(shù)脂,E-44(6101),香港榮發(fā)裝飾材料國(guó)際集團(tuán)有限公司；固化劑,聚酰胺樹(shù)脂低分子650型,香港榮發(fā)裝飾材料國(guó)際集團(tuán)有限公司；丙酮,化學(xué)純,沈陽(yáng)新興試劑廠。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

MN壓力成型機(jī),無(wú)錫市中凱橡塑機(jī)械有限公司；HY-W萬(wàn)能制樣機(jī),承德市試驗(yàn)機(jī)廠；RG微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),深圳市瑞格爾儀器有限公司；8303烘箱,上海革新儀器制造廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

1.2.1 黃麻纖維的準(zhǔn)備

將脫膠梳理后的黃麻纖維分別剪成3、5、10、15 mm的4種長(zhǎng)度,置于70 ℃的烘箱中干燥脫水。

1.2.2 樹(shù)脂基體的制備

將環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰胺、丙酮按表1所示的樹(shù)脂基體配方比例進(jìn)行混合。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂基體配方表

1.2.3 復(fù)合材料板的制備

制備過(guò)程:室溫下黃麻纖維與樹(shù)脂基體混合→放置到模具中→放入熱壓機(jī),真空零壓下50 ℃靜置30 min→升溫至80 ℃,壓力2 MPa,1 h→升溫至110 ℃,壓力2 MPa,1 h→升溫至140 ℃,壓力2 MPa,2 h→自然冷卻后脫模。

將5 mm的黃麻纖維分別按質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、20%、30%、40%與樹(shù)脂充分混合制成試樣,用以探討纖維含量對(duì)黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂性能的影響。

分別將3、5、10、15 mm的黃麻纖維按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%與樹(shù)脂充分混合制成試樣,用以探討纖維長(zhǎng)度對(duì)黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂性能的影響。

另準(zhǔn)備環(huán)氧樹(shù)脂澆鑄體試樣,用以探討黃麻纖維的加入對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂性能的影響。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 力學(xué)性能測(cè)定

參照GB 1447—2005拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法,在RG微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行板材的拉伸性能測(cè)試。試樣規(guī)格為180 mm×20 mm×4 mm,夾持距離為110 mm,加載速度為2 mm/min。

參照GB 1449—2005彎曲性能測(cè)試方法,采用三點(diǎn)彎曲法在RG微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行板材的彎曲性能測(cè)試。試樣規(guī)格為80 mm×15 mm×4 mm,跨距取為64 mm,加載速度為2 mm/min。

1.3.2 掃描電鏡(SEM)分析

采用日本JEOL公司的JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡觀察黃麻/環(huán)氧復(fù)合材料試樣的拉伸斷面。截取適當(dāng)長(zhǎng)度的樣條斷面,將樣品放入70 ℃烘箱中烘干20 min,烘干后用SEM觀察斷面的微觀形態(tài)。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

黃麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料拉伸性能的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)拉伸性能的影響

由圖1可以看出,隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大拉伸強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì),當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)20%時(shí),復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高,為59.56 MPa,之后隨纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大略有下降。對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料而言,材料的強(qiáng)度取決于基體將承受的載荷傳遞給增強(qiáng)纖維的程度,黃麻纖維之所以能夠增強(qiáng)樹(shù)脂基體的力學(xué)性能,最主要的因素是基體將承受的部分載荷傳遞給了增強(qiáng)纖維[6],兩相間的界面黏結(jié)情況決定了傳遞效果。黃麻纖維含量較低時(shí),許多纖維處于孤立狀態(tài),纖維間抱合力較差,不能起到分擔(dān)基體所受載荷的作用,因此試樣拉伸性能較低[7]。隨著纖維含量增加,材料強(qiáng)度增大。這是由于黃麻纖維發(fā)揮了增強(qiáng)纖維的作用,與基體共同承擔(dān)拉伸外力,所以隨著纖維含量增加,復(fù)合板材的拉伸強(qiáng)力也會(huì)增加。但是,當(dāng)纖維含量增大到一定量,纖維在環(huán)氧樹(shù)脂中不能完全、均勻浸透,纖維與纖維間的樹(shù)脂含量過(guò)少且分布不均影響了界面黏結(jié)情況,導(dǎo)致了復(fù)合材料受力不均,降低了拉伸強(qiáng)度。環(huán)氧樹(shù)脂中的黃麻纖維限制了環(huán)氧樹(shù)脂的變形,所以較小的應(yīng)力不可能引起大的變形,且隨著纖維含量的增多纖維對(duì)樹(shù)脂基體的變形限制越嚴(yán)重[8],拉伸模量隨纖維含量增加而遞增。這說(shuō)明黃麻纖維含量的增加對(duì)復(fù)合材料拉伸模量的提升是有利的。

黃麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)與復(fù)合材料彎曲性能的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出,隨著黃麻纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,板材彎曲強(qiáng)度逐漸增加,當(dāng)黃麻纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到了93.11 MPa,纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加彎曲強(qiáng)度則略有下降。材料受到彎曲變形時(shí),纖維在基體中因應(yīng)力缺陷所引起的破壞作用高于纖維在基體中所發(fā)揮的增強(qiáng)作用[9]。而彎曲模量則先隨纖維含量的增加而遞增,后趨于平緩。

圖2 纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)彎曲性能的影響

2.2 纖維長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖3、4給出了在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí),纖維長(zhǎng)度對(duì)材料拉伸和彎曲性能的影響。由圖3、4可以看出,隨著纖維長(zhǎng)度的增加,材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度均呈先增加后減小的變化趨勢(shì),且在纖維長(zhǎng)度為10 mm處達(dá)到最大,此時(shí)拉伸強(qiáng)度為53.08 MPa,彎曲強(qiáng)度為83.44 MPa,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料臨界纖維長(zhǎng)度對(duì)材料強(qiáng)度的影響規(guī)律[10],即在低于臨界纖維長(zhǎng)度時(shí),材料的強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增加而增大；而高于臨界纖維長(zhǎng)度時(shí),材料的強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增加而減小。因?yàn)槔w維在復(fù)合材料中充當(dāng)?shù)氖窃鰪?qiáng)材料,所以隨纖維長(zhǎng)度的增加,單根纖維與樹(shù)脂的結(jié)合面也增大,結(jié)合力增加,復(fù)合材料板斷裂時(shí)需要將纖維與樹(shù)脂脫黏的力也更大,所以強(qiáng)度隨之增大。而拉伸與彎曲模量均隨纖維長(zhǎng)度的增加而遞增,說(shuō)明纖維的高長(zhǎng)徑比帶來(lái)了材料模量的提高。

圖4 纖維長(zhǎng)度對(duì)材料模量的影響

2.3 材料斷口SEM分析

采用SEM觀察纖維長(zhǎng)度為5 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的復(fù)合材料的斷口處微觀結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖5,其中(a)、(b)、(c)分別是斷口處40、100、300倍的SEM照片。由圖5(a)可以看出,一部分黃麻纖維裸露在環(huán)氧樹(shù)脂外面,這是由于拉伸破壞導(dǎo)致纖維被拔出,且纖維長(zhǎng)短不一,說(shuō)明纖維與樹(shù)脂之間的結(jié)合不夠均勻完善。由圖5(b)可以看出,在拉伸斷裂過(guò)程中有樹(shù)脂的粉碎顆粒產(chǎn)生,且樹(shù)脂有因黃麻浸潤(rùn)不均產(chǎn)生的氣泡。除樹(shù)脂有撕裂的痕跡外,還有基體與纖維剝離后留下的纖維

圖5 材料拉伸斷面的SEM形貌

絲,這是纖維和樹(shù)脂在脫黏時(shí)因兩者的結(jié)合力而將纖維撕裂的結(jié)果。由圖5(c)可以看出,黃麻截面是不規(guī)則的多角形,中間有多個(gè)空腔。纖維和樹(shù)脂之間存在著由于黃麻纖維從樹(shù)脂中拔出所形成的類似圓形的孔洞,黃麻纖維表面比較光滑,基本沒(méi)有樹(shù)脂黏附在纖維表面,這說(shuō)明兩相界面之間的黏結(jié)強(qiáng)度仍有待進(jìn)一步增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

黃麻纖維的加入對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能有明顯改善,且纖維的含量和長(zhǎng)度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著影響。隨著纖維含量和長(zhǎng)度的增加,復(fù)合材料的彎曲和拉伸強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢(shì)。黃麻纖維在長(zhǎng)度10 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%時(shí),黃麻/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的拉伸和彎曲綜合性能比較好。纖維含量的增加和纖維長(zhǎng)度的增加對(duì)材料模量的提升是有利的。隨著纖維含量與纖維長(zhǎng)度的增加,材料的模量也呈增加的趨勢(shì)。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%、纖維長(zhǎng)度超過(guò)10 mm時(shí),增加不明顯。

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