劉雪靜， 譚洪生， 李麗平， 譚哲興

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

70年代之前熱固性樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于軍工產(chǎn)品，在較長一段時(shí)間內(nèi)，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性塑料應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如管道、罐體等.70年代后開始轉(zhuǎn)向民用，但此材料的主要缺點(diǎn)是使用后不易回收利用[1-2]，為克服此缺點(diǎn)，人們開發(fā)出幾種熱塑性樹脂基復(fù)合材料以滿足市場需求.熱塑性樹脂基復(fù)合材料具有特定溫度范圍內(nèi)反復(fù)加熱熔融、冷卻硬化、加工成型方便、機(jī)械性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域[3-5].目前，短玻纖增強(qiáng)聚烯烴熱塑性復(fù)合材料研究起步較早，并廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、化工、包裝、電力、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[6-9].連續(xù)/長玻纖增強(qiáng)的復(fù)合材料由于具有更加優(yōu)異的性能，能滿足許多實(shí)際應(yīng)用對材料性能的要求，成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[10-11]，而國內(nèi)有關(guān)連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚烯烴預(yù)浸帶復(fù)合材料的研究報(bào)道較少.筆者采用熔融浸漬工藝制備出連續(xù)纖維增強(qiáng)聚烯烴預(yù)浸帶，研究了樹脂基體與纖維含量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并通過動(dòng)態(tài)黏彈譜儀考察了玻璃纖維對聚烯烴動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

高密度聚乙烯(HDPE)(PE A)，牌號(hào)：DGDA 2911，熔體質(zhì)量流動(dòng)速率MFR為20g/min； HDPE(PE B)，牌號(hào)：DGDB 2480，MFR為0.1g/min；低密度聚乙烯(LLDPE)(PE C)，牌號(hào)：DFDA 7042，MFR為1.9g/min；抗沖共聚聚丙烯(IPC)(PP A)：SP179，MFR為8.9g/min，均為中國石油化工股份有限公司齊魯分公司生產(chǎn)；

PP：牌號(hào)T30S(PP B)，MFR為3g/min，中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司；

馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)：PP-G-1；馬來酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)：PE-G-1，均為南京德巴化工有限公司生產(chǎn)；

GF：HYBON 6000，中材金晶玻纖有限公司.

1.2 材料制備

1.2.1 預(yù)浸帶制備

將玻璃纖維穿入與單螺桿擠出機(jī)連接的熔融浸漬模具中，聚烯烴樹脂經(jīng)單螺桿擠出機(jī)擠出，經(jīng)擠出機(jī)的進(jìn)料口進(jìn)入到模具中，并沿模具芯套和套管之間的狹縫通道流入，與穿入狹縫中的玻璃纖維匯合，其后一同沿此狹縫流道前進(jìn)，被樹脂浸漬的玻璃纖維經(jīng)由口模成型[12]，然后經(jīng)壓延機(jī)、牽引機(jī)牽引，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩流變儀的輸出速度和牽引機(jī)的速度來控制預(yù)浸帶復(fù)合材料中纖維的含量，從而制得連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚烯烴預(yù)浸帶復(fù)合材料.

1.2.2 試樣制備

將制備的預(yù)浸帶復(fù)合材料自然冷卻后經(jīng)熱模壓機(jī)分兩層垂直排列壓制成板材(如圖1)，其尺寸為150mm×100mm×2mm，模壓溫度為220℃，壓力為15MPa.模壓成型的片材再使用萬能制樣機(jī)制取樣條.

圖1 兩層浸漬帶壓制復(fù)合材料板材示意圖

1.3 分析測試

拉伸強(qiáng)度：試樣尺寸為150mm×15mm×2mm，其余按GB/T 1447-2005進(jìn)行測試；

彎曲強(qiáng)度：試樣尺寸為50mm×12.5mm×2mm，其余按GB/T 9341-2006進(jìn)行測試；

動(dòng)態(tài)力學(xué)行為測試：儀器為Q800型，美國TA公司；測試條件為振動(dòng)頻率和振幅分別為1Hz和20μm，升溫速率為5℃/min，溫度范圍為-140～120℃，高純氮?dú)夥?測試樣條的尺寸為：35mm×10mm×2mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 基體樹脂對力學(xué)性能的影響

圖2 基體樹脂對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

由圖2看出，不同樹脂制備的浸漬帶拉伸強(qiáng)度不同.由于不同樹脂的流動(dòng)性不同，其與玻璃纖維的浸漬效果也不相同.對于純樹脂基體PP(B)、PP(A)、PE(B)、PE(C)來說，其拉伸強(qiáng)度PP(B)>PP(A)，PE(B)>PE(C)，但由于PP(A)、PE(C)的熔體流動(dòng)速率較低，故在擠出過程中與纖維的浸漬效果較差.因此，樹脂與纖維間浸漬效果越好，界面黏結(jié)強(qiáng)度越高，在拉伸過程中纖維拔出或拉斷所需要消耗的能量越多，從而使復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度越高；反之，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度越低.

從圖2還可看出，將預(yù)浸帶通過熱模壓機(jī)壓片制成的樣條與預(yù)浸帶樣條的拉伸強(qiáng)度相比較低，這是因?yàn)槔w維在壓片過程中的排布方向不同其拉伸強(qiáng)度也不同，相同質(zhì)量的復(fù)合材料，壓片過程中纖維縱橫垂直分布時(shí)，沿拉伸力方向的纖維數(shù)量減少，抗拉能力降低；與拉伸力垂直方向的纖維在拉伸過程中起不到承載的作用.因此，二維垂直方向分布的復(fù)合材料比一維單向方向分布的抗拉強(qiáng)度低.

由圖3可以看出，加入纖維后材料的彎曲強(qiáng)度大幅度提高.所用樹脂基體均為聚烯烴，其拉伸和彎曲性能較低；加入纖維后，纖維與基體黏結(jié)在一起形成有效的界面層，在彎曲過程中基體通過界面層將載荷有效的傳遞給纖維，纖維在基體中起到骨架作用，故彎曲強(qiáng)度明顯提高.纖維單向分布時(shí)，脫黏或斷裂的纖維含量高，因此具有較高的彎曲強(qiáng)度；纖維縱橫垂直分布時(shí)，與壓頭平行的纖維在彎曲過程中不起作用，承載的纖維數(shù)量降低，故彎曲強(qiáng)度較低.在玻璃纖維增強(qiáng)聚烯烴預(yù)浸帶的制備過程中，存在纖維分散不均，纖維與基體界面黏結(jié)性差的問題，有待進(jìn)一步改進(jìn).

圖3 基體樹脂對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響

2.2 纖維含量對力學(xué)性能的影響

圖4是基體樹脂為PE(A)的復(fù)合材料其纖維含量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))不同時(shí)預(yù)浸帶拉伸強(qiáng)度的變化.可以看出，纖維含量為70%時(shí)拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，70%以下隨纖維含量的增加，拉伸過程中斷裂和拔出的纖維數(shù)量增加，消耗更多的能量，故隨纖維含量增加拉伸強(qiáng)度提高；70%以上隨纖維含量的增加基體樹脂減少，使得纖維和基體之間的浸漬效果變差，兩者之間的黏結(jié)性減弱，界面強(qiáng)度降低.另一方面隨纖維含量的增加，基體中晶體含量降低，此時(shí)大量的玻璃纖維相互重疊、接觸，影響了基體樹脂的相連續(xù)性，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能降低[13-15].

圖4 纖維含量對預(yù)浸帶拉伸強(qiáng)度的影響

圖5是基體樹脂為PE(A)的預(yù)浸帶復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度隨纖維含量的變化.纖維含量為70%時(shí)彎曲強(qiáng)度最高.70%以下，隨纖維含量的增加，基體與纖維的接觸面積增大，黏結(jié)性增強(qiáng)，此時(shí)使纖維脫黏需要更多的能量；纖維在復(fù)合材料中起骨架的作用，吸收主要的彎曲能量，隨纖維含量的增加承載更多的載荷，材料的彎曲強(qiáng)度越高；70%以上時(shí)，基體含量降低，纖維與基體間的浸潤性降低，浸漬效果變差，降低材料的彎曲性能，故彎曲強(qiáng)度低.

圖5 纖維含量對預(yù)浸帶彎曲強(qiáng)度的影響

2.3 動(dòng)態(tài)力學(xué)行為

圖6為纖維含量不同的預(yù)浸帶復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量隨溫度的變化曲線.儲(chǔ)能模量是表征聚合物熔體黏彈性的重要參數(shù)，表征熔體變形過程中存儲(chǔ)的能量.從圖中可以看出純PE熔體的儲(chǔ)能模量較低，加入纖維后預(yù)浸帶復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量有較大幅度的提高.這主要是因?yàn)榧尤氩ＡЮw維后，纖維能較好的增強(qiáng)樹脂基體，提高了材料的剛性，使得復(fù)合材料的模量增加，同時(shí)樹脂分子的運(yùn)動(dòng)受阻，使得材料的內(nèi)耗減少，從而提高了復(fù)合材料的抗形變能力.由于纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料儲(chǔ)能模量具有加和性，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量隨纖維含量的增加而提高，纖維的用量越高，預(yù)浸帶復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量就越大[16-17].

圖6 PE(A)及其復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量與溫度的關(guān)系

圖7為纖維含量不同的預(yù)浸帶復(fù)合材料的損耗因子隨溫度的變化曲線.從圖中可以看出純2911在-100℃左右存在一個(gè)凸峰，表明基體已發(fā)生無定形的玻璃化轉(zhuǎn)變，此峰為純聚乙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度.加入纖維后，復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高，這是因?yàn)槔w維的加入使得基體的含量降低從而使非晶部分的含量降低；隨纖維含量的增加，復(fù)合材料基體中非晶部分的含量減少，故在圖中纖維含量為55%時(shí)存在小的凸峰，纖維含量為70%時(shí)幾乎無玻璃化轉(zhuǎn)變.

圖7 損耗因子tanδ與溫度的關(guān)系

3 結(jié)論

1)玻璃纖維的加入可以大幅度的提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度.當(dāng)玻璃纖維的含量為70%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，其后隨纖維含量的增加復(fù)合材料的性能反而降低.

2)纖維分布對材料的性能有較大影響，纖維一維單向分布時(shí)，復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度最高；纖維縱橫垂直分布時(shí)，復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度較單向分布時(shí)低.纖維縱橫垂直分布時(shí)，與彎曲實(shí)驗(yàn)簡支梁兩支點(diǎn)連線垂直的纖維在彎曲過程中不起承載作用，故纖維的分布方向?qū)澢阅苡绊戄^大.

3)玻璃纖維增強(qiáng)聚烯烴預(yù)浸帶復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為分析表明，加入玻纖后復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量大幅度提高，預(yù)示著材料的抗形變能力明顯增強(qiáng)；隨玻纖含量的增加，材料的損耗因子降低，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高；纖維含量為70%時(shí)，幾乎無玻璃化轉(zhuǎn)變.

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