楊 莉，徐文正

(安徽工程大學(xué)紡織服裝學(xué)院，安徽蕪湖241000)

0 前言

玄武巖纖維是前蘇聯(lián)經(jīng)過30多年研究開發(fā)的一種無機(jī)纖維。因具有較好的力學(xué)性能和與塑料、金屬、無機(jī)非金屬等材料的良好結(jié)合性能，成為繼碳纖維、玻璃纖維后的又一種新型增強(qiáng)體材料用于復(fù)合材料的生產(chǎn)和應(yīng)用。同時(shí)，玄武巖纖維還具有突出的耐溫性、耐久性及綠色無污染等優(yōu)異性能［1－2］。

玄武巖纖維包括長絲和短纖維兩種形態(tài)，因其玄武巖纖維的耐折性、耐磨性和柔韌性都較差，因此常以長絲狀態(tài)進(jìn)行加工，而玄武巖短纖維織物只適合于纖維氈或非織造布的形式存在。本文主要討論增強(qiáng)體為非織造形態(tài)的玄武巖纖維復(fù)合材料的復(fù)合工藝對(duì)其性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

玄武巖針刺氈，面密度460g/m2，由浙江石金玄武巖纖維有限公司提供;硼酚醛樹脂，黃色固體，由蚌埠市天宇高溫樹脂材料有限公司提供;無水乙醇，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要儀器及設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG－9070，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;實(shí)驗(yàn)室平板硫化機(jī)，25T，湖州橡膠機(jī)械有限公司;電子萬能試驗(yàn)機(jī)，DDL600，長春試驗(yàn)機(jī)研究所;砂輪機(jī)，自制模具。

1.3 試樣制備

因原玄武巖針刺氈較厚，因此將其二次加工成厚度為2mm，面密度為170g/m2的針刺非織造織物，并將其裁剪為尺寸120mm×180mm的樣塊備用，將粉碎后的硼酚醛樹脂放入乙醇溶液中溶解，配制成含膠量為50%的膠液，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案將裁剪試樣按一定比例浸漬于樹脂凝膠液中，然后置于通風(fēng)處干燥1d以上，得到預(yù)浸料。復(fù)合材料的制備采用層壓工藝，將預(yù)浸料切割成尺寸為20mm×180mm，放入110℃ ～120℃烘箱中處理30min，然后取出在自制模具中鋪層，層壓制得所需復(fù)合材料試樣［3］。

1.4 性能測(cè)試

按GB1447-2005和GB1449-2005測(cè)試復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能，測(cè)試速率為10mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法，以復(fù)合材料中玄武巖纖維所占的百分含量(以下簡稱增強(qiáng)纖維含量)、成型壓力、成型溫度為影響因素，具體因子水平表如表1所示。

表1 因素水平表

2.2 數(shù)據(jù)分析

表2所示為樣品的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，表3所示為其拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的極差分析。由表3可知，在所選影響因素中，增強(qiáng)纖維含量對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響最大，而成型壓力和成型溫度對(duì)拉伸性能和彎曲性能影響規(guī)律不同，成型壓力比成型溫度對(duì)復(fù)合材料拉伸性能大，而對(duì)于復(fù)合材料彎曲性能的影響正好相反。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度修正項(xiàng)極差較大，說明對(duì)于玄武巖針刺氈復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度影響最大的因素并不在所選因素中。

表2 復(fù)合材料力學(xué)性能

2.3 增強(qiáng)纖維含量的影響

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)纖維含量是所選三個(gè)因素中對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響最大的因素，但其對(duì)拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響規(guī)律有所不同。復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度并不隨著增強(qiáng)纖維含量的增加而線性增強(qiáng)，即當(dāng)增強(qiáng)纖維含量為42%時(shí)，復(fù)合材料達(dá)到最大拉伸強(qiáng)度，當(dāng)增強(qiáng)纖維含量增加，達(dá)到50%時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度反而下降，但仍大于增強(qiáng)纖維含量為37%時(shí)。這與其他增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的玄武巖復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度受增強(qiáng)纖維含量的影響相同［4］，而針刺玄武巖復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨增強(qiáng)體纖維含量的增加而線性減小。

分析其原因，在復(fù)合材料中玄武巖纖維為主要承力組分，因此隨著增強(qiáng)纖維含量的增加，復(fù)合材料的抗拉性能增強(qiáng)，但隨著增強(qiáng)纖維含量的增加，相應(yīng)復(fù)合材料中的基體含量減少，當(dāng)減少到一定程度后，難以完成對(duì)增強(qiáng)體材料的有效包覆。同時(shí)，在增強(qiáng)體織物浸漬過程中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增強(qiáng)纖維含量達(dá)到一定程度后，增強(qiáng)體不能被基體充分浸潤，致使復(fù)合材料在拉伸受力時(shí)易出現(xiàn)分層及裂紋現(xiàn)象，使界面受損，導(dǎo)致復(fù)合材料拉伸性能下降。且玄武巖纖維的高強(qiáng)高模性能只體現(xiàn)在軸方向上，在剪切方向上質(zhì)脆，柔韌性較差，因此當(dāng)其含量增加時(shí)，導(dǎo)致其復(fù)合材料的整體彎曲性能下降。

2.4 成型壓力的影響

成型壓力對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能的影響規(guī)律不同。成型壓力對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能影響較大，僅次于增強(qiáng)纖維含量對(duì)復(fù)合材料的影響，而成型壓力對(duì)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度影響較小。復(fù)合材料的拉伸性能隨成型壓力的增大而線性減小;成型壓力對(duì)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度影響較小，其規(guī)律為當(dāng)成型壓力相對(duì)較小時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨成型壓力的增加而增強(qiáng)，當(dāng)成型壓力增大后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度下降。

表3 各因素影響分析

分析其原因，在復(fù)合材料的制備過程中，增加成型壓力有利于熔融樹脂的流動(dòng)和擴(kuò)散，可提高界面間的粘結(jié)效果，但成型壓力增大時(shí)，樹脂熔融所需溫度升高;同時(shí)，由于玄武巖非織造織物本身強(qiáng)力較低，尺寸穩(wěn)定性相對(duì)較差，當(dāng)增大成型壓力時(shí)，破壞了增強(qiáng)體織物結(jié)構(gòu)的整體性，導(dǎo)致復(fù)合材料的整體力學(xué)性能下降。對(duì)于復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度而言，其基體材料的抗彎能力優(yōu)于增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，因此，當(dāng)增大成型壓力時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高。

2.5 成型溫度的影響

成型溫度在所選因素中對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響相對(duì)最小，特別是對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能的影響。在所選的成型溫度因子里，在190℃時(shí)復(fù)合材料具有最佳的抗拉強(qiáng)度，在200℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度最小。成型溫度對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響同樣適合這種變化規(guī)律。這種變化規(guī)律與成型溫度對(duì)其他增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的玄武巖復(fù)合材料的變化規(guī)律是有區(qū)別的，如在采用相同的復(fù)合工藝條件下，成型溫度的升高有利于平紋玄武巖復(fù)合材料力學(xué)性能的改善［5］。

分析其原因，主要跟玄武巖非織造織物的特殊增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)形態(tài)有關(guān)。因?yàn)樾鋷r纖維本身吸濕性較差，因此，復(fù)合材料中增強(qiáng)體與基體的緊密結(jié)合主要依靠成型溫度升高時(shí)樹脂的熔融滲透，但非織造結(jié)構(gòu)形式的玄武巖纖維織物空隙較大，樹脂在浸漬過程中就可完成對(duì)增強(qiáng)體的滲透，減弱了復(fù)合成型過程中復(fù)合溫度對(duì)界面結(jié)合性能的影響，反而會(huì)因?yàn)楣腆w過程中溫度過高而產(chǎn)生揮發(fā)性小分子的溢出，致使界面間產(chǎn)生明顯的裂縫和分層現(xiàn)象，影響復(fù)合材料的整體性能。因此，增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)為非織造形式的復(fù)合材料其成型溫度可適當(dāng)降低。

2.6 其他因素的影響

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度影響最大的因素并不在所選因素中。玄武巖纖維是一種質(zhì)脆、易彎折的纖維原料，因此，復(fù)合材料的彎曲性能多由基體樹脂提供，這也可通過增強(qiáng)纖維含量增加對(duì)復(fù)合材料彎曲性能影響關(guān)系證明，而針刺非織造結(jié)構(gòu)的玄武巖織物有別于其他加工方式形成的玄武巖織物，其表面結(jié)構(gòu)疏松，含有較多的孔隙，更便于基體樹脂的浸漬滲透。因此，玄武巖非織造布的孔隙程度，即玄武巖氈的織物性能應(yīng)對(duì)復(fù)合材料的復(fù)合工藝及彎曲性能產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié)論

(1)增強(qiáng)纖維含量的提高有利于復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的改善，但當(dāng)增強(qiáng)纖維含量達(dá)到一定程度后，導(dǎo)致分層現(xiàn)象產(chǎn)生，致使復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的下降，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨增強(qiáng)纖維含量的增加而線性降低。

(2)成型溫度的適當(dāng)升高有利于復(fù)合材料力學(xué)性能的改善，但不與復(fù)合成型溫度的增加成線性關(guān)系。

(3)在一定范圍內(nèi)增加成型壓力有利于復(fù)合材料彎曲性能的提高，但成型壓力過大時(shí)，復(fù)合材料彎曲性能下降。復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨成型壓力的增加而線性下降。

(4)增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料工藝有較大影響，并對(duì)復(fù)合材料綜合力學(xué)性能有一定程度的影響。

［1］邱菊生，鐘智麗，石磊，等.纖維組分比例對(duì)玄武巖/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(1):23 －26.

［2］吳佳林.連續(xù)玄武巖纖維的研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］.化纖與紡織技術(shù)，2012，41(3):38 －41.

［3］張俊華，李錦文，李傳校，等.連續(xù)玄武巖纖維平紋布增強(qiáng)硼酚醛樹脂基復(fù)合材料研究［J］.工程塑料應(yīng)用，2008，36(12):17 －19.

［4］楊莉，馬翔，尹良舟.單向玄武巖增強(qiáng)復(fù)合材料工藝與性能研究［J］.中國塑料，2014，28(7):55 －59.

［5］楊莉，洪偉濤，葉科勝，等.玄武巖增強(qiáng)硼酚醛樹脂基復(fù)合材料工藝性能研究［J］.化工新型材料，2013，41(9):129－132.