陽(yáng)玉球 毛 凱 濱田泰以 梶岡信由 播磨一成

1.東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620；2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；3.京都工藝?yán)w維大學(xué)， 京都 6006-8585；4.濱玉工業(yè)技術(shù)服務(wù)(上海)中心， 上海 201620；5.大邱西川公司， 廣島 736-0084

2017-05-05

陽(yáng)玉球，女，1976年生，副教授，主要研究方向?yàn)榧徔棽牧虾蛷?fù)合材料

不同長(zhǎng)度和類型粒料混雜制備玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料

陽(yáng)玉球1， 2毛 凱3， 4濱田泰以3梶岡信由5播磨一成5

1.東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620；2.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620；3.京都工藝?yán)w維大學(xué)， 京都 6006-8585；4.濱玉工業(yè)技術(shù)服務(wù)(上海)中心， 上海 201620；5.大邱西川公司， 廣島 736-0084

對(duì)由不同長(zhǎng)度和類型的粒料(長(zhǎng)度為3.00mm的短纖維粒料S3和長(zhǎng)度為11.00mm的長(zhǎng)纖維粒料L11)混合制得的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)，并通過(guò)X-rayCT掃描觀察復(fù)合材料內(nèi)部的纖維取向，研究玻璃纖維長(zhǎng)度和排列對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。當(dāng)L11與S3的混合質(zhì)量比為90%∶10%時(shí)，試樣的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度都略高于L11制備的試樣，且沖擊強(qiáng)度保持較高的水平，內(nèi)部的纖維取向也有明顯的改善。由此推測(cè)，在長(zhǎng)纖維粒料中混入少量(如質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)短纖維粒料會(huì)改善復(fù)合材料內(nèi)部的纖維取向，并對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度起到積極作用。。

汽車(chē)輕量化， 長(zhǎng)纖維粒料， 短纖維粒料， 纖維取向，X-rayCT掃描， 混雜

根據(jù)已有研究結(jié)果可知，纖維長(zhǎng)度是決定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能最主要的因素。根據(jù)纖維的增強(qiáng)原理，只有增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度在其臨界長(zhǎng)度以上時(shí)才能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。一般短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維長(zhǎng)度約0.30 mm，而長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中纖維長(zhǎng)度可達(dá)到3.00 mm以上[1]，因此長(zhǎng)纖維比短纖維具有更佳的增強(qiáng)效果。相比于短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有更高的剛性、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、耐蠕變性及顯著提高的沖擊強(qiáng)度[2-4]。

通過(guò)前期研究發(fā)現(xiàn)[5-6]，提高復(fù)合材料內(nèi)部纖維取向度，是提高長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。為此，本文對(duì)如何改善復(fù)合材料內(nèi)部纖維取向做研究。根據(jù)已知結(jié)論，短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部纖維取向優(yōu)于長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，所以采用在長(zhǎng)纖維粒料中混合不同比例的短纖維粒料的方式來(lái)改善纖維取向，并探討最合適的短纖維粒料的混雜比例。

1 材料與方法

1.1材料

本試驗(yàn)使用的增強(qiáng)基為玻璃纖維，樹(shù)脂基為聚丙烯樹(shù)脂[熔融指數(shù)為30 g/(10 min)]。原材料均由日本大賽璐株式會(huì)社(Daicel Corporation)提供。

1.2粒料制備

本試驗(yàn)使用兩種類型的粒料：一種是長(zhǎng)纖維粒料L11，即由LFT(Long Liber Reinforced Thermoplastics)法制得的長(zhǎng)度為11.00 mm的粒料；一種是短纖維粒料S3，是由7.00 mm的長(zhǎng)纖維粒料經(jīng)熔融、雙螺桿擠出、冷卻、切粒等工序而獲得的長(zhǎng)度為3.00 mm的粒料(其玻璃纖維長(zhǎng)度為1.50 mm)。由于制備方法不同，兩種粒料中，不僅玻璃纖維長(zhǎng)度不同，而且纖維排列方向也不同。L11中的玻璃纖維長(zhǎng)度與粒料長(zhǎng)度相同，且纖維沿粒料長(zhǎng)度方向排列；而S3中的玻璃纖維長(zhǎng)度短于粒料長(zhǎng)度，且纖維排列方向隨機(jī)。

1.3試樣制備

本試驗(yàn)采用注塑成型方式(表1)及50 t射出成型設(shè)備[香港寶源(陶氏)機(jī)械廠有限公司[Po Yuen(To’s)Machine Fty. Ltd.]來(lái)制備玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱“復(fù)合材料”)。將上述粒料喂入該設(shè)備，制得啞鈴狀復(fù)合材料試樣。試樣信息見(jiàn)表2。

表1 注塑成型參數(shù)設(shè)置

表2 試樣信息

1.4試驗(yàn)

1.4.1 拉伸試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，其型號(hào)為Autograph AG-5 kNX[日本島津公司(Shimadzu)]。測(cè)試速度為1 mm/min，每種試樣測(cè)試5次。按照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能測(cè)試方法》，試樣尺寸為長(zhǎng)度(175.00±0.50)mm×寬度(10.00±0.20)mm× 厚度(3.00±0.20)mm，測(cè)試時(shí)采用的夾持間距為115.00 mm。

1.4.2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，其型號(hào)為Autograph AG-5 kNX[日本島津公司(Shimadzu)]。測(cè)試速度為1 mm/min，每種試樣測(cè)試5次。按照GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能測(cè)試方法》，試樣尺寸為長(zhǎng)度(60.00±0.50)mm×寬度(10.00±0.20)mm×厚度(3.00±0.20)mm，測(cè)試時(shí)采用的跨距為48.00 mm。

1.4.3 單懸梁沖擊試驗(yàn)

本試驗(yàn)所用儀器由日本東陽(yáng)精機(jī)公司(Toyoseiki)制造，其型號(hào)為DG-1B/No.C-111104907?；疽?guī)格：沖擊能量為2.75 J/5.50 J，錘子力矩為1.471 N·m/950 N·m，軸心到敲擊點(diǎn)的距離為32.7 cm，錘子可舉起的角度為150°。

1.4.4 纖維取向測(cè)量

本試驗(yàn)利用X-ray CT(全稱為X-ray Computed Tomography，即電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描)對(duì)試樣進(jìn)行掃描，從試樣表面開(kāi)始，以每次0.20 mm的厚度逐層進(jìn)行斷面掃描，觀察試樣內(nèi)部的纖維分布及纖維取向情況。測(cè)試及圖像分析裝置為T(mén)DM1000-IS/SP[日本大和科學(xué)株式會(huì)社(Yamato Scientific)]、VG-Studio MAX[奧維斯科技有限公司(NVS)]。

2 結(jié)果與分析

2.1拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖1和圖2所示為試樣的拉伸性能測(cè)試結(jié)果。由圖1可見(jiàn)，隨著S3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，試樣的拉伸強(qiáng)度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)S3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，即2號(hào)試樣(長(zhǎng)/短纖維粒料混合增強(qiáng)復(fù)合材料試樣)的拉伸強(qiáng)度為98.19 MPa，與1號(hào)試樣(長(zhǎng)纖維粒料L11增強(qiáng)復(fù)合材料試樣)的96.23 MPa相比，并未下降反而略微上升。由圖2可見(jiàn)，試樣的拉伸模量隨著S3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸提高，但2號(hào)和3號(hào)試樣的拉伸模量比1號(hào)試樣有所下降，這是短纖維粒料的增強(qiáng)作用不如長(zhǎng)纖維粒料的結(jié)果。

圖1 試樣拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖2 試樣拉伸模量測(cè)試結(jié)果

圖3 試樣彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.2三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖3所示為試樣的彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)彎曲強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與拉伸強(qiáng)度一致。值得注意的是，同樣當(dāng)S3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，即2號(hào)試樣的彎曲強(qiáng)度為173.00 MPa，略高于1號(hào)試樣。

2.4單懸梁沖擊試驗(yàn)結(jié)果

試樣的沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。隨著S3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，試樣的沖擊強(qiáng)度減?。划?dāng)S3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，也就是2號(hào)試樣保持了較高的沖擊強(qiáng)度，并未明顯下降。

圖4 試樣沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

上述試驗(yàn)證明，隨著長(zhǎng)纖維粒料L11中短纖維粒料S3的混合比例增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)弱化；但是當(dāng)S3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，所得復(fù)合材料的力學(xué)性能能夠保持與長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料同樣的水平，甚至略優(yōu)于長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

2.5纖維取向測(cè)試結(jié)果

如上所述，2號(hào)試樣的拉伸性能、彎曲強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度并沒(méi)有因?yàn)槎汤w維粒料S3的混入而降低，這可能是因?yàn)榛烊胭|(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的短纖維粒料對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部的纖維排列起到了積極作用。因此，對(duì)1號(hào)和2號(hào)試樣的厚度中心的同一位置進(jìn)行X-ray CT掃描，結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5可見(jiàn)，1號(hào)試樣內(nèi)部的纖維存在卷曲、纏繞等現(xiàn)象。由圖6可見(jiàn)，2號(hào)試樣內(nèi)部的纖維沿機(jī)器喂入方向(即樹(shù)脂流動(dòng)方向)的排列有所改善。對(duì)7號(hào)試樣(即短纖維粒料S3增強(qiáng)復(fù)合材料試樣)進(jìn)行厚度方向的全面掃描，如圖7所示，可以看到其內(nèi)部纖維長(zhǎng)度明顯短于1號(hào)和2號(hào)試樣，但是纖維都沿著樹(shù)脂流動(dòng)方向排列。這可以解釋混入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的S3后，所得2號(hào)試樣的拉伸性能、彎曲強(qiáng)度并未下降反而略有上升的現(xiàn)象。由此推測(cè)，在長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中混入少量(如質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)的短纖維粒料，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有積極作用。

圖5 1號(hào)試樣的X-ray CT掃描圖

圖6 2號(hào)試樣的X-ray CT掃描圖

(a) 距離表面0.10 mm處 (b) 距離表面0.30 mm處

(c) 距離表面0.50 mm處 (d) 距離表面0.70 mm處

(e) 距離表面0.90 mm處 (f) 距離表面1.10 mm處

(g) 距離表面1.30 mm處 (h) 距離表面1.50 mm處

(i) 距離表面1.70 mm處 (j) 距離表面1.90 mm處

3 結(jié)論

隨著短纖維粒料S3的混合比例的增加，長(zhǎng)/短纖維粒料混合增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而拉伸模量呈上升趨勢(shì)；當(dāng)L11和S3的混合質(zhì)量比為90%∶10%時(shí)，所得長(zhǎng)/短纖維粒料混合增強(qiáng)試樣的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都略高于長(zhǎng)纖維粒料L11增強(qiáng)復(fù)合材料試樣，且其沖擊強(qiáng)度維持較高的水平。

由1號(hào)、2號(hào)試樣的X-ray CT掃描結(jié)果可知，2號(hào)試樣內(nèi)部的纖維排列和取向情況有明顯的改善。由此推測(cè)，在長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中混入少量(如質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)短纖維粒料會(huì)改善復(fù)合材料內(nèi)部的纖維取向，并對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有積極作用。

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Fabrication of glass fiber reinforced polypropylene composites with hibrid pellets of different lengths and types

YangYuqiu1，2，MaoKai3，4，HiroyukiHamada3，NobuyoshiKajioka5，IsseiHarima5

1. Collge of Textiles，Donghua University， Shanghai 201620， China；2. Key Laboratory of Textile Science & Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China；3. Kyoto Institute of Technology， Kyoto 6006-8585， Japan；4. H&A Technology and Service (Shanghai) Center， Shanghai 201620， China；5.DaikyoNishikawa Corporation， Hiroshima 736-0084， Japan

Short fiber pellet with a length of 3.00 mm (S3) and long fiber pellet with a length of 11.00 mm (L11)， were used to fabricate glass fiber reinforced polypropylene composites. The composites were subjected to the tensile， bending and impacting test. The fiber orientation in the composites was observed by the X-ray CT scanning， and the influence of glass fiber’s length and array on the mechanical properties of the glass fiber reinforced polypropylene composites was studied. When the weigth ratio of L11 and S3 was at 90%∶10%， the sample’s tensile strength and flexural strength were slightly higher than that of the sample made by L11; moreover， its impact strength maintained a relatively higher lever， and its fiber orientation was also obviously improved. It was speculated that by mixing a small content (such as mass fraction of 10%) of short fiber pellet into the long fiber pellet， the fiber orientation of the composites would be improved and there was a positive effect on the strength of the composites.

lightweight of automible， hybrid， long fiber pellet， short fiber pellet， fiber orientation， X-ray CT scan， hybrid

TB332

A

1004-7093(2017)08-0021-05