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        碳纖維自行車用硼酸鎂晶須聚丙烯復(fù)合材料的性能研究

        2020-06-22 07:23:20
        合成材料老化與應(yīng)用 2020年3期
        關(guān)鍵詞:晶須偶聯(lián)劑硼酸

        定 茜

        (西安醫(yī)學(xué)院,陜西西安710021)

        近代以來,復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能被廣泛地應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空、航天、醫(yī)療、化工、機(jī)械制造等領(lǐng)域[1]。在汽車工業(yè)領(lǐng)域,復(fù)合材料可以用來制造發(fā)動機(jī)架、汽車車身、傳動軸、受力構(gòu)件等。在航空航天領(lǐng)域,復(fù)合材料可以用來制造航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的殼體、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、飛機(jī)機(jī)翼和前機(jī)身、發(fā)動機(jī)殼體等。此外,復(fù)合材料還可以用來制造體育運動器件,如碳纖維自行車材質(zhì)、跳高用橫桿等并且可以作為建筑材料應(yīng)用于建筑領(lǐng)域[2]。

        1 實驗試劑與儀器

        1.1 實驗試劑

        硼酸鎂晶須,聚丙烯,尼龍6,二甲基亞砜,丙酮(分析純),偶氮二異丁腈(AIBN),硼酸酯偶聯(lián)劑BE-1,自制硼酸酯偶聯(lián)劑BE-2,自制硼酸酯偶聯(lián)劑SPE-1,硼酸酯偶聯(lián)劑SB-181,無水乙醇(分析純),甲苯(分析純),蒸餾水自制過氧化苯甲酰(BPO),無水乙醇(分析純)[3]。

        1.2 實驗儀器

        JPT-5托盤天平,F(xiàn)A2104N電子天平,WQF-520紅外光譜儀,TE-20型雙螺桿擠出機(jī),JHP-10型注塑機(jī),XBJJ計算機(jī)控制擺錘沖擊試驗機(jī),SCS200智能切粒機(jī),JSM-7500F型掃描電子顯微鏡,DHT攪拌恒溫電熱套,SHB-III(A)型循環(huán)水多用真空泵,ZWK1302-2型熱變形溫度測定儀,DZ-1A型真空干燥箱,KQ-B超聲清洗器,WSM-20KN微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)[4]。

        2 實驗方法

        2.1 硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的制備

        以聚丙烯(PP)為基體,以硼酸鎂晶須為增強(qiáng)材料,制備硼酸鎂晶須復(fù)合材料。按照硼酸鎂晶須含量分別為20%、25%、30%和35%的配比,以硼酸鎂晶須(未改性的和經(jīng)過改性的)為填充料,與聚丙烯(PP)混合,在適當(dāng)?shù)臏囟群娃D(zhuǎn)速下在雙螺桿擠出機(jī)中擠出,通過水槽冷卻[5],然后在切粒機(jī)上造粒,造出的粒子經(jīng)過烘干,再由注塑機(jī)注射樣條,制取以供測試的標(biāo)準(zhǔn)樣條。

        2.2 復(fù)合材料性能的測試

        (1)拉伸性能測試

        采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040-92進(jìn)行拉伸性能測試。樣品總長度(L)是180mm,中間平行段的長度(L1)是(55±0.5)mm,標(biāo)距(L0)是(50±0.5)mm,夾具間距離(L3)是(115+5)mm,中間平行段的寬度(b)是(10±0.5)mm,端頭厚度(d)是2~10mm,寬度(b1)是(20±0.5mm),所制備的試樣如圖1所示[6]。

        圖 1 試樣拉伸圖Fig. 1 The tensile diagram of sample

        (2)沖擊性能的測試

        采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T1043-93進(jìn)行沖擊性能測試。所用試樣條的尺寸是80mm×10mm×4mm。試樣的寬度(b)是板的厚度,厚度是6~10mm,所制備的試樣如圖2所示[7]。

        圖2 沖擊試樣圖Fig. 2 The impact of sample diagram

        (3)彎曲性能測試

        采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9341-2000進(jìn)行彎曲性能測試。采用三點彎曲法,彎曲規(guī)定撓度是3mm,彎曲速度是2mm/min。

        (4)熱變形溫度測試

        熱變形溫度按GB/T 1634.2-2004進(jìn)行測試。變形量為1.00mm,升溫速率50℃/h,上限溫度<350℃。

        (5)復(fù)合材料形貌表征

        本實驗利用掃描電鏡,觀察材料中硼酸鎂晶須和聚合物基體之間的界面結(jié)合情況。掃描電鏡型號為日本JEOL公司生產(chǎn)的JSM-7500F型掃描電子顯微鏡[9],配備EDAX-EDS,工作電壓為10kV,工作距離為7mm,分辨率為1nm。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 硼酸鎂晶須含量對拉伸強(qiáng)度的影響

        圖3為硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響。由圖3可見,三種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度都呈先增加后減小的趨勢,當(dāng)硼酸鎂晶須填充量為30%時,拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值[8]。BE-1改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度比純聚丙烯提高了29.5%,比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料提高了9.1%;BE-2改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度比純聚丙烯提高了35.2%,比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料提高了13.8%。

        圖3 硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig. 3 The effect of magnesium borate whisker content on tensile strength of polypropylene composites

        3.2 硼酸鎂晶須含量對試樣彎曲強(qiáng)度的影響

        圖4 為硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響。由圖4可以看出,當(dāng)表面處理的硼酸鎂晶須含量增加時,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度均有明顯增加,在硼酸鎂晶須含量達(dá)到30%時有最大值出現(xiàn)[9],BE-1改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度比純聚丙烯提高了40.0%,比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料提高了23.5%;BE-2改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度比純聚丙烯提高了44.4%,比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料提高了27.5%。

        圖4 硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響Fig. 4 The effect of magnesium borate whisker content on bending strength of polypropylene composites

        3.3 硼酸鎂晶須含量對試樣沖擊強(qiáng)度的影響

        圖5 為硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響。由圖5看出,隨著硼酸鎂晶須用量的增加,材料的沖擊強(qiáng)度呈下降趨勢。這一變化趨勢符合晶須增強(qiáng)熱塑性塑料改性的一般原理。由于作為分散相的硼酸鎂晶須是剛性的,當(dāng)受到?jīng)_擊力作用時無法發(fā)生形變,也不能產(chǎn)生銀紋吸收沖擊能[10]。因為硼酸鎂晶須的剛性效應(yīng)強(qiáng)于聚丙烯的韌性效應(yīng),所以會使復(fù)合材料的脆性提高,沖擊性能下降。在受到外力作用時,裂紋容易擴(kuò)散到界面上,進(jìn)而透過脆性的硼酸鎂晶須。這種情況下,應(yīng)該增強(qiáng)硼酸鎂晶須與基體界面的結(jié)合程度。由圖5還可以看出,經(jīng)過表面改性的硼酸鎂晶須所制備的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度明顯優(yōu)于未改性的硼酸鎂晶須。這是因為前者能夠與聚丙烯基體結(jié)合緊密,減小了無機(jī)填料造成的沖擊性能下降的程度,但該種聚丙烯復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度要低于純聚丙烯[11]。

        圖5 硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響Fig. 5 The effect of magnesium borate whisker content on impact strength of polypropylene composites

        3.4 硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析

        圖6 為BE-2改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的SEM圖(晶須含量為30%)。從圖6中可以看出,硼酸鎂晶須在聚丙烯基體中有良好的分散,硼酸鎂晶須與聚丙烯界面結(jié)合緊密。說明硼酸鎂晶須經(jīng)硼酸酯偶聯(lián)劑BE-2處理后能夠被聚丙烯基體浸潤,使得硼酸鎂晶須與聚丙烯基體間有良好的界面層,可以充分發(fā)揮硼酸鎂晶須的增強(qiáng)作用,有助于改善硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的性能。

        圖 6 硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的SEM圖(晶須含量30%)Fig. 6 The SEM diagram of magnesium borate whisker /polypropylene composite (30% of whisker content)

        4 結(jié)論

        硼酸酯類偶聯(lián)劑的偶聯(lián)劑在改性硼酸鎂晶須上具有較好的改性效果,同時PP/Mg-BE-1和PP/Mg-BE-2復(fù)合材料的力學(xué)性能大大優(yōu)于PP/Mg,PP/Mg-SPE-1和PP/Mg-SB-181復(fù)合材料的力學(xué)性能。隨著硼酸鎂晶須含量的增加,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度逐漸增大,在晶須含量為30%時達(dá)到最大值。當(dāng)硼酸鎂晶須含量為30%時,硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的綜合性能最佳,符合體育用碳纖維自行車材質(zhì)要求。

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