連續玻纖增強聚烯烴預浸帶的力學(xué)性能

第27卷第5期山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol.27 No .52013年9月Journal of Shandong U niversity of T echnology (N atural Science Edition )Sep. 2013文章編號:1672- -6197(2013 )05- 0001-04連續玻纖增強聚烯烴預浸帶的力學(xué)性能劉雪靜，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 )摘要:分別以五種聚烯烴樹(shù)脂為基體,采用自行設計的浸漬模具制備了連續玻璃纖維增強聚烯烴預浸帶,并采用熱模壓機將預浸帶壓制成相應的板材.研究了五種基體樹(shù)脂、纖維含量、纖維分布對復合材料力學(xué)性能的影響.結果表明,加入玻纖后復合材料的拉伸強度、彎曲強度大幅度提高,纖維分布對材料的彎曲性能影響較大;纖維含量0~ - 70%范圍內,隨纖維用量的增加,復合材料的力學(xué)性能提高;在70%~75%范圍內,復合材料的力學(xué)性能隨纖維含量的增加而降低.動(dòng)態(tài)力學(xué)分析表明,加入纖維后明顯提高了復合材料的抗形變能力.關(guān)鍵詞:連續纖維增強;玻璃纖維;浸漬帶;力學(xué)性能中圖分類(lèi)號: TQ327.1文獻標志碼: AMechanical properties of continuous glass fiber reinforcedpolyolefin prepreg tapesLIU Xue-jing, TAN Hong-sheng, LI Li-ping, TAN Zhe-xing(School of M aterials Science and Engineering，Shandong U niversity of Technology，Zibo 255091 ，China )Abstract: Five kinds of polyolefin resins were used as matrix ，the continuous glass fiber rein-forced polyolefin prepreg tapes were prepared by a self -designed impregnation mold and theprepreg tapes w ere pressed into the corresponding plate using a hot stamping press . The influ-ences of five kinds of polyolefin，fiber content and fiber distribution on mechanical properties ofcomposites w ere studied . The results show that the tensile and flexural strengths increase obvi-ously with the addition of the glass fibers，and the influence of fiber distribution on flexural prop-erty of the composites w as more obviously than that of other property . In the range of 0~ 70%，the mechanical properties of the composites increased with the increase of the fiber content . Inthe range of 70% ~ 75% ，the mechanical properties of the composites decreased with the increaseof the fiber content . The result of dy namic mechanical behavior shows that the deformation re-sistance of the composites enhanced evidently with the increase of the glass fiber content .Key words: continuous fiber reinforced ; glass fiber ; prepreg tape ; mechanical properties70年代之前熱固性樹(shù)脂基復合材料主要應用性樹(shù)脂基復合材料以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求.熱塑性樹(shù)脂基于軍工產(chǎn)品,在較長(cháng)一段時(shí)間內,連續纖維增強熱固復合材料具有特定溫度范圍內反復加熱熔融、冷卻性塑料應用于工業(yè)領(lǐng)域,如管道、罐體等.70年代后硬化如工成刑方便機械性能好等特點(diǎn),被廣泛應開(kāi)始轉向民用,但此材料的主要缺點(diǎn)是使用后不易用于Y片中國煤化工論,短玻纖增強聚烯烴回收利用2-2] ,為克服此缺點(diǎn),人們開(kāi)發(fā)出幾種熱塑熱塑. CNMHGi ,并廣泛應用于汽車(chē)、收稿日期: 2013 -07 - 24基金項目:山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2011EM M012)作者簡(jiǎn)介:劉雪靜,女,liuxuejing I@ 163.com ;通信作者:譚洪生,男,hshengtan@ 163 .com2山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2013年建筑、化工、包裝、電力、運輸等領(lǐng)域50].連續/長(cháng)玻纖增強的復合材料由于具有更加優(yōu)異的性能,能滿(mǎn)足許多實(shí)際應用對材料性能的要求,成為研究和應用的熱點(diǎn)1011,而國內有關(guān)連續玻璃纖維增強聚烯烴預浸帶復合材料的研究報道較少.筆者采用熔融浸漬工藝制備出連續纖維增強聚烯烴預浸帶,研究了樹(shù)脂基體與纖維含量對復合材料力學(xué)性能的影響,并通過(guò)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.圖1兩層浸漬帶壓制復合材料板材示意圖!1實(shí)驗部分其余按GB/T 1447- -2005進(jìn)行測試;彎曲強度:試樣尺寸為50mm X 12 .5mm X1.1 原材料2mm ,其余按GB/T 9341 - -2006進(jìn)行測試;高密度聚乙烯(HDPE)(PE A ),牌號:DCDA .動(dòng)態(tài)力學(xué)行為測試:儀器為Q800型,美國TA2911 ,熔體質(zhì)量流動(dòng)速率M FR為20g /min; HDPE公司;測試條件為振動(dòng)頻率和振幅分別為1Hz和(PE B) ,牌號:DGDB 2480 ,M FR為0.1g /min ;低密20μm,升溫速率為5°C/min,溫度范圍為一140~度聚乙烯(LLDPE)(PE C),牌號: DFDA 7042,120C ,高純氮氣氛.測試樣條的尺寸為:35mm XMFR為1.9g/min ;抗沖共聚聚丙烯(IPC)(PP A): 10mmX 2mm .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);2結果與討論PP :牌號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;2.1基體樹(shù)脂對 力學(xué)性能的影響馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH):PP-G .由圖2看出,不同樹(shù)脂制備的浸漬帶拉伸強度-1 ;馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯(PE一g - MAH):PE-G不同.由于不同樹(shù)脂的流動(dòng)性不同其與玻璃纖維的-1 ,均為南京德巴化工有限公司生產(chǎn);浸漬效果也不相同.對于純樹(shù)脂基體PP(B)、 PPGF :HY BON 6000 ,中材金晶玻纖有限公司.(A )、PE(B)、PE(C )來(lái)說(shuō),其拉伸強度PP(B)> PP1.2 材料制備(A ),PE(B)> PE(C),但由于PP(A )、PE(C )的熔1.2.1預浸帶制備體流動(dòng)速率較低,故在擠出過(guò)程中與纖維的浸漬效將玻璃纖維穿人與單螺桿擠出機連接的熔融浸果較差.因此,樹(shù)脂與纖維間浸漬效果越好,界面黏漬模具中,聚烯烴樹(shù)脂經(jīng)單螺桿擠出機擠出,經(jīng)擠出結強度越高,在拉伸過(guò)程中纖維拔出或拉斷所需要機的進(jìn)料口進(jìn)人到模具中,并沿模具芯套和套管之400”預浸帶■纖維一維分布間的狹縫通道流人,與穿入狹縫中的玻璃纖維匯合，■纖維二維分布其后一同沿此狹縫流道前進(jìn),被樹(shù)脂浸漬的玻璃纖300維經(jīng)由口模成型-21 ,然后經(jīng)壓延機、牽引機牽引,通過(guò)調節轉矩流變儀的輸出速度和牽引機的速度來(lái)控制預浸帶復合材料中纖維的含量，從而制得連續玻熱200璃纖維增強聚烯烴預浸帶復合材料.1.2.2試樣制備100中國煤化工將制備的預浸帶復合材料自然冷卻后經(jīng)熱模壓機分兩層垂直排列壓制成板材(如圖1),其尺寸為150mmMHCNMHG0X 100mmX2mm ,模壓溫度為220°C ,壓力為15MPa.模PE(A) PP(B)PP(A) PE(C)PE(B)壓成型的片材再使用萬(wàn)能制樣機制取樣條.不同樹(shù)脂基復合材料1.3 分析測試圖2基體樹(shù)脂對復合材料拉伸強度的影響拉伸強度:試樣尺寸為150mmX 15mm X 2mm，第5期劉雪靜,等:連續玻纖增強聚烯烴預浸帶的力學(xué)性能3消耗的能量越多,從而使復合材料的抗拉強度越高;基體樹(shù)脂減少,使得纖維和基體之間的浸漬效果變反之，復合材料的抗拉強度越低.差,兩者之間的黏結性減弱,界面強度降低.另一方從圖2還可看出,將預浸帶通過(guò)熱模壓機壓片面隨纖維含量的增加,基體中晶體含量降低,此時(shí)大制成的樣條與預浸帶樣條的拉伸強度相比較低,這量的玻璃纖維相互重疊、接觸,影響了基體樹(shù)脂的相是因為纖維在壓片過(guò)程中的排布方向不同其拉伸強連續性 ,從而使復合材料的力學(xué)性能降低[1315] .度也不同,相同質(zhì)量的復合材料,壓片過(guò)程中纖維縱橫垂直分布時(shí),沿拉伸力方向的纖維數量減少,抗拉390能力降低;與拉伸力垂直方向的纖維在拉伸過(guò)程中起不到承載的作用.因此,二維垂直方向分布的復合360材料比一維單向方向分布的抗拉強度低.由圖3可以看出,加入纖維后材料的彎曲強度330大幅度提高.所用樹(shù)脂基體均為聚烯烴,其拉伸和彎曲性能較低;加入纖維后,纖維與基體黏結在一起形國300-0-成有效的界面層,在彎曲過(guò)程中基體通過(guò)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270用,故彎曲強度明顯提高.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度;纖維556(6570纖維含量/%縱橫垂直分布時(shí),與壓頭平行的纖維在彎曲過(guò)程中不起作用,承載的纖維數量降低,故彎曲強度較低.圖4纖維含量對預浸帶拉伸強度的影響在玻璃纖維增強聚烯烴預浸帶的制備過(guò)程中,存在纖維分散不均,纖維與基體界面黏結性差的問(wèn)題,有圖5是基體樹(shù)脂為PE(A )的預浸帶復合材料待進(jìn)- -步改進(jìn).彎曲強度隨纖維含量的變化纖維含量為70%時(shí)彎曲強度最高.70%以下,隨纖維含量的增加,基體與400純料■纖維一維分布■纖維二維分布.纖維的接觸面積增大,黏結性增強,此時(shí)使纖維脫黏需要更多的能量;纖維在復合材料中起骨架的作用，300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,浸漬效果變蘭200差,降低材料的彎曲性能,故彎曲強度低.趙600 r魚(yú)印100|540PE(A) PP(B) PP(A)PE(C)PE(B)0一-o~ 一。480不同樹(shù)脂基復合材料圖3基體樹(shù)脂對復合材料彎曲強度的影響都4202.2纖維 含量對力學(xué)性能的影響中國煤化工圖4是基體樹(shù)脂為PE(A)的復合材料其纖維.含量(質(zhì)量百分數)不同時(shí)預浸帶拉伸強度的變化.YHCNMHG70 75可以看出,纖維含量為70%時(shí)拉伸強度達到最大值,70%以下隨纖維含量的增加，,拉伸過(guò)程中斷裂和圖5纖維含量對預浸帶彎曲強度的影響拔出的纖維數量增加,消耗更多的能量,故隨纖維含量增加拉伸強度提高;70%以上隨纖維含量的增加4山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2013年2.3動(dòng)態(tài)力學(xué)行為0.06圖6為纖維含量不同的預浸帶復合材料的儲能模量隨溫度的變化曲線(xiàn).儲能模量是表征聚合物熔0.05體黏彈性的重要參數,表征熔體變形過(guò)程中存儲的能量.從圖中可以看出純PE熔體的儲能模量較低，加入纖維后預浸帶復合材料的儲能模量有較大幅度0.04 t的提高.這主要是因為加入玻璃纖維后,纖維能較好的增強樹(shù)脂基體,提高了材料的剛性,使得復合材料0.03 t純2911的模量增加,同時(shí)樹(shù)脂分子的運動(dòng)受阻,使得材料的內耗減少，從而提高了復合材料的抗形變能力.由于0.02纖維增強的聚合物基復合材料儲能模量具有加和性,復合材料的儲能模量隨纖維含量的增加而提高，-140-120 -100纖維的用量越高,預浸帶復合材料的儲能模量就越溫度/C大[16.17]圖7損耗因子 tanδ與溫度的關(guān)系18000時(shí),復合材料的拉伸強度、彎曲強度達到最大值,其14400纖維70%后隨纖維含量的增加復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,纖維一10800維單向分布時(shí)，復合材料的拉伸、彎曲強度最高;纖維縱橫垂直分布時(shí),復合材料的拉伸、彎曲強度較單纖維55%收7200向分布時(shí)低.纖維縱橫垂直分布時(shí),與彎曲實(shí)驗簡(jiǎn)支梁兩支點(diǎn)連線(xiàn)垂直的纖維在彎曲過(guò)程中不起承載作3600用,故纖維的分布方向對彎曲性能影響較大.PE(A)3 )玻璃纖維增強聚烯烴預浸帶復合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為分析表明,加入玻纖后復合材料的儲能模-120-6060 120量大幅度提高,預示著(zhù)材料的抗形變能力明顯增強;隨玻纖含量的增加,材料的損耗因子降低,玻璃化轉變溫度升高;纖維含量為70%時(shí),幾乎無(wú)玻璃化轉圖6PE(A)及其復合材料的儲能模量與溫度的關(guān)系變.圖7為纖維含量不同的預浸帶復合材料的損耗因參考文獻:[1]Hao Y s, LiuF C,Shi H W。The influence of ultra fine glass子隨溫度的變化曲線(xiàn).從圖中可以看出純2911在-fibers on the mechanical and anticorrosion properties of epoxy100°C左右存在一個(gè)凸峰,表明基體已發(fā)生無(wú)定形的玻coatings[J]. Prog Org Coat, 2011 , 2(17):188-197 .璃化轉變,此峰為純聚乙烯的玻璃化轉變溫度.加入纖[2]蘇航,鄭水蓉,孫曼靈,等.纖維增強環(huán)氧樹(shù)脂基復合材料的研究維后,復合材料的玻璃化轉變溫度升高,這是因為纖維進(jìn)展[J].熱固性樹(shù)脂, 2011, 26(4): 54-57.的加入使得基體的含量降低從而使非晶部分的含量降[3]崔峰波,曹?chē)鴺s.玻璃纖維增強聚丙烯的性能研究[J].玻璃纖維，2011(1): 9-11.低;隨纖維含量的增加復合材料基體中非晶部分的含[4]咸貴軍,益小蘇,盧曉林,等.長(cháng)玻璃纖維/聚丙烯復合材料粒料量減少,故在圖中纖維含量為55%時(shí)存在小的凸峰,纖注塑制品的拉伸強度[J].復合材料學(xué)報，2001. 18<2): 41-45.維含量為70%時(shí)幾乎無(wú)玻璃化轉變.[5]中國煤化工杠用抗沖共聚聚丙烯發(fā)展概YHC N M H G(5): 58-62.3結論6]段任華,付伴,陳么,寺.長(cháng)坡鍋針維增強聚丙烯[J].高分子材料科學(xué)與工程，2010, 26(4); 124-129.[7]DuanS H，Fu X，Chen X，et al. Long glass fiber reinforced1 )玻璃纖維的加入可以大幅度的提高復合材料polypropylene[J]. Poly mer M aterials Science And Engineering，的拉伸強度、彎曲強度.當玻璃纖維的含量為70%2010, 26(4): 124-129.(下轉第9頁(yè))第5期徐汶東,等:兩種復合Cole-Cole模型的頻譜差異研究與分析[10] Dias C A，Developments in a model to describe low -frequency究[J] .浙江大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版，,2006 ,33<5); 584-587 .electrical polarization of rocks [J ]. 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