亞麻纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料板材的研究
1 引言
天然纖維具有生長(zhǎng)周期短,可生物降解,質(zhì)輕價(jià)廉及密度小等特點(diǎn)。目前麻、竹類纖維已大量用作木材、玻璃纖維的替代品,增強(qiáng)聚合物其體。亞麻纖維主要產(chǎn)于我國北方,資源豐富,價(jià)格低廉。作為增強(qiáng)材料,其密度較完稅纖維小,而模量和拉伸強(qiáng)度與無機(jī)纖維相近;生長(zhǎng)周期短,加工成本低,并且具有生物可降解性和可再生性,對(duì)環(huán)境無污染,適合作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體。同時(shí)亞麻纖維復(fù)合材料可以廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、裝演等領(lǐng)域,具有廣闊的發(fā)展前景。
本文選用兩種亞麻纖維即經(jīng)漂白處理的亞麻纖維及未處理亞麻纖維作為原料,采用針刺的方法在同樣針刺條件下制備出亞麻針刺氈,與不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂復(fù)合制備出不同的復(fù)合材料板材。通過測(cè)試其力學(xué)性能,進(jìn)行掃描電鏡分析,比較不同增強(qiáng)體和基體構(gòu)成的復(fù)合材料的力學(xué)性能,并進(jìn)一步闡述破壞機(jī)理。
2 試驗(yàn)
2.1 亞麻氈的制備
未處理亞麻纖維及漂白麻纖維加 5%的和毛水經(jīng)24h燜麻后,進(jìn)行開松、梳理成網(wǎng)。鋪網(wǎng)方式采用定重平行鋪網(wǎng),定重在l000g/m2左右。針刺方向與鋪網(wǎng)方向一致。針刺密度約為35刺/cm2。表1為亞麻針刺氈的具體工藝參數(shù)。具體實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。
表1 亞麻針刺氈工藝參數(shù)
定量/g·m-2 氈厚/mm
漂白麻 1# 1202.19 5.65
2# 1185.98 6.95
未漂麻 3# 897.18 4.89
表2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案
纖維氈 不飽和聚酯樹脂 環(huán)氧樹脂
未漂麻針刺氈 3# -
漂白麻針刺氈 2# 1#2.2 聚酯復(fù)合材料板材的制備
利用真空輔助樹脂傳遞模塑法(VARTM)進(jìn)行亞麻針刺氈/聚酯復(fù)合材料的制備。真空輔助成型工藝只需一個(gè)單面的剛性模具,是一種新型的低成本的復(fù)合材料制件的成型技術(shù)。它是在真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體,利用樹脂的流動(dòng)、滲透,實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維及其織物的浸漬,并在室溫下進(jìn)行固化,形成一定樹脂/纖維比例的工藝方法。 VARTM方法需要控制樹脂體系的粘度、反應(yīng)時(shí)間及輔助樹脂反應(yīng)的加熱時(shí)間和加熱的均勻性。實(shí)驗(yàn)所用的樹脂配方如表3所示。
表3 樹脂配方(室溫下)
組分 不飽和196s 過氧化甲乙銅 環(huán)烷酸鈷
重量/g 100 1.2 1.5
試驗(yàn)流程為:準(zhǔn)備原料→清理模具→鋪放脫脂膜、亞麻針刺氈→封裝→抽真空、調(diào)配樹脂→樹脂吸注→固化→板材修整。分別制備未漂麻及漂白麻/聚酯復(fù)合材料板以供測(cè)試分析之用。
2.3 環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料板的制備
由于環(huán)氧樹脂高溫固化的特點(diǎn),采用模壓法制作漂白麻刺氈/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板,要確保在樹脂粘度最低時(shí)施加壓力,此時(shí)樹脂流動(dòng)性好,有利于纖維氈中的氣泡被流動(dòng)的樹脂帶出,使樹脂在纖維氈中均勻地滲透。溫度也是關(guān)鍵因素,模壓溫度不能使樹脂基體的固化反應(yīng)過于激烈而導(dǎo)致溫度驟變,尤其不能造成局部反應(yīng)以免發(fā)生副反應(yīng)。
模壓使用YTD71-45A型塑料制品液壓機(jī)。實(shí)驗(yàn)過程為:室溫下手糊浸潤(rùn)纖維氈→放入壓機(jī),零壓下60℃溫度保持1h℃→升溫至80℃,壓力5MPa, 30min→升溫至120℃,壓力5MPa,2h→繼續(xù)升溫至150℃,壓力5MPa, 30min→自然冷卻后脫膜。模壓溫度變化如圖1所示。所用環(huán)氧樹脂體系配方見表4。
圖1 模壓溫度變化
表4 環(huán)氧樹脂體系配方
組分 環(huán)氧618(E51) 鄰苯二甲酸二丁酯 乙二胺
重量/g 100 10 8
3 測(cè)試結(jié)果與討論
3.1 拉伸性能測(cè)試
參照GB1447-83拉伸性能實(shí)驗(yàn)方法,在島津AG-250KNE萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了板材的拉伸性能測(cè)試。試樣規(guī)格為200×25mm,厚度為3.00-5.40mm,夾持距離為100mm,加載速度為2mm/min。拉伸方向?yàn)槠叫杏卺槾虤咒伨W(wǎng)方向(縱向)和垂直于針刺氈鋪網(wǎng)方向(橫向)。測(cè)試得到的典型載荷-位移曲線如圖2.3所示。
圖2 板材縱向拉伸載荷-位移
圖3 板材橫向拉伸載荷-位移
從圖2,3中可以看出,漂白麻作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料板材拉伸性能好于未漂麻復(fù)合材料板材。這說明亞麻纖維經(jīng)過堿處理后,進(jìn)一步去除果膠,纖維表面結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化,且多以單纖狀態(tài)存在,增加了與樹脂結(jié)合的機(jī)率,提高了復(fù)合材料板材的整體性,從而增強(qiáng)了板材的承載能力。圖2,3中的3號(hào)曲線即漂白麻/聚酯板材在發(fā)生斷裂時(shí),位移最大,說明其斷裂伸長(zhǎng)較大。圖中還可以看出曲線初始直線段幾乎重合。這說明各板材所表現(xiàn)出的彈性力學(xué)行為較接近。圖3中,2號(hào)曲線即漂白麻/環(huán)氧板材的強(qiáng)力明顯大于其它兩種,即漂白麻/環(huán)氧樹脂的橫向拉伸優(yōu)于其它兩種。
3.2 彎曲性能測(cè)試
參照 GB1449-83彎曲性能測(cè)試方法,在島津AG-25KNE萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了板材的彎曲性能測(cè)試。測(cè)試方法為三點(diǎn)彎曲,試樣規(guī)格為80×15mm,厚度大于3mm,跨距取為60mm,加載速度為2mm/min。與拉伸測(cè)試相同,分別在縱、橫兩向進(jìn)行彎曲測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見圖4,5。
圖4 板材縱向彎曲載荷-位移
圖4給出了不同工藝的板材縱向拉伸的載荷-移位曲線。從板材縱向彎曲載荷-移位曲線圖可以看出,漂白麻/環(huán)氧樹脂板材的斷裂載荷最大;未漂麻/聚酯板材的斷裂載荷最小。與拉伸性能相似,漂白麻/聚酯板材的強(qiáng)力值居中。
圖5 板材橫向彎曲載荷-位移
圖5是相同的漂白麻與不飽和聚酯及環(huán)氧樹脂復(fù)合形成的板材在彎曲測(cè)試中的載荷-位移曲線。從圖5中可以看出漂白麻/環(huán)氧樹脂板材(曲線1)的最大彎曲載荷運(yùn)大于漂白麻/聚酯板材(曲線2)的最大彎曲載荷,曲線1初始直線段斜率較大,基本呈線性增加;曲線比較平緩斷裂位移較大。二者的差異主要是由于樹脂的差異及板材的制備方法所造成的。首先環(huán)氧樹脂本身的拉伸以及彎曲強(qiáng)度高于不飽和聚酯樹脂;其次亞麻與環(huán)氧樹脂的結(jié)合性較好,使其形成的復(fù)合材料板材力學(xué)性能好于亞麻/聚酯板材的力學(xué)性能。
4 板材拉伸斷口分析
復(fù)合材料的力學(xué)性能不僅取決于增強(qiáng)體的性能,還取決于兩種基體界面的結(jié)合情況。采用亞麻纖維針刺氈增強(qiáng)熱固性樹脂所得到的復(fù)合材料不同于勻質(zhì)的金屬、塑料等。從微觀上看,這種復(fù)合材料本身結(jié)構(gòu)就是復(fù)雜的,其骨架是亞麻纖維,基體是樹脂固化后形成的塑料。前者是纖維素纖維材料,后者是高分子材料。兩者在力學(xué)、熱學(xué)化學(xué)等性質(zhì)方面差異很大。由此而形成的結(jié)構(gòu),其最終性能取決于兩種材料自身及兩者之問的表面粘結(jié)狀態(tài)。本文分析了亞麻纖維復(fù)合材料板材的微觀結(jié)構(gòu)。
圖6,7分別以漂白麻/聚酯復(fù)合材料及漂白麻/環(huán)氧復(fù)合材料拉伸斷面形貌。從圖中發(fā)現(xiàn),纖維拔出了數(shù)量較多,但以環(huán)氧樹脂為基體的斷面上的樹脂與纖維脫粘的痕跡輕微,樹脂有明顯的拉伸狀。從圖6可以看出,亞麻纖維表現(xiàn)粘有顆粒狀不飽和樹脂,樹脂與纖維結(jié)合不夠牢固,拉伸斷裂過程中有樹脂的粉碎顆粒。圖7中樹脂表面較光滑,以層片狀包圍在亞麻纖維周圍,有韌性破壞的痕跡。
圖6 漂白麻/聚酯樹脂拉伸斷面
圖7 漂白麻/環(huán)氧樹酯拉伸斷面
圖8-10為不同亞麻纖維及樹脂的復(fù)合材料拉伸斷口形貌。從圖中的纖維斷面均可清楚地看到亞麻纖維橫截面細(xì)胞壁中的層狀輪紋形結(jié)構(gòu)及纖維與樹脂界面結(jié)合的微觀結(jié)構(gòu)。從圖8未漂麻/聚酯復(fù)合材料板拉伸斷口形貌可以看到亞麻纖維與樹脂結(jié)合處有縫隙,纖維周圍的樹脂斷面有撕裂的痕跡。
圖8 未漂麻/聚酯復(fù)合材料極拉伸斷口
圖9 漂白麻/聚酯復(fù)合材料板拉伸斷口
圖10 漂白麻/環(huán)氧復(fù)合材料板拉伸斷口
圖9是漂白麻/聚酯復(fù)合材料極拉伸斷口形貌,有纖維拔脫后留下的孔洞。圖10為漂白麻/環(huán)氧復(fù)合材料板拉伸斷口形貌。除樹脂有撕裂的痕跡外,還有基體與纖剝離后留下的纖維絲。這是樹脂和纖維在脫粘時(shí),由于結(jié)合牢固而將纖維撕裂,與環(huán)氧樹脂基亞麻復(fù)合材料力學(xué)性能較優(yōu)的結(jié)論相吻合。
5 結(jié)語
使用不同增強(qiáng)材料和樹脂制備復(fù)合材料板材,經(jīng)性能測(cè)試得到如下結(jié)論:經(jīng)過堿處理的漂白麻纖維更易與樹脂結(jié)合;漂白麻/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板的拉伸、彎曲性能優(yōu)于未漂麻/聚酯復(fù)合材料板及漂白麻/聚酯復(fù)合材料板.