竹纖維增強環氧樹脂復合材料的力學性能研究

梁春群，莫 攸

（廣西師范學院化學與生命科學學院院，廣西 南寧 530001）

竹纖維增強環氧樹脂復合材料的力學性能研究

梁春群，莫 攸

（廣西師范學院化學與生命科學學院院，廣西 南寧 530001）

采用硅烷偶聯劑對竹纖維進行表面改姓，通過熱壓成型工藝制備了竹纖維增強環氧樹脂（EP）復合材料。研究了竹纖維（BF）的長度、竹纖維含量和CaCO3含量對竹纖維/ 環氧（BF/EP）復合材料力學性能的影響。結果表明，竹纖維增強環氧復合材料，拉伸和沖擊強度得到明顯改善；當竹纖維含量為20%時, BF/EP復合材料的力學性能最佳, 拉伸和沖擊強度分別達到37.64MPa、8.30MPa。

竹纖維 環氧樹脂 復合材料 力學性能

目前纖維增強復合材料中的增強纖維主要是由玻璃纖維、芳綸和碳纖維等，這些增強纖維材料性能良好且均勻，但它們一般都存在著加工困難、耗能大、造價高、易造成環境污染等問題。而天然植物纖維如竹纖維等來源廣泛、性能適中，它們在復合材料中的應用正越來越引起國內外材料界的重視[1～6]。我國竹類資源豐富,竹材產量高,而竹子的再生能力強,成材期短,生長迅速, 栽種成活后4～5年即可成林砍伐。竹材料纖維由于其強度高、原料豐富、天然抗菌性好、吸濕放濕和質感柔軟等特點，目前主要用于建筑、造紙和紡織[7～9]等行業,因其有很好的強度特性,也用于制作高性能的復合材料[10]。本文對竹纖維進行改性，并將改性竹纖維作為增強材料，制備了竹纖維增強環氧樹脂復合材料，并研究了材料的力學性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

原料：環氧樹脂 E-44和低分子量聚酰胺樹脂650(工業品)、氫氧化鈉(AR)、硅烷偶聯劑(KH-550)(工業品)、高錳酸鉀(AR)、冰醋酸(AR)。

儀器：XWW-20型萬能試驗機、XYZ-12型啞鈴型制樣機、XQZ-1型缺口制樣機、XJUD-55電子懸臂梁沖擊試驗機。

1.2 竹纖維的提取及表面改性

將竹片在堿濃度為30g·L-1，Na2SO4濃度為1 g·L-1,焦磷酸鈉濃度為0.5 g·L-1的溶液里煮沸2h，脫去纖維表面的膠質，再用酸洗和水洗，最后處理成細絲狀，在70℃下烘干5h，取出備用[11]。

往95%的乙醇水溶液中加入濃度為0.6%的KH-550型硅烷偶聯劑,比例為6∶4,充分混合1h，用醋酸調節pH為4，把上面處理好的竹纖維放入上述溶液中浸泡1.5h,取出竹纖維并在70℃恒溫烘箱中干燥。

1.3 復合材料的制備和性能測試

采用熱壓成型制作竹纖維增強環氧樹脂復合材料板。室溫下將竹纖維、環氧樹脂、聚酰胺、鄰苯二甲酸二丁脂、咪唑、無水乙醇混合均勻，將混合物放入模具中，在平板硫化機上預熱15min,然后加壓,在80℃下保壓固化3h, 再在100℃下保壓固化2h,開模取出放入烘箱抽真空至0.07MPa,在100℃下烘20h,制成復合材料。放置7d后測試相關的力學性能。拉伸性能按照GB/T 1040測試；沖擊性能按照GB/T 1843測試。

2 實驗結果與討論

2.1 竹纖維含量對復合材料力學性能的影響

從圖1和圖2可知，竹纖維增強環氧樹脂復合材料的力學性能均比未添加竹纖維的環氧樹脂復合材料的拉伸強度高。BF/EP復合材料的拉伸、沖擊強度隨著纖維含量的增加，當纖維含量增加到20%時，拉伸、沖擊強度達到最大值，比純 EP材料的拉伸、沖擊強度分別增加了112%和54.7%；竹纖維含量繼續增加，拉伸性能隨之下降。這是因為竹纖維增強復合材料實現強化的最主要因素是基體將承受的載荷傳遞給增強纖維，當含量較低時,復合材料的強度主要取決于基體材料即樹脂的強度, 在基材中所起的增強作用不足以抵消在基材中形成的應力缺陷所起的破壞作用, 隨著含量的增加,復合材料所受應力均勻分布, 強度才得以提高, 當含量達到臨界纖維體積分數時出現最大值，這與材料加工時原材料含量對體系工藝條件的影響和纖維含量在基體樹脂中的分散程度有關。當纖維含量超過臨界值時，BF用量繼續增加造成了纖維在樹脂中的分散性下降和界面間的粘合性變差，因此復合材料的力學性能下降。當纖維量超過40%時，復合材料的力學性能會急劇下降。

材料的斷裂伸長率隨著纖維含量的增加總體上呈下降趨勢，纖維含量為零時，材料的斷裂伸長率較大，當材料中加入增強纖維后，試樣的斷裂伸長率迅速降低，纖維增強復合的拉伸斷裂實質上是其拉伸區間內最薄弱部分的所有基原纖維或樹脂大分子逐漸被抽拔或拉斷, 復合材料的材料斷裂伸長率取決于纖維，一般而言,承受拉伸力的大分子和纖維的根數越多,纖維強力越大，斷裂伸長率越小。因此，纖維含量的增加減小試樣的斷裂伸長率。

綜上所述，竹纖維增強環氧樹脂復合材料，大大提高了復合材料的力學性能。當纖維含量達20%時，復合材料的力學性能最佳，拉伸和沖擊強度分別達到22.86MPa、7.78MPa，比純EP材料分別增加了112 %、54.7%。

圖1 竹纖維含量對復合材料拉伸性能的影響

圖2 竹纖維含量對復合材料沖擊性能的影響

2.2 竹纖維長度對復合材料力學性能的影響

從圖3和圖4可知, 復合材料的力學性能隨著纖維長度的增加而顯著提高，當纖維的長度為20mm時, BF/EP復合材料的力學性能最佳, 拉伸和沖擊強度分別達到37.64MPa、8.30MPa。其后隨著纖維長度的增加反而有所下降。對于不同的纖維的長度,作用在纖維上的拉應力也不同, 單向短纖維復合材料的強度取決于纖維長度L, 若L小于Lc（當應力達到纖維斷裂時的最短纖維長度稱為臨界纖維長度Lc）, 則纖維上的拉應力達不到纖維的斷裂強度,這時，纖維只能拔出；當L大于Lc時, 纖維會發生斷裂[12]。所以，在臨界纖維長度以下，纖維越長，纖維與基體之間的界面強度越大，纖維對基體的增強效果越好。如果纖維長度較小，則載荷將從基體傳遞到一段很短的纖維上去，纖維應力不能達到其應有的承載能力。另一方面，如果要求在一段小的纖維長度內由基體向纖維傳遞較大的力，則界面應力太大，可能引起界面脫膠或基體屈服。

圖3 竹纖維長度對復合材料拉伸性能的影響

圖4 竹纖維長度對復合材料沖擊性能的影響

2.3 填料CaCO3的含量對復合材料力學性能的影響

從圖 5和圖 6可知，當復合材料加入 CaCO3時，復合材料的拉伸強度有較大的提高，復合材料的沖擊強度則呈下降趨勢，但是下降趨勢很小，基本上沒有影響材料的使用；隨著含量的增加，材料的拉伸強度呈緩慢上升，當增加到 8%時達到最大值，拉伸強度達到33.79MPa,繼續增加達到10%時，拉伸性能反而下降，這是由于CaCO3在材料中較易分散，而且還可以起到潤滑作用，使基體樹脂與竹纖維更易混合均勻，CaCO3粉末均勻分布和填充在樹脂基體的微小間隙中,減少應力缺陷，當材料受到負載時,可以更迅速和均勻地傳遞應力,能有效地提高復合材料的拉伸強度。CaCO3用量過大，CaCO3與材料的相容性變差，界面粘合力減弱，造成材料的性能反而下降。

總之，適量地增加填料CaCO3，一方面既能提高材料的拉伸性能，另一方面又能部分降低生產成本。

圖5 CaCO3含量對復合材料拉伸性能的影響

圖6 CaCO3含量對復合材料沖擊性能的影響

3 結論

（1）竹纖維增強環氧樹脂復合材料，大大提高了復合材料的力學性能,當纖維含量達20%時，復合材料的力學性能最佳，拉伸和沖擊強度分別達到22.86MPa、7.78MPa，比純EP材料分別增加了112 %、54.7%。

（2）復合材料的力學性能隨著纖維長度的增加而顯著提高，當纖維的長度為 20mm時, BF/EP復合材料的力學性能最佳, 拉伸和沖擊強度分別達到 37.64MPa、8.30MPa。

（3）從加工性能考慮，可以在材料中適當加入 CaCO3粉末填料，一方面可以適當降低材料成本，另一方面可以改善加工性能，使各原料更易充分混合均勻，還可以提高材料的硬度、拉伸強度。

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Preparation of Bamboo Fiber-reinforced Epoxy Resin Composites and Mechanical Properties Study

LIANG Chun-qun, MO You
(College of Chemistry and Life Science, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

Caustic soda solution was applied to treat and purify crude bamboo fiber(BF).Bamboo fiber was treated with coupling agent(KH550),and then it was blended with epoxy resin to prepare BF/epoxy（EP） composites by melt-blending process. Effects of content of fiber, length of fiber and content of CaCO3on mechanical properties of BF/EP were studied. The results showed that tensile strength and impact strength of composites reinforced by BF increased 112% and 54.7% respectively; when the length of BF was 20 mm, the BF content was 20% ,the tensile strength and the impact strength were best and reached 37.64MPa and 8.30MPa respectively. However, if CaCO3was blended with the composites, its mechanical properties were improved.

bamboo fiber; epoxy resin; composite; mechanical properties

TB 322

A

1671-9905(2010)08-0023-04

2010-05-17