黃麻纖維/環氧樹脂復合材料的力學性能

湯 棟, 趙 玉 萍, 趙 明

( 大連工業大學 紡織與材料工程學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

近年來,黃麻纖維復合材料作為一種新型環保復合材料,越來越受到人們的關注。我國黃麻產量豐富,位列世界第三。黃麻纖維除了具有綠色、可降解、再生快等諸多優點外,纖維的力學性能也較優良,黃麻纖維的比強度與比模量接近E-玻璃纖維,是一種非常理想的纖維增強材料[1-2]。黃麻纖維復合材料在汽車、建筑、船舶等領域有著廣泛的應用前景,研究開發黃麻纖維復合材料是非常有意義的。黃麻/環氧復合材料的力學性能取決于基體和纖維雙方的特性。國內已有學者對黃麻纖維復合材料的力學性能進行過研究和討論,如鄭融等[3]研究了黃麻單向纖維和隨機分布短纖維增強環氧樹脂復合材料的力學性能,并與竹纖維增強環氧樹脂的力學性能進行了比較；曾竟成等[4]討論了黃麻有捻纖維束和黃麻布增強環氧樹脂、酚醛樹脂和不飽和聚酯樹脂復合材料的復合工藝和力學性能；張安定等[5]研究了黃麻纖維的長度和含量對其增強聚丙烯復合材料力學性能的影響。但此類研究并未系統闡述黃麻的纖維長度和纖維含量對其環氧樹脂復合材料力學性能的影響。作者討論了黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料的力學性能,特別研究了纖維含量和纖維長度對其拉伸和彎曲性能的影響。

1 實 驗

1.1 材料與設備

1.1.1 主要材料

經脫膠梳理的黃麻纖維,河南麻布制品有限公司；環氧樹脂,E-44(6101),香港榮發裝飾材料國際集團有限公司；固化劑,聚酰胺樹脂低分子650型,香港榮發裝飾材料國際集團有限公司；丙酮,化學純,沈陽新興試劑廠。

1.1.2 主要儀器設備

MN壓力成型機,無錫市中凱橡塑機械有限公司；HY-W萬能制樣機,承德市試驗機廠；RG微機控制電子萬能試驗機,深圳市瑞格爾儀器有限公司；8303烘箱,上海革新儀器制造廠。

1.2 實驗方法與步驟

1.2.1 黃麻纖維的準備

將脫膠梳理后的黃麻纖維分別剪成3、5、10、15 mm的4種長度,置于70 ℃的烘箱中干燥脫水。

1.2.2 樹脂基體的制備

將環氧樹脂、聚酰胺、丙酮按表1所示的樹脂基體配方比例進行混合。

表1 環氧樹脂基體配方表

1.2.3 復合材料板的制備

制備過程:室溫下黃麻纖維與樹脂基體混合→放置到模具中→放入熱壓機,真空零壓下50 ℃靜置30 min→升溫至80 ℃,壓力2 MPa,1 h→升溫至110 ℃,壓力2 MPa,1 h→升溫至140 ℃,壓力2 MPa,2 h→自然冷卻后脫模。

將5 mm的黃麻纖維分別按質量分數10%、20%、30%、40%與樹脂充分混合制成試樣,用以探討纖維含量對黃麻纖維增強環氧樹脂性能的影響。

分別將3、5、10、15 mm的黃麻纖維按照質量分數為10%與樹脂充分混合制成試樣,用以探討纖維長度對黃麻纖維增強環氧樹脂性能的影響。

另準備環氧樹脂澆鑄體試樣,用以探討黃麻纖維的加入對環氧樹脂性能的影響。

1.3 測試與表征

1.3.1 力學性能測定

參照GB 1447—2005拉伸性能實驗方法,在RG微機控制電子萬能試驗機上進行板材的拉伸性能測試。試樣規格為180 mm×20 mm×4 mm,夾持距離為110 mm,加載速度為2 mm/min。

參照GB 1449—2005彎曲性能測試方法,采用三點彎曲法在RG微機控制電子萬能試驗機上進行板材的彎曲性能測試。試樣規格為80 mm×15 mm×4 mm,跨距取為64 mm,加載速度為2 mm/min。

1.3.2 掃描電鏡(SEM)分析

采用日本JEOL公司的JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡觀察黃麻/環氧復合材料試樣的拉伸斷面。截取適當長度的樣條斷面,將樣品放入70 ℃烘箱中烘干20 min,烘干后用SEM觀察斷面的微觀形態。

2 測試結果與分析

2.1 纖維質量分數對復合材料力學性能的影響

黃麻纖維質量分數與復合材料拉伸性能的關系曲線如圖1所示。

圖1 纖維質量分數對拉伸性能的影響

由圖1可以看出,隨纖維質量分數的增大拉伸強度呈先上升后下降的趨勢,當纖維質量分數達20%時,復合材料拉伸強度達到最高,為59.56 MPa,之后隨纖維質量分數的增大略有下降。對于纖維增強復合材料而言,材料的強度取決于基體將承受的載荷傳遞給增強纖維的程度,黃麻纖維之所以能夠增強樹脂基體的力學性能,最主要的因素是基體將承受的部分載荷傳遞給了增強纖維[6],兩相間的界面黏結情況決定了傳遞效果。黃麻纖維含量較低時,許多纖維處于孤立狀態,纖維間抱合力較差,不能起到分擔基體所受載荷的作用,因此試樣拉伸性能較低[7]。隨著纖維含量增加,材料強度增大。這是由于黃麻纖維發揮了增強纖維的作用,與基體共同承擔拉伸外力,所以隨著纖維含量增加,復合板材的拉伸強力也會增加。但是,當纖維含量增大到一定量,纖維在環氧樹脂中不能完全、均勻浸透,纖維與纖維間的樹脂含量過少且分布不均影響了界面黏結情況,導致了復合材料受力不均,降低了拉伸強度。環氧樹脂中的黃麻纖維限制了環氧樹脂的變形,所以較小的應力不可能引起大的變形,且隨著纖維含量的增多纖維對樹脂基體的變形限制越嚴重[8],拉伸模量隨纖維含量增加而遞增。這說明黃麻纖維含量的增加對復合材料拉伸模量的提升是有利的。

黃麻纖維質量分數與復合材料彎曲性能的關系曲線如圖2所示。由圖2可以看出,隨著黃麻纖維的質量分數的增大,板材彎曲強度逐漸增加,當黃麻纖維質量分數為30%時,黃麻纖維增強環氧樹脂復合材料的彎曲強度達到了93.11 MPa,纖維質量分數繼續增加彎曲強度則略有下降。材料受到彎曲變形時,纖維在基體中因應力缺陷所引起的破壞作用高于纖維在基體中所發揮的增強作用[9]。而彎曲模量則先隨纖維含量的增加而遞增,后趨于平緩。

圖2 纖維質量分數對彎曲性能的影響

2.2 纖維長度對復合材料力學性能的影響

圖3、4給出了在質量分數為10%時,纖維長度對材料拉伸和彎曲性能的影響。由圖3、4可以看出,隨著纖維長度的增加,材料的拉伸和彎曲強度均呈先增加后減小的變化趨勢,且在纖維長度為10 mm處達到最大,此時拉伸強度為53.08 MPa,彎曲強度為83.44 MPa,實驗數據符合短纖維增強復合材料臨界纖維長度對材料強度的影響規律[10],即在低于臨界纖維長度時,材料的強度隨纖維長度的增加而增大；而高于臨界纖維長度時,材料的強度隨纖維長度的增加而減小。因為纖維在復合材料中充當的是增強材料,所以隨纖維長度的增加,單根纖維與樹脂的結合面也增大,結合力增加,復合材料板斷裂時需要將纖維與樹脂脫黏的力也更大,所以強度隨之增大。而拉伸與彎曲模量均隨纖維長度的增加而遞增,說明纖維的高長徑比帶來了材料模量的提高。

圖4 纖維長度對材料模量的影響

2.3 材料斷口SEM分析

采用SEM觀察纖維長度為5 mm、質量分數為20%的復合材料的斷口處微觀結構,見圖5,其中(a)、(b)、(c)分別是斷口處40、100、300倍的SEM照片。由圖5(a)可以看出,一部分黃麻纖維裸露在環氧樹脂外面,這是由于拉伸破壞導致纖維被拔出,且纖維長短不一,說明纖維與樹脂之間的結合不夠均勻完善。由圖5(b)可以看出,在拉伸斷裂過程中有樹脂的粉碎顆粒產生,且樹脂有因黃麻浸潤不均產生的氣泡。除樹脂有撕裂的痕跡外,還有基體與纖維剝離后留下的纖維

圖5 材料拉伸斷面的SEM形貌

絲,這是纖維和樹脂在脫黏時因兩者的結合力而將纖維撕裂的結果。由圖5(c)可以看出,黃麻截面是不規則的多角形,中間有多個空腔。纖維和樹脂之間存在著由于黃麻纖維從樹脂中拔出所形成的類似圓形的孔洞,黃麻纖維表面比較光滑,基本沒有樹脂黏附在纖維表面,這說明兩相界面之間的黏結強度仍有待進一步增強。

3 結 論

黃麻纖維的加入對環氧樹脂的力學性能有明顯改善,且纖維的含量和長度對環氧樹脂復合材料的力學性能有顯著影響。隨著纖維含量和長度的增加,復合材料的彎曲和拉伸強度呈先升高后降低的趨勢。黃麻纖維在長度10 mm、質量分數為20%～30%時,黃麻/環氧樹脂復合材料的拉伸和彎曲綜合性能比較好。纖維含量的增加和纖維長度的增加對材料模量的提升是有利的。隨著纖維含量與纖維長度的增加,材料的模量也呈增加的趨勢。當纖維質量分數超過30%、纖維長度超過10 mm時,增加不明顯。

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