預處理對復合材料性能的影響研究

陶麗軍，殷肖海，劉曉洪

預處理對復合材料性能的影響研究

陶麗軍，殷肖海，劉曉洪*

（武漢紡織大學 紡織與材料學院，湖北 武漢 430073）

通過不同的處理方法改善增強纖維與基體樹脂間的界面性能，探討了預處理對復合材料性能的影響。結果表明：經(jīng)過A-151處理和堿處理后，復合材料的拉伸性能分別提高到92.6Mpa和78.0Mpa，在45℃、5%NaOH溶液中加熱0.5h后，復合材料的沖擊性能最大。

苧麻纖維；丙綸；復合材料；拉伸性能；沖擊性能

苧麻纖維在麻類纖維中性能最好，其纖維素含量高，是唯一能以單纖維狀態(tài)紡紗的麻類纖維，同時它還具有吸濕散濕快和抗菌、耐腐蝕的特點，適合用作復合材料的增強材料[1-3]。以聚丙烯[4-7]為代表的熱塑性復合材料，不僅具有力學上的優(yōu)良性能、耐腐蝕、無毒性和低廉的價格，而且具有可重復加工和使用的特點，有利于環(huán)保，因而備受人們關注，發(fā)展迅速[8]。隨著高性能天然纖維及其復合材料的研究與開發(fā)應用，麻類纖維逐步被用來作為復合材料的增強材料使用。

1　實驗部分

1.1實驗原料與設備

苧麻布，剪裁10cm×15cm。氫氧化鈉，天津市恒興化學試劑制造有限公司。偶聯(lián)劑A-151，武漢市華昌應用技術研究所。脫模紙，聚酯薄膜。真空干燥箱，ZK-82A型，上海市實驗儀器總廠。電熱恒溫水浴鍋，WMZK-01型，北京醫(yī)療設備廠。平板硫化機，XLB-D350X350型，浙江湖州東方機械有限公司。萬能材料試驗機，濟南試金集團有限公司。XCJ-50型沖擊試驗機，承德實驗機有限責任公司。

1.2工藝流程

為了節(jié)省熱壓成型工藝時間，本試驗將平板硫化機的溫度調(diào)到熱壓所需的溫度，同時模具也放入加熱板中加熱，等溫度穩(wěn)定后再將試樣放入。接著讓干燥的試樣在5Mpa壓力下預熱一分鐘再加壓到預設壓力，這樣不僅節(jié)省儀器調(diào)試時間而且可以讓試樣也能自身慢慢吸收熱量，使它在熱壓開始階段達到受熱均勻的狀態(tài)。熱壓完成之后關掉平板硫化機電源，采用電風扇輔助冷卻至室溫。根據(jù)聚丙烯的熔點(165℃-173℃)以及對麻纖維增強復合材料以往的研究，設置壓力為10Mpa、時間為25min、溫度為190℃進行熱壓。

1.3預制件的前處理方法

實驗前準備：將苧麻布裁剪成規(guī)格為10cm×15cm，共裁剪60塊，每5塊一組。按模具規(guī)格壓制純PP板，總共壓制40塊。

（1）堿處理：按實驗設計要求配制濃度為5%的NaOH溶液；將裁剪好的苧麻布浸入到NaOH溶液中，浴比為20：1。處理方法為：取2組布在30℃恒溫加熱0.5h，在45℃各取兩組布分別加熱0.5h、1h和1.5h，再取2組布在60℃加熱0.5h。取出苧麻布，用大量水沖洗至中性，然后在烘箱中80℃烘干。

（2）偶聯(lián)劑A-151處理：將A-151溶解與95%的乙醇溶液中，配制成濃度1%的A-151的乙醇溶液。浴比為25：1；調(diào)節(jié)pH到3-4，溫度30℃，處理時間60min。處理完成后放置在通風櫥內(nèi)晾干，然后在烘箱里80℃干燥。

1.4復合材料拉伸性能測試

本實驗使用萬能試驗機進行苧麻/PP復合板材的拉伸性能測試。拉伸速度為10mm/min，試樣加持距離為50mm。試樣規(guī)格為100×10mm。本實驗參照GB/T1447-2005，試樣加工參照GB/T1447-2005中的I型式樣加工方式，為啞鈴型。

1.5復合材料沖擊性能測試

使用XCJ-50型沖擊強力測試儀進行苧麻/PP復合板材的沖擊性能測試。試樣規(guī)格為100×10mm。

2　結果與討論

2.1復合材料的拉伸性能

復合材料的拉伸性能實驗數(shù)據(jù)如表1所示

表1　拉伸實驗數(shù)據(jù)

（1）堿處理下不同加熱溫度對苧麻PP復合板材拉伸性能的影響。如圖1所示，在加熱相同時間的情況下，不同加熱溫度對苧麻PP復合材料的影響也是不同的，隨著溫度的升高，復合材料的拉伸性能提高，不過隨著溫度的繼續(xù)升高，復合材料的拉伸性能降低了，說明溫度過高對復合材料的拉伸性能有影響。因此，選擇適當?shù)臏囟扔欣诓牧侠煨阅艿奶岣摺?/p>

圖1　苧麻PP復合板在不同溫度下的應力-應變曲線

（2）堿處理下不同加熱時間對苧麻PP復合板材拉伸性能的影響。如圖2，在同一溫度加熱的情況下，加熱時間長短對苧麻PP復合材料的拉伸性能有著一定的影響，影響不是很大。剛開始，隨著加熱時間的增加，拉伸性能有提高，對比1.5小時和1小時處的應力應變曲線可看出，1.5小時處的拉伸強度明顯要低于1小時。說明適當選擇加熱時間也可以提高復合材料的拉伸性能。

（3）不同處理方法對苧麻PP復合材料拉伸性能的影響。如圖3可知，處理后的苧麻PP復合材料的拉伸性能明顯要比未處理過的高。堿處理能很好的提高苧麻的物理性能，堿處理中NaoH與苧麻纖維素相作用生成堿纖維素，其微結構和物理性能也發(fā)生變化。偶聯(lián)劑A-151處理后材料的性能提高很大。由此，選擇適當?shù)那疤幚矸椒▽ζr麻纖維性能的界面改性有著很大的作用，能極大的提高材料的拉伸性能。

圖2　苧麻PP復合板在不同加熱時間下的應力-應變曲線

圖3　苧麻PP復合板在不同處理下的應力-應變曲線

2.2復合材料的沖擊性能

復合材料的沖擊性能實驗數(shù)據(jù)如表2如示。表2在5%NaOH溶液中通過對三種相同加熱時間，不同加熱溫度的比較可以看出，在加熱時間為0.5h,溫度45℃時復合材料的沖擊性能最大。很明顯在相同條件下，加熱時間大于0.5h時，復合材料沖擊性能有所下降，而經(jīng)過5%NaOH處理的所得到的復合材料沖擊性能明顯優(yōu)于性能偶聯(lián)劑A-151處理和未處理的。

表2　沖擊實驗數(shù)據(jù)

3　結論

（1）通過不同的處理方法，復合材料力學性能上都有了一定程度的改善，尤其是經(jīng)過A-151處理和堿處理后的復合材料，其拉伸性能分別提高到了92.6Mpa和78.0Mpa。

（2）在堿處理下，60℃時材料的拉伸性能為最高，達到86.2Mpa，說明適當提高加熱溫度有利于提高復合材料的拉伸性能。隨著加熱時間的增加，材料的拉伸性能沒有多大變化，因此，苧麻布在堿處理下加熱時間長短對復合材料性能影響不大。

（3）在堿處理下，在45℃ 5%NaOH溶液中加熱0.5h，復合材料的沖擊性能最大。

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Study on Properties Effect of Pretreatment on Composite

TAO Li-jun, YIN Xiao-hai, LIU Xiao-hong

(College of Textile and Materials, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Study on the properties and the interface of reinforced fibers under different modified methods based on the matrix resin, and analyze the pretreatment influence on the mechanical properties of composite materials. The result was that the tensile properties of composite materials after pretreatment had an increase to 92.6 Mpa and 78.0 Mpa. Also, the impact properties was the highest after heating 0.5h in 45℃, 5%NaOH solution.

Ramie Fiber; Polypropylene; Composite; Tensile Property; Impact Property

TS102.5

A

1009－5160(2011)03－0016－03

武漢紡織大學校基金項目（20063115）.

*通訊作者：劉曉洪（1968-），男，教授，研究方向：紡織復合材料.