不同長度粒料對玻璃纖維增強聚丙烯復合材料力學性能的影響

播磨一成 廖夢圓 孔徐潔 陽玉球 梶岡信由 濱田泰以

1.京都工藝纖維大學，京都 6006-8585；2.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；3.大邱西川公司，廣島 736-0084

不同長度粒料對玻璃纖維增強聚丙烯復合材料力學性能的影響

播磨一成1， 3廖夢圓1孔徐潔2陽玉球2梶岡信由3濱田泰以1

1.京都工藝纖維大學，京都 6006-8585；2.東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；3.大邱西川公司，廣島 736-0084

對采用玻璃纖維形成的不同長度粒料(3.00 mm的短纖維粒料1種，7.00、 11.00、 15.00 mm的長纖維粒料3種)所制備的4種玻璃纖維增強聚丙烯復合材料進行拉伸、彎曲、沖擊試驗，測量注塑成型后殘留的玻璃纖維長度，采用X-ray CT掃描法觀察復合材料內部的纖維排列，探討不同長度玻璃纖維對復合材料力學性能的影響。結果表明：注塑成型后玻璃纖維斷裂嚴重，4種粒料的玻璃纖維長度均下降50%以上。隨著玻璃纖維的原始長度從1.50 mm增加到15.00 mm，殘留纖維長度從0.68 mm增加到4.18 mm。在殘留纖維長度從0.68 mm增加到3.02 mm范圍內，復合材料的拉伸強度和彎曲強度明顯提高；在殘留纖維長度從3.02 mm增加到4.18 mm范圍內，復合材料的拉伸強度和彎曲強度保持穩定。復合材料的沖擊強度隨著玻璃纖維的原始長度增加而增加。以短纖維增強粒料制得的復合材料，雖然玻璃纖維的原始長度非常短，但纖維排列接近長度方向；以長纖維增強粒料制得的復合材料，其芯層有寬闊的纖維排列雜亂區，纖維取向趨向無序狀態，且該現象隨著玻璃纖維的原始長度增加而加劇，部分纖維發生相互纏繞。

汽車輕量化， 粒料， 玻璃纖維， 增強， 聚丙烯， 復合材料， 殘留纖維長度， 纖維取向， X-ray CT掃描

由于日益加重的全球變暖、大氣層破壞等環境問題，全世界多數國家和地區針對油耗制定了明確的限制標準，對CO2的排放要求越來越嚴格。根據中國《國家應對氣候變化規則(2014—2020)》，到2020年，要求實現單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%～45%、非化石能源占一次能源消費的比重達到約15%、乘用車平均油耗降至5.0 L/(100 km) 的目標，節能減排已成為汽車工業亟須解決的重大課題[1]。

世界鋁業協會的報告指出，當車重減輕10%時，可節省燃油3%～8%[2]；巴斯夫公司統計指出，車重每減輕100 kg，每100 km的油耗可降低0.4 L， CO2排放量減少1 kg[3-5]， [6] 48-49， [7-8]。因此，汽車輕量化是直接降低能耗、減少排放的最有效措施之一，目前已成為行業共識[9]。實現汽車輕量化的途徑有很多，其中之一是研發輕量高強材料。復合材料因其具有比強度和比剛度高、耐腐蝕性優、耐疲勞性久及能夠大規模整體成型等優點，被作為重點研究對象，其中纖維增強復合材料更是學者們競相研究的熱點。因此，輕量化已成為整車開發過程中的主要研究方向之一。

根據已有的研究可知，纖維長度是決定纖維增強復合材料性能最主要的因素之一。根據纖維的增強原理，只有纖維長度在其臨界長度以上才能充分發揮纖維的增強作用。一般，短纖維增強復合材料中其纖維長度約0.30 mm，而長纖維增強復合材料中其纖維長度可達到3.00 mm以上[10]，因此長纖維比短纖維具有更佳的增強效果。與短纖維增強復合材料比較，長纖維增強復合材料具有更高的剛性、彎曲強度、壓縮強度、耐蠕變性及顯著提高的沖擊強度[11]21-22。本試驗共采用4種長度的玻璃纖維，分別為1.50、 7.00、 11.00和15.00 mm。將利用1.50 mm長度的玻璃纖維增強的復合材料劃分為短纖維增強復合材料，其余3種劃分為長纖維增強復合材料。本文將以不同長度的玻璃纖維增強的聚丙烯復合材料作為研究對象，對其力學性能及界面性能進行評價，探討不同長度的玻璃纖維對復合材料性能的影響，尋求最合適的纖維長度。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗使用的增強基為玻璃纖維，樹脂基為聚丙烯樹脂[熔融指數為30 g/(10 min)]。原材料均由日本大賽璐株式會社(Daicel Corporation)提供。

1.2 造粒方法

本試驗中，由LFT(long liber reinforced thermoplastics)法制得長度為7.00、 11.00及15.00 mm的長纖維粒料；同時，為了比較長纖維粒料與短纖維粒料對復合材料性能的影響，將7.00 mm的長纖維粒料再經過熔融、雙螺桿擠出、冷卻切粒等工序，獲得長度為3.00 mm的短纖維粒料(其玻璃纖維原始長度為1.50 mm)。長纖維粒料中，玻璃纖維原始長度和粒料長度相同，且纖維按照粒料長度方向排列；短纖維粒料中，玻璃纖維原始長度小于粒料長度，且纖維在粒料中的排列方向隨機。

1.3 試樣

本試驗采用注塑成型方式(表1)及50 t射出成型設備[香港寶源(陶氏)機械廠有限公司(Po Yuen(To’s)Machine Fty. Ltd.)]來制備玻璃纖維增強聚丙烯復合材料(以下簡稱“復合材料”)。將上述粒料喂入該設備，制得啞鈴狀復合材料試樣。試樣信息見表2， S3表示由長度為3.00 mm的短纖維粒料制成的復合材料，L7、 L11、 L15分別表示由長度為7.00、 11.00、 15.00 mm的長纖維粒料制成的復合材料。

表2 試樣信息

1.4 試驗

1.4.1 拉伸試驗

本試驗采用電子萬能試驗機，其型號為Autograph AG-5 kNX[日本島津公司(Shimadzu)]。測試速度為1 mm/min，每種試樣測試5次。按照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能測試方法》，試樣尺寸為長(175.00±0.50)mm×寬(10.00±0.20)mm×厚度(3.00±0.20)mm，測試時采用的夾持間距為115.00 mm。

1.4.2 聲發射試驗

本試驗使用由美國物理聲學公司(Physical Acoustic Corporation)制造的微型傳感器，其型號為Micro-30。試驗中系統閾值控制在30 dB。

1.4.3 三點彎曲試驗

本試驗采用電子萬能試驗機，其型號為Autograph AG-5 kNX。測試速度為1 mm/min，每種試樣測試5次。按照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能測試方法》，試樣尺寸為長(60.00±0.50)mm×寬(10.00±0.20)mm×厚度(3.00±0.20)mm，測試時采用的跨距為48.00 mm。

1.4.4 單懸梁沖擊試驗

本試驗所用儀器由日本東洋精機公司(Toyoseiki)制造，儀器類型為DG-1B/No.C-111104907。基本規格：沖擊能量為2.75 J/5.50 J，錘子力矩為1.471 N·m/950 N·m，軸心到敲擊點的距離為32.7 cm，錘子可舉起的角度為150°。

1.4.5 殘留纖維長度測量

通過高溫分解樹脂基，獲得玻璃纖維灰分，然后將其徹底、均勻地分散在濾紙上，最后利用光學顯微鏡中的圖像軟件測量殘留纖維長度。每種試樣最少測量2 000根，隨機選取。

1.4.6 纖維取向測量

本試驗利用X-ray CT(全稱為X-ray Computed Tomography，即電子計算機X射線斷層掃描)對3種試樣即S3、L7及L15進行掃描，從試樣表面開始，以每次0.20 mm的厚度逐層進行斷面掃描，觀察試樣內部的纖維分布，并計算出纖維取向角(機器注入方向作為0°)。測試及圖像分析裝置為TDM1000-IS/SP[日本大和科學株式會社(Yamato Scientific)]、VG-Studio MAX[奧維斯科技有限公司(NVS)]。

2 結果與分析

2.1 拉伸試驗結果

4種試樣的拉伸試驗結果見表3，拉伸過程中的應力-應變曲線如圖1所示。經過計算可知，當玻璃纖維長度由1.50 mm增加到15.00 mm時，復合材料的拉伸模量下降了13%，但拉伸強度提高了38%。此外，比較4種試樣的拉伸強度(圖2)可以看出，當玻璃纖維長度由1.50 mm增加到7.00 mm時，復合材料的拉伸強度的提升非常顯著，但是從7.00 mm增加到15.00 mm的過程中，復合材料的拉伸強度并沒有增強趨勢，而是保持穩定。

表3 拉伸試驗結果

圖1 應力-應變曲線

圖2 4種試樣的拉伸強度

2.2 聲發射試驗結果

為了更好地了解4種試樣的拉伸斷裂過程，在拉伸試驗中加入了聲發射試驗，其試驗結果見表4。將每種試樣的聲發射事件計數按幅度劃分為3個區域，并計算了每個區域的事件數及其占總事件數的百分比。根據前人的研究，在區Ⅰ(30～54 dB)，主要為樹脂基產生裂紋；在區Ⅱ(55～69 dB)，主要為玻璃纖維-聚丙烯樹脂界面脫黏及玻璃纖維抽拔；在區Ⅲ(>70 dB)，主要為玻璃纖維斷裂[12-13]。

在玻璃纖維質量分數相同的情況下，玻璃纖維原始長度明顯短的粒料S3中含有的纖維數量遠遠多于L7、 L11、 L15。由表4可以發現，雖然S3中有更多的短纖維，但發生的玻璃纖維-聚丙烯樹脂界面脫黏及纖維抽拔情況并沒有明顯多于L7、 L11、 L15，這從側面反映了S3有較好的界面黏合；L7、 L11、 L15中發生的纖維斷裂情況更多，這可能是由于長纖維增強復合材料中有大量殘留纖維的長度大于其臨界長度導致的。

表4 聲發射試驗結果

2.3 三點彎曲試驗結果

圖3和圖4為4種試樣的三點彎曲試驗結果。由圖3可以發現，L7、L11、L15(長纖維增強復合材料)的彎曲模量均比S3(短纖維增強復合材料)有所提升，但是當玻璃纖維原始長度從7.00 mm增加到15.00 mm時，試樣的彎曲模量的增加幅度下降。

圖3 4種試樣的彎曲模量

圖4 4種試樣的彎曲強度

圖4則表明，當玻璃纖維原始長度從1.50 mm增加到7.00 mm時，試樣的彎曲強度明顯提高；但是當玻璃纖維原始長度由7.00 mm增加到15.00 mm時，試樣的彎曲強度不再提高而是保持平穩狀態。這與試樣的拉伸強度相似。

2.4 單懸梁沖擊試驗結果

單懸梁沖擊試驗結果如圖5所示，可以看出，隨著粒料長度增加，試樣的沖擊強度有非常明顯的提高。復合材料吸收沖擊能，其抵抗沖擊的方式有纖維斷裂、纖維抽拔及樹脂斷裂。隨著玻璃纖維原始長度由1.50 mm增加到15.00 mm，復合材料中的纖維剪切、斷裂而消耗更多能量，這導致復合材料的沖擊強度提高。

圖5 4種試樣的沖擊強度

2.5 殘留纖維長度測試結果

制備復合材料前，長纖維粒料中，玻璃纖維原始長度與粒料長度相同，經過注塑成型后，玻璃纖維會發生剪切、斷裂，導致其長度下降，而且纖維在復合材料中的排列也會發生變化。這種現象在短纖維粒料中也同樣存在。

圖6～圖9分別為4種試樣中的殘留纖維長度分布曲線，可以看出：S3中的殘留纖維長度總體呈尖而窄的分布，在0.40～0.80 mm的纖維長度范圍內，其頻率高達25%；相比較而言，L7、 L11、 L15中的殘留纖維長度分布總體呈平緩的趨勢，且曲線重心逐漸右移，即殘留纖維長度增加或較長纖維的比例增加。

圖6 S3中的殘留纖維長度分布曲線

圖7 L3中的殘留纖維長度分布曲線

圖8 L11中的殘留纖維長度分布曲線

圖9 L15中的殘留纖維長度分布曲線

本試驗討論殘留纖維長度時選用質均纖維長度。當纖維長度一定時，纖維增強復合材料的力學性能主要受纖維質量分數的影響，而不是纖維根數的影響，因此質均纖維長度更具有意義[11]21。本試驗按式(1)計算S3、 L7、 L11、 L15的質均纖維長度，結果分別為0.68、 3.02、 3.19、 4.18 mm。顯然，4種試樣的玻璃纖維殘留長度較其原始長度(1.50、 7.00、 11.00、 15.00 mm)均大幅下降，下降幅度分別為55%、 57%、 71%、 72%。

(1)

在注塑成型過程中，纖維斷裂通常由3個方面的相互作用造成[11]21：一是纖維與纖維，如纖維之間的纏繞、摩擦作用力；二是纖維與機器，如螺桿擠壓對纖維產生的壓力；三是纖維與聚合物，如纖維與樹脂基間的剪切作用力。

對玻璃纖維而言，影響纖維斷裂的因素可能是玻璃纖維的加料方式、聚合物熔體黏度及混合設備和工藝等[6]50-51。雖然注塑成型后殘留的玻璃纖維長度大幅下降，但可以發現，隨著玻璃纖維原始長度增加，殘留纖維長度相應增加。這個結果符合預期試驗效果。

圖10 質均纖維長度與試樣拉伸性能的關系

圖10所示為質均纖維長度與試樣拉伸性能的關系。按照試驗預期想法，隨著質均纖維長度增加，試樣的拉伸模量下降，而其拉伸強度提高。由圖10可見，試樣的拉伸模量符合預期設想，但是拉伸強度并未隨著質均纖維長度增加而持續上升，當質均纖維長度從0.68 mm增加到3.02 mm時，試樣的拉伸強度有十分顯著的提高，但是在質均纖維長度從3.02 mm增加到4.18 mm的過程中，試樣的拉伸強度保持平穩。這一結果可能是由于隨著玻璃纖維原始長度的增加，試樣內部的纖維取向變化及界面結合作用導致的。

2.6 纖維取向測量結果

試樣斷面在電子掃描顯微鏡(SEM)下可以觀察到皮層-芯層-皮層(Skin-Core-Skin)結構，在皮層和芯層，纖維取向明顯不同。本試驗得到S3、 L7及L15這3種試樣各15個圖像。為了方便討論試驗結果，將厚度為3.00 mm的截面中距離試樣表面0.10～0.90 mm處劃分為上皮層，距離試樣表面1.00～1.90 mm處劃分為芯層，距離試樣表面2.00～2.90 mm處劃分為下皮層。

圖11為S3、 L7及L15的上皮層的X-ray CT掃描圖，可以看出，S3、 L7及L15在上皮層都具有較好的纖維取向，纖維在機器喂入即樹脂流動方向的排列較整齊。

圖11 距離試樣表面0.50 mm處的X-ray CT掃描圖

由3種試樣的芯層的X-ray CT掃描圖(圖12)可見，S3在芯層的纖維取向很好，僅存在非常狹窄的纖維排列雜亂區；而L7存在非常明顯且寬闊的纖維排列雜亂區，在該區域纖維不再沿機器喂入方向排列而是呈雜亂分布；與L7比較，L15的纖維排列雜亂區更加明顯且寬闊，此外，L15中還可以清楚地觀察到纖維聚集及纖維束的存在，且纖維卷曲、纏繞嚴重。

圖12 距離試樣表面1.50 mm處的X-ray CT掃描圖

圖13所示的3種試樣的下皮層的X-ray CT掃描結果，與它們的上皮層的掃描結果相似，S3表現了十分良好的纖維取向，L7、 L15中的纖維在機器喂入方向也有良好的排列。

綜合圖11～圖13可以得到，3種試樣中，短纖維增強復合材料(S3)的纖維取向最佳，而長纖維增強復合材料(L7、 L15)隨著玻璃纖維原始長度的增加，特別是在芯層，纖維分布混亂，纖維取向變差。

圖13 距離試樣表面2.50 mm處的X-ray CT掃描圖

3 結論

(1) 由于纖維與纖維、纖維與樹脂、纖維與機械之間的相互作用力，注塑成型后玻璃纖維斷裂嚴重，4種復合材料的殘留纖維長度均下降50%以上，但是隨著玻璃纖維原始長度從1.50 mm增加到15.00 mm，殘留纖維長度從0.68 mm增加到4.18 mm。

(2) 當復合材料中的玻璃纖維殘留長度從0.68 mm(S3)增加到3.02 mm(L7)時，復合材料的拉伸強度和彎曲強度都有明顯提高；但當玻璃纖維殘留長度從3.02 mm(L7)增加到4.18 mm(L15)后，復合材料的拉伸強度和彎曲強度并未如預期繼續提升而是保持穩定。

(3) 復合材料的沖擊強度隨著玻璃纖維原始長度的增加而增加，這是由于隨著纖維長度的增加，在沖擊過程中纖維發生剪切、斷裂的概率增加，這將吸收更多的沖擊能，從而增強復合材料抵抗沖擊的能力。

(4) 由X-ray CT掃描圖可知，短纖維增強復合材料(S3)不管是其皮層還是芯層，在機器喂入方向都有較小的纖維取向角，即纖維取向良好；而長纖維增強復合材料(L7、 L15)其皮層的纖維排列較好，但是芯層有寬闊的纖維排列雜亂區，纖維取向度差，且這一現象隨著玻璃纖維原始長度的增加而加劇，這可能是玻璃纖維原始長度增加但復合材料的力學性能未持續提升的原因之一。

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Influence of pellets with different lengths on the mechanical properties of glass fiber reinforced polypropylene composites

IsseiHarima1，LiaoMengyuan1，KongXujie2，YangYuqiu2，NobuyoshiKajioka3，HiroyukiHamada1

1.Kyoto Institute of Technology， Kyoto 6006-8585， Japan；2.Key Laboratory of Textile Science &Technology，Donghua University， Shanghai 201620， China；3.Daikyo Nishikawa Corporation， Hiroshima 736-0084， Japan

By using pellets (one short fiber pellet of 3.00 mm， three long fiber pellets of 7.00， 11.00， 15.00 mm) made of glass fibers with different lengths， four kinds of glass fiber reinforced polypropylene composites were prepared， and then subjected to the tensile， bending and impact experiments. The length of residual glass fibers after the injection molding was measured， the fiber orientation within the composites was observed by the X-ray CT scanning， and the influence of glass fibers with different lengths on the mechanical properties of the composites was discussed. The results showed that the breakage of glass fibers was serious， the residual fiber length of the four pellets all decreased by over 50% after the injection molding. With the original length of glass fibers increasing from 1.50 mm to 15.00 mm， the residual fiber length increased from 0.68 mm to 4.18 mm. When the residual fiber length increased in the range from 0.68 mm to 3.02 mm， the tensile tenacity and flexural tenacity of the composites both improved significantly； when the residual length increased in the range from 3.02 mm to 4.18 mm， the tensile tenacity and flexural tenacity of the composites kept stable. The impact tenacity of the composites improved with the increased original length of glass fibers. For the composite prepared by short fiber pellets， the original length of glass fibers was very short， but the fiber orientation was along the lengthwise direction. But for the composites prepared by long fiber pellets， there was a wide random fiber array zone in the core layer， where the fiber orientation tended to be in a disordered state； moreover， this phenomenon was intensified with the increasing original length of glass fibers， and part of fibers entangled each other.

lightweight of automobile， pellet， glass fiber， reinforced， polypropylene， composite， residual fiber length， fiber orientation， X-ray CT scan

2016-06-21

播磨一成，男，1958年生，工程師，主要從事汽車

陽玉球，E-mail：amy_yuqiu_yang@dhu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2017)06-0014-07

用塑料部件的設計和開發工作