纖維及其集合體增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的研究進(jìn)展

齊立澤,支 超,*

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安工程大學(xué) 功能性紡織材料及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)

1 復(fù)合泡沫塑料

1.1 現(xiàn)狀

復(fù)合泡沫塑料是將空心微球分散到聚合物基質(zhì)中組成的復(fù)合材料。通常,聚氨酯、環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚丙烯、聚酰胺和其他聚合物用作樹脂黏合劑[1-3],而微球可以是玻璃、碳、陶瓷、聚合物、金屬等[4-6]。復(fù)合泡沫塑料具有低密度、高比強(qiáng)度和剛度、高聲學(xué)、機(jī)械阻尼能力、低吸濕性和優(yōu)異的隔熱性能[7-10]。這些特性使復(fù)合泡沫塑料成為一種有吸引力的候選輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,用于夾層結(jié)構(gòu)中的芯、航空航天工業(yè)中的結(jié)構(gòu)部件、阻尼板和水下浮力結(jié)構(gòu)等[11-13]。

中空玻璃微球的加入有效降低了復(fù)合泡沫塑料的密度,但是限制了其力學(xué)性能[14]。為了改善復(fù)合泡沫塑料的力學(xué)性能,研究者們采用在聚合物中更換不同粒徑、密度和高強(qiáng)度的微球或者將微球進(jìn)行包覆等方法[15-17],但是其壓縮強(qiáng)度改善不明顯[18],甚至彎曲強(qiáng)度還要低于純泡沫[19]。

作為輕質(zhì)的復(fù)合材料,需要最大限度提高機(jī)械強(qiáng)度,以保持用作結(jié)構(gòu)材料的足夠強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)高度的重量節(jié)省。增強(qiáng)體的引入是改善復(fù)合泡沫塑料力學(xué)性能最常用的方法,研究人員為此進(jìn)行了很多探索[20]。

1.2 分類

從紡織領(lǐng)域來說,紡織材料可分為纖維及其集合體。結(jié)合纖維的來源可分為化學(xué)纖維和天然纖維,而纖維集合體包括織物及間隔織物[21]。因此,對(duì)目前纖維及其集合體增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析,并進(jìn)行了總結(jié)和展望。

2 纖維增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料

纖維是一種常用的性能優(yōu)良的增強(qiáng)材料,常見的纖維包括玻璃纖維(GF)、碳纖維(CF)和天然纖維,在復(fù)合泡沫塑料中添加纖維是改善力學(xué)性能的方法之一[22]。纖維增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料材料作為汽車、航空航天、船舶和土木工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的承重和能量吸收構(gòu)件正得到越來越多的認(rèn)可[23]。

2.1 GF增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料

GF是一種應(yīng)用廣泛的非金屬無機(jī)材料,通過添加具有拉伸強(qiáng)度高及機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)良特點(diǎn)的GF來增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料,增強(qiáng)了復(fù)合材料的力學(xué)性能[24]。

王保民等[25]探討了聚醚醚酮/空心微珠/GF復(fù)合材料的力學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn),粉煤灰空心微珠和GF作為混雜增強(qiáng)體,“點(diǎn)、線”結(jié)合在復(fù)合材料中形成多維均勻的分散狀結(jié)構(gòu),復(fù)合材料各個(gè)方向的力學(xué)性能差異性小,并具有增強(qiáng)的協(xié)同作用。此外,當(dāng)粉煤空心微球重量份數(shù)為10%、GF為20%時(shí),聚醚醚酮/空心微珠/GF復(fù)合材料的抗沖擊和耐摩擦性能得到明顯提高。

Yu等[26]研究發(fā)現(xiàn)向環(huán)氧樹脂復(fù)合泡沫塑料中添加10%短GF時(shí)復(fù)合泡沫的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別比不含纖維的復(fù)合泡沫塑料提高了70%和49%,但加入量超過10%時(shí),復(fù)合泡沫的強(qiáng)度會(huì)降低。

錢蒙[27]制備了空心玻璃微珠質(zhì)量比為5%,GF不同質(zhì)量比的5組配比的GF/玻璃微珠/環(huán)氧樹脂復(fù)合泡沫材料。當(dāng)GF填充質(zhì)量比為10%時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、屈服極限和彎曲強(qiáng)度,與未添加GF的復(fù)合泡沫塑料比較分別高出約48%、69%和57%,但是其密度僅增加了3%。

Ferreira等[28]評(píng)估了短GF加入對(duì)環(huán)氧樹脂復(fù)合泡沫塑料的彎曲剛度、斷裂韌性以及壓縮和沖擊性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),玻璃纖維的加入僅使彎曲剛度和斷裂韌性略有改善,但顯著增加了吸收的沖擊能量。

2.2 CF 增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料

CF具有優(yōu)越的強(qiáng)度重量比(T700,抗拉強(qiáng)度為4.9 GPa,密度為1.78 g/c m3),已被廣泛用于許多領(lǐng)域,如航空航天、軍事、汽車工業(yè)等[29-30]。但是纖維的成本和來源可能會(huì)限制其應(yīng)用范圍[31]。

Zhao等[32]研究發(fā)現(xiàn)隨著高性能CF向環(huán)氧復(fù)合泡沫塑料中逐漸增加,復(fù)合泡沫的密度略有增加,但復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提高。同時(shí)含有3 wt%短CF的復(fù)合泡沫的單軸抗壓強(qiáng)度為141.7 MPa,是文獻(xiàn)中報(bào)道的最高值之一,如圖1所示。此外,Zhang等[33]研究發(fā)現(xiàn)增加復(fù)合泡沫塑料中碳納米纖維(CNF)的體積分?jǐn)?shù)可以較為明顯地提升材料的斷裂韌性。

圖1 Zhao等[32]的樣品實(shí)物、SEM圖、表征和對(duì)比圖

目前復(fù)合泡沫塑料在暴露于極端環(huán)境的結(jié)構(gòu)中有許多應(yīng)用,在短期和長(zhǎng)期極端環(huán)境暴露下會(huì)影響復(fù)合泡沫塑料的力學(xué)性能[34-35]。有學(xué)者研究了在室溫中長(zhǎng)期浸水條件下CF增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的水分降解。在該研究中檢測(cè)到顆粒降解的證據(jù),注意到機(jī)械性能的降低,并發(fā)現(xiàn)在彎曲載荷下,脆性斷裂開始于試樣的拉伸側(cè)。除此之外,Zelt mann等[36]研究了含有15vol%~50vol%的玻璃微珠(GMB)和1 wt%~5 wt%的CNF增強(qiáng)劑的環(huán)氧復(fù)合泡沫塑料通過浸入90℃水中兩周來加速風(fēng)化后的力學(xué)性能。由于風(fēng)化后復(fù)合材料力學(xué)性能的增強(qiáng)和保持被認(rèn)為是由于基體的膨脹和基體表面形態(tài)的改變而增加了對(duì)納米纖維的牽引力,因此包含5wt%CNF的復(fù)合材料在風(fēng)化后強(qiáng)度增加了27%。

由于有些樹脂基體本質(zhì)上是非極性的,在增強(qiáng)纖維、中空微球和聚合物基體之間會(huì)產(chǎn)生弱的界面黏合,導(dǎo)致較差的拉伸強(qiáng)度和其他相關(guān)的機(jī)械性能[37]。因此改善三者之間的界面黏附性,這對(duì)于增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的力學(xué)性能是非常關(guān)鍵的。Gogoi等[38]研究了中空玻璃微球(HGM)的加入對(duì)短碳纖維(SCF)增強(qiáng)聚丙烯(PP)混雜復(fù)合材料物理力學(xué)性能的協(xié)同效應(yīng)。經(jīng)硅烷處理的表面具有—NH2基團(tuán)的HGM通過氫鍵與馬來酸酐接枝PP的羧基相互作用,導(dǎo)致界面附著力相對(duì)增加。結(jié)果表明,混合10%和8%的HGM和SCF的復(fù)合材料表現(xiàn)出最高的拉伸和彎曲強(qiáng)度,比純PP分別提高約110%和約112%。當(dāng)添加8 wt%SCF的比拉伸強(qiáng)度與含有40 wt%纖維含量的市售PP復(fù)合材料相似。

此外,Wang等[39]通過數(shù)值模擬的方法研究了CF的取向?qū)χ锌詹Ａ⑶?環(huán)氧復(fù)合泡沫力學(xué)性能的影響。數(shù)值結(jié)果表明,CF的取向影響基體的彈性模量,當(dāng)CF沿力的方向分布時(shí),基體的彈性模量達(dá)到最大值。

2.3 天然纖維增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料

天然纖維是自然界原有的或經(jīng)人工培植的植物、人工飼養(yǎng)的動(dòng)物上直接取得的紡織纖維[40]。例如竹子的纖維素纖維是沿著其長(zhǎng)度排列,從而在該方向上提供最大的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和剛度[41]。天然纖維材料與碳纖維、玻璃纖維相比具有相對(duì)低的密度、低成本、低能耗、易于回收、完全可生物降解等優(yōu)點(diǎn),引起了人們的極大興趣[42-44]。

如圖2所示,Ku mar等[45]制備了短竹纖維和中空玻璃微球(HGM)填料的輕質(zhì)高強(qiáng)度混雜聚丙烯(PP)復(fù)合泡沫塑料。對(duì)密度低、抗壓強(qiáng)度高的HGM填料進(jìn)行硅烷化處理,以提高聚合物基體的潤(rùn)濕性。當(dāng)HGM含量為10wt%時(shí),隨著短竹纖維含量的增加,復(fù)合材料的拉伸、彎曲和沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能穩(wěn)步提高。有趣的是,在短竹纖維含量高達(dá)10%的混雜PP復(fù)合材料中,拉伸強(qiáng)度與純聚丙烯材料相當(dāng)。

圖2 Ku mar等[45]制備輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合泡沫的示意圖及性能測(cè)試圖

Gha msari等[46]將4組體積分?jǐn)?shù)不同(0%、1.5%、2.5%和3.5%)的劍麻纖維添加到復(fù)合泡沫塑料中以提高復(fù)合泡沫的力學(xué)性能。隨著纖維含量的增加,劍麻纖維復(fù)合泡沫的玻璃化轉(zhuǎn)變略有降低。通過增加纖維含量改善了界面結(jié)合,導(dǎo)致了阻尼因子降低。總的來說,劍麻纖維改善了復(fù)合泡沫的黏彈性,而密度沒有任何顯著變化。

可以發(fā)現(xiàn),在纖維增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料中,纖維增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料對(duì)提高其拉伸和彎曲性能具有重要意義。纖維的分散性在提高復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度方面發(fā)揮著重要作用。當(dāng)纖維含量過多時(shí),會(huì)導(dǎo)致在纖維之間產(chǎn)生橋接效應(yīng)(多個(gè)纖維粘在一起)。橋接效應(yīng)惡化了纖維和樹脂的潤(rùn)濕性,導(dǎo)致應(yīng)力集中點(diǎn)增加,復(fù)合泡沫強(qiáng)度降低[32]。此外,在纖維體積分?jǐn)?shù)較高的泡沫中有更多的空隙,因此也會(huì)降低泡沫的壓縮性能[17]。因此需要進(jìn)一步對(duì)復(fù)合泡沫塑料進(jìn)行改善,而纖維集合體是很好的選擇。

3 纖維集合體增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料

3.1 二維織物

在需要大纖維體積比的情況下,使用連續(xù)纖維網(wǎng)比使用隨機(jī)分布的纖維更容易實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能特性。連續(xù)纖維網(wǎng)的設(shè)計(jì)和受控制造為增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料力學(xué)性能提供了可能性,但目前連續(xù)纖維網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的研究較少[47]。

如圖4所示,Wang等[47]將玻璃纖維網(wǎng)格布和玻璃纖維分別加入到復(fù)合泡沫塑料中,并對(duì)它們的彎曲性能進(jìn)行了比較研究。結(jié)果顯示,與未被增強(qiáng)的復(fù)合泡沫塑料相比,玻璃纖維網(wǎng)格布和玻璃纖維的加入均可以提升材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量,而玻璃纖維網(wǎng)格布的增強(qiáng)效果更明顯。當(dāng)向復(fù)合材料中添加兩層玻璃纖維網(wǎng)格布時(shí),材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為未被增強(qiáng)材料的2.5倍和2倍,但是,材料的密度同時(shí)增加了約10%。

Ku mar等[48]將經(jīng)過酚醛樹脂浸漬的No mex紙和牛皮紙制成蜂窩結(jié)構(gòu)(RIPH),并加入到粉煤灰微珠/酚醛樹脂復(fù)合泡沫塑料中,將其壓縮性能與純粉煤灰微珠/酚醛樹脂復(fù)合泡沫塑料進(jìn)行比較,試驗(yàn)表明RIPH的加入能較為明顯地增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量。

可以發(fā)現(xiàn)二維纖維網(wǎng)的加入增強(qiáng)了復(fù)合泡沫塑料彎曲性能和壓縮性能。但是復(fù)合泡沫塑料與增強(qiáng)相之間存在固結(jié)不夠堅(jiān)固的問題,會(huì)導(dǎo)致材料在拉伸試驗(yàn)中出現(xiàn)分層的現(xiàn)象[49]。因此使用完整度和強(qiáng)度高的材料增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料得到了廣泛的研究。

3.2 三維織物

常見的三維織物是間隔織物。間隔織物是由三維織機(jī)一體織造而成,芯層的間隔絲將上下兩面層織物緊緊地連接在一起[50]。因此,以它為“骨架”的復(fù)合夾芯材料具有很高的皮芯剝離強(qiáng)度,相比于傳統(tǒng)的蜂窩夾芯和泡沫夾芯復(fù)合材料來說具有更好的抗分層、耐沖擊的優(yōu)點(diǎn)[51-52]。

Corigliano等[53]將機(jī)織間隔織物作為增強(qiáng)骨架加入到空心玻璃微珠/環(huán)氧樹脂復(fù)合泡沫塑料中,并在上下表面各增加了一層玻纖增強(qiáng)塑料和一層梭織平紋玻纖布,組成了“三明治”夾芯結(jié)構(gòu),結(jié)果顯示此種材料的抗壓性能一般。這是因?yàn)槭褂玫目招牟Ａ⒅榈牧捷^大、球壁較薄造成強(qiáng)度較低所致。

Zhi等[54]研究了經(jīng)編間隔織物(WKSF)增強(qiáng)復(fù)合泡沫塑料的低速?zèng)_擊性能。結(jié)果表明,與純復(fù)合泡沫塑料相比,大多數(shù)WKSF試樣顯示出更高的峰值沖擊力和主要損傷能量。Zhi等[55]研究發(fā)現(xiàn)WKSF增強(qiáng)了復(fù)合泡沫塑料的彎曲強(qiáng)度和模量,但對(duì)復(fù)合材料的密度幾乎沒有影響。此外,如圖3所示,不同表面層結(jié)構(gòu)、間隔絲傾角、微球的體積分?jǐn)?shù)和類型對(duì)復(fù)合材料的低速?zèng)_擊性能和抗彎曲性能有顯著影響。

圖3 不同結(jié)構(gòu)的WKSF及彎曲強(qiáng)度和模量

支超等[56]將WKSF、空心玻璃微珠增強(qiáng)體與環(huán)氧樹脂基體復(fù)合,進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。與環(huán)氧樹脂基復(fù)合泡沫塑料相比,WKSF的加入對(duì)其彎曲強(qiáng)度值提高了48.84%,比彎曲強(qiáng)度達(dá)到77.74 MPa·c m3/g。

可以發(fā)現(xiàn),間隔織物的加入將更好地改善復(fù)合泡沫塑料的力學(xué)性能。選擇更大的傾角、更緊密的表層結(jié)構(gòu)和更高密度的間隔織物,復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的抗彎曲能力。選擇間隔絲直徑更粗、橫縱密度更大的間隔織物,復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的抗壓能力。

4 結(jié)束語

添加纖維及其集合體可改善復(fù)合泡沫塑料的拉伸、壓縮、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性等力學(xué)性能。復(fù)合泡沫塑料中不同類型的增強(qiáng)相各有優(yōu)缺點(diǎn),但是綜合來看間隔織物具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性和立體性,可以滿足不同領(lǐng)域需求的力學(xué)性能。隨著社會(huì)和科技的發(fā)展,研究者們采用了其他類型的材料對(duì)復(fù)合泡沫塑料進(jìn)行增強(qiáng)[57-58],使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。