连续玻纤增强聚烯烃预浸带的力学性能

第27卷第5期山东理工大学学报(自然科学版)Vol.27 No .52013年9月Journal of Shandong U niversity of T echnology (N atural Science Edition )Sep. 2013文章编号:1672- -6197(2013 )05- 0001-04连续玻纤增强聚烯烃预浸带的力学性能刘雪静，谭洪生，李丽平，谭哲兴(山东理工大学材料科学与工程学院，山东淄博255091 )摘要:分别以五种聚烯烃树脂为基体,采用自行设计的浸渍模具制备了连续玻璃纤维增强聚烯烃预浸带,并采用热模压机将预浸带压制成相应的板材.研究了五种基体树脂、纤维含量、纤维分布对复合材料力学性能的影响.结果表明,加入玻纤后复合材料的拉伸强度、弯曲强度大幅度提高,纤维分布对材料的弯曲性能影响较大;纤维含量0~ - 70%范围内,随纤维用量的增加,复合材料的力学性能提高;在70%~75%范围内,复合材料的力学性能随纤维含量的增加而降低.动态力学分析表明,加入纤维后明显提高了复合材料的抗形变能力.关键词:连续纤维增强;玻璃纤维;浸渍带;力学性能中图分类号: TQ327.1文献标志码: AMechanical properties of continuous glass fiber reinforcedpolyolefin prepreg tapesLIU Xue-jing, TAN Hong-sheng, LI Li-ping, TAN Zhe-xing(School of M aterials Science and Engineering，Shandong U niversity of Technology，Zibo 255091 ，China )Abstract: Five kinds of polyolefin resins were used as matrix ，the continuous glass fiber rein-forced polyolefin prepreg tapes were prepared by a self -designed impregnation mold and theprepreg tapes w ere pressed into the corresponding plate using a hot stamping press . The influ-ences of five kinds of polyolefin，fiber content and fiber distribution on mechanical properties ofcomposites w ere studied . The results show that the tensile and flexural strengths increase obvi-ously with the addition of the glass fibers，and the influence of fiber distribution on flexural prop-erty of the composites w as more obviously than that of other property . In the range of 0~ 70%，the mechanical properties of the composites increased with the increase of the fiber content . Inthe range of 70% ~ 75% ，the mechanical properties of the composites decreased with the increaseof the fiber content . The result of dy namic mechanical behavior shows that the deformation re-sistance of the composites enhanced evidently with the increase of the glass fiber content .Key words: continuous fiber reinforced ; glass fiber ; prepreg tape ; mechanical properties70年代之前热固性树脂基复合材料主要应用性树脂基复合材料以满足市场需求.热塑性树脂基于军工产品,在较长一段时间内,连续纤维增强热固复合材料具有特定温度范围内反复加热熔融、冷却性塑料应用于工业领域,如管道、罐体等.70年代后硬化如工成刑方便机械性能好等特点,被广泛应开始转向民用,但此材料的主要缺点是使用后不易用于Y片中国煤化工论,短玻纤增强聚烯烃回收利用2-2] ,为克服此缺点,人们开发出几种热塑热塑. CNMHGi ,并广泛应用于汽车、收稿日期: 2013 -07 - 24基金项目:山东省自然科学基金资助项目(ZR2011EM M012)作者简介:刘雪静,女,liuxuejing I@ 163.com ;通信作者:谭洪生,男,hshengtan@ 163 .com2山东理工大学学报(自然科学版)2013年建筑、化工、包装、电力、运输等领域50].连续/长玻纤增强的复合材料由于具有更加优异的性能,能满足许多实际应用对材料性能的要求,成为研究和应用的热点1011,而国内有关连续玻璃纤维增强聚烯烃预浸带复合材料的研究报道较少.笔者采用熔融浸渍工艺制备出连续纤维增强聚烯烃预浸带,研究了树脂基体与纤维含量对复合材料力学性能的影响,并通过动态黏弹谱仪考察了玻璃纤维对聚烯烃↑动态力学行为的影响.图1两层浸渍带压制复合材料板材示意图!1实验部分其余按GB/T 1447- -2005进行测试;弯曲强度:试样尺寸为50mm X 12 .5mm X1.1 原材料2mm ,其余按GB/T 9341 - -2006进行测试;高密度聚乙烯(HDPE)(PE A ),牌号:DCDA .动态力学行为测试:仪器为Q800型,美国TA2911 ,熔体质量流动速率M FR为20g /min; HDPE公司;测试条件为振动频率和振幅分别为1Hz和(PE B) ,牌号:DGDB 2480 ,M FR为0.1g /min ;低密20μm,升温速率为5°C/min,温度范围为一140~度聚乙烯(LLDPE)(PE C),牌号: DFDA 7042,120C ,高纯氮气氛.测试样条的尺寸为:35mm XMFR为1.9g/min ;抗冲共聚聚丙烯(IPC)(PP A): 10mmX 2mm .SP179. ,MFR为8.9g/min ,均为中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司生产;2结果与讨论PP :牌号T30S(PP B),MFR为3g/min ,中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司;2.1基体树脂对 力学性能的影响马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH):PP-G .由图2看出,不同树脂制备的浸渍带拉伸强度-1 ;马来酸酐接枝聚乙烯(PE一g - MAH):PE-G不同.由于不同树脂的流动性不同其与玻璃纤维的-1 ,均为南京德巴化工有限公司生产;浸渍效果也不相同.对于纯树脂基体PP(B)、 PPGF :HY BON 6000 ,中材金晶玻纤有限公司.(A )、PE(B)、PE(C )来说,其拉伸强度PP(B)> PP1.2 材料制备(A ),PE(B)> PE(C),但由于PP(A )、PE(C )的熔1.2.1预浸带制备体流动速率较低,故在挤出过程中与纤维的浸渍效将玻璃纤维穿人与单螺杆挤出机连接的熔融浸果较差.因此,树脂与纤维间浸渍效果越好,界面黏渍模具中,聚烯烃树脂经单螺杆挤出机挤出,经挤出结强度越高,在拉伸过程中纤维拔出或拉断所需要机的进料口进人到模具中,并沿模具芯套和套管之400”预浸带■纤维一维分布间的狭缝通道流人,与穿入狭缝中的玻璃纤维汇合，■纤维二维分布其后一同沿此狭缝流道前进,被树脂浸渍的玻璃纤300维经由口模成型-21 ,然后经压延机、牵引机牵引,通过调节转矩流变仪的输出速度和牵引机的速度来控制预浸带复合材料中纤维的含量，从而制得连续玻热200璃纤维增强聚烯烃预浸带复合材料.1.2.2试样制备100中国煤化工将制备的预浸带复合材料自然冷却后经热模压机分两层垂直排列压制成板材(如图1),其尺寸为150mmMHCNMHG0X 100mmX2mm ,模压温度为220°C ,压力为15MPa.模PE(A) PP(B)PP(A) PE(C)PE(B)压成型的片材再使用万能制样机制取样条.不同树脂基复合材料1.3 分析测试图2基体树脂对复合材料拉伸强度的影响拉伸强度:试样尺寸为150mmX 15mm X 2mm，第5期刘雪静,等:连续玻纤增强聚烯烃预浸带的力学性能3消耗的能量越多,从而使复合材料的抗拉强度越高;基体树脂减少,使得纤维和基体之间的浸渍效果变反之，复合材料的抗拉强度越低.差,两者之间的黏结性减弱,界面强度降低.另一方从图2还可看出,将预浸带通过热模压机压片面随纤维含量的增加,基体中晶体含量降低,此时大制成的样条与预浸带样条的拉伸强度相比较低,这量的玻璃纤维相互重叠、接触,影响了基体树脂的相是因为纤维在压片过程中的排布方向不同其拉伸强连续性 ,从而使复合材料的力学性能降低[1315] .度也不同,相同质量的复合材料,压片过程中纤维纵横垂直分布时,沿拉伸力方向的纤维数量减少,抗拉390能力降低;与拉伸力垂直方向的纤维在拉伸过程中起不到承载的作用.因此,二维垂直方向分布的复合360材料比一维单向方向分布的抗拉强度低.由图3可以看出,加入纤维后材料的弯曲强度330大幅度提高.所用树脂基体均为聚烯烃,其拉伸和弯曲性能较低;加入纤维后,纤维与基体黏结在一起形国300-0-成有效的界面层,在弯曲过程中基体通过界面层将载荷有效的传递给纤维,纤维在基体中起到骨架作270用,故弯曲强度明显提高.纤维单向分布时,脱黏或断裂的纤维含量高,因此具有较高的弯曲强度;纤维556(6570纤维含量/%纵横垂直分布时,与压头平行的纤维在弯曲过程中不起作用,承载的纤维数量降低,故弯曲强度较低.图4纤维含量对预浸带拉伸强度的影响在玻璃纤维增强聚烯烃预浸带的制备过程中,存在纤维分散不均,纤维与基体界面黏结性差的问题,有图5是基体树脂为PE(A )的预浸带复合材料待进- -步改进.弯曲强度随纤维含量的变化纤维含量为70%时弯曲强度最高.70%以下,随纤维含量的增加,基体与400纯料■纤维一维分布■纤维二维分布.纤维的接触面积增大,黏结性增强,此时使纤维脱黏需要更多的能量;纤维在复合材料中起骨架的作用，300吸收主要的弯曲能量,随纤维含量的增加承载更多的载荷,材料的弯曲强度越高;70%以上时,基体含量降低,纤维与基体间的浸润性降低,浸渍效果变兰200差,降低材料的弯曲性能,故弯曲强度低.赵600 r鱼印100|540PE(A) PP(B) PP(A)PE(C)PE(B)0一-o~ 一。480不同树脂基复合材料图3基体树脂对复合材料弯曲强度的影响都4202.2纤维 含量对力学性能的影响中国煤化工图4是基体树脂为PE(A)的复合材料其纤维.含量(质量百分数)不同时预浸带拉伸强度的变化.YHCNMHG70 75可以看出,纤维含量为70%时拉伸强度达到最大值,70%以下随纤维含量的增加，,拉伸过程中断裂和图5纤维含量对预浸带弯曲强度的影响拔出的纤维数量增加,消耗更多的能量,故随纤维含量增加拉伸强度提高;70%以上随纤维含量的增加4山东理工大学学报(自然科学版)2013年2.3动态力学行为0.06图6为纤维含量不同的预浸带复合材料的储能模量随温度的变化曲线.储能模量是表征聚合物熔0.05体黏弹性的重要参数,表征熔体变形过程中存储的能量.从图中可以看出纯PE熔体的储能模量较低，加入纤维后预浸带复合材料的储能模量有较大幅度0.04 t的提高.这主要是因为加入玻璃纤维后,纤维能较好的增强树脂基体,提高了材料的刚性,使得复合材料0.03 t纯2911的模量增加,同时树脂分子的运动受阻,使得材料的内耗减少，从而提高了复合材料的抗形变能力.由于0.02纤维增强的聚合物基复合材料储能模量具有加和性,复合材料的储能模量随纤维含量的增加而提高，-140-120 -100纤维的用量越高,预浸带复合材料的储能模量就越温度/C大[16.17]图7损耗因子 tanδ与温度的关系18000时,复合材料的拉伸强度、弯曲强度达到最大值,其14400纤维70%后随纤维含量的增加复合材料的性能反而降低.2)纤维分布对材料的性能有较大影响,纤维一10800维单向分布时，复合材料的拉伸、弯曲强度最高;纤维纵横垂直分布时,复合材料的拉伸、弯曲强度较单纤维55%收7200向分布时低.纤维纵横垂直分布时,与弯曲实验简支梁两支点连线垂直的纤维在弯曲过程中不起承载作3600用,故纤维的分布方向对弯曲性能影响较大.PE(A)3 )玻璃纤维增强聚烯烃预浸带复合材料的动态力学行为分析表明,加入玻纤后复合材料的储能模-120-6060 120量大幅度提高,预示着材料的抗形变能力明显增强;随玻纤含量的增加,材料的损耗因子降低,玻璃化转变温度升高;纤维含量为70%时,几乎无玻璃化转图6PE(A)及其复合材料的储能模量与温度的关系变.图7为纤维含量不同的预浸带复合材料的损耗因参考文献:[1]Hao Y s, LiuF C,Shi H W。The influence of ultra fine glass子随温度的变化曲线.从图中可以看出纯2911在-fibers on the mechanical and anticorrosion properties of epoxy100°C左右存在一个凸峰,表明基体已发生无定形的玻coatings[J]. Prog Org Coat, 2011 , 2(17):188-197 .璃化转变,此峰为纯聚乙烯的玻璃化转变温度.加入纤[2]苏航,郑水蓉,孙曼灵,等.纤维增强环氧树脂基复合材料的研究维后,复合材料的玻璃化转变温度升高,这是因为纤维进展[J].热固性树脂, 2011, 26(4): 54-57.的加入使得基体的含量降低从而使非晶部分的含量降[3]崔峰波,曹国荣.玻璃纤维增强聚丙烯的性能研究[J].玻璃纤维，2011(1): 9-11.低;随纤维含量的增加复合材料基体中非晶部分的含[4]咸贵军,益小苏,卢晓林,等.长玻璃纤维/聚丙烯复合材料粒料量减少,故在图中纤维含量为55%时存在小的凸峰,纤注塑制品的拉伸强度[J].复合材料学报，2001. 18<2): 41-45.维含量为70%时几乎无玻璃化转变.[5]中国煤化工杠用抗冲共聚聚丙烯发展概YHC N M H G(5): 58-62.3结论6]段任华,付伴,陈么,寺.长坡锅针维增强聚丙烯[J].高分子材料科学与工程，2010, 26(4); 124-129.[7]DuanS H，Fu X，Chen X，et al. Long glass fiber reinforced1 )玻璃纤维的加入可以大幅度的提高复合材料polypropylene[J]. Poly mer M aterials Science And Engineering，的拉伸强度、弯曲强度.当玻璃纤维的含量为70%2010, 26(4): 124-129.(下转第9页)第5期徐汶东,等:两种复合Cole-Cole模型的频谱差异研究与分析[10] Dias C A，Developments in a model to describe low -frequency究[J] .浙江大学学报:理学版，,2006 ,33<5); 584-587 .electrical polarization of rocks [J ]. Geophy sics , 2000 ,65 : 437-[15]程辉,底青云,李帝铨.频率信号激励下岩石电性参数研究[J].451.地球物理学进展,2010 ,25(3) :918-925.[11]Pelton W H ,Sill W R ,Smith B D. Interpretation of complex re-[16]刘菘,关善友,高鹏飞.求极化椭球体真Cole-Cole参数的联合sistivity and dielectrie data , Part I[J ] . Geophy sical transactions谱激电反演[J].地球物理学报,1994. 37(1):542-551.1983 ,29(4) :297-330.[17]蔡军涛.阮百尧,罗润林.层状大地视真频参数测深曲线的反演[12]席振铢.层状极化介质频率域激发极化效应研究[D].长沙:中[J].中南大学学报,2008 ,35(4) 662666.南大学.2002 .[18]阮百尧.激发极化数据的最小二乘二维反演方法[J].地球科[13]尚晓,林品荣,李勇,等.层状极化介质激发极化效应研化究学,1999 ,24(6): 662-666 .[J].物探化探计算技术, 2012(3):158-161.(编辑:姚佳良)[14]肖占山,徐世浙,罗延钟,等.岩石复电阻率频散特性的机理研(上接第4页)centration on the modulus of glass fibre reinforced poly amide 6.6[8]沈春银,李忠兵,张俊华,等.玻纤增强PP热塑性片材的制备及[J]. Composites Part A , 2008 , 39: 1732-1738 .力学性能研究[J] .塑料工业, 2006.34(2): 30-32.[14]庄卫国.玻纤含量对玻纤增强聚丙烯拉伸性能的影响[J].精密[9]Phelps H. Ahmed I, EI-Rahman A. et al.A Model for Fiber成形工程，2010, 1(1): 20-23.Length Attrition in Injection-M olded Long- Fiber Composites[J].[15]Thomason J L.The influence of fiber length and concentrationComposites Part A , 2013, 4(2): 1-38.on the properties of glass fiber reinforced polypropylene [J ].[10]Ausias G, Bourmaud A. Coroller G, et al. Study of the fibre .Composities Part A , 2007 , 38: 210-216.morphology stability in poly propy lene-flax composites[J]. Poly m[16]韦春,于贤保,傅裕,等。UP/GF/LCPU原位混杂复合材料动态Degrad Stabil , 2013(2): 1-9.力学性能[J].材料科学与工艺, 2008, 16(3): 184-187 .[11]方立,周晓东,吴忠泉,等.连续玻璃纤维增强聚丙烯复合板材的[17]Mohanty s. VermaS K. Nayak s K. Dynamic mechanical and性能研究[J].工程塑料应用，2012, 40(12): 12-15.thermal properties of M A PE treated jute/HDPE composites[J].[12]谭洪生,孙海青,李丽平.连续/长纤维增强热塑性复合材料的浸Compos Sci Technol , 2006 , 66 : 538-547.渍模具:中国, 201120144006.8[P]. 2011-11-16.[13 ]Thomason J L . The influence of fibre length , diameter and con-中国煤化工MHCNMH G