劍麻纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的沖擊特性研究

1、劍麻纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的沖擊特性研究梁小波, 楊桂成3, 曾漢民(中山大學(xué)材料科學(xué)研究所, 廣東廣州510275摘要:采用片狀層壓工藝制備了短切劍麻纖維(SF /聚丙烯(PP 復(fù)合材料, 用高級儀器化擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對復(fù)合材料的沖擊過程進(jìn)行了全面分析, 并借助掃描電子顯微鏡對復(fù)合材料的沖擊破壞斷口進(jìn)行觀察。結(jié)果表明:當(dāng)SF 的長度為20mm 、w pp =30%時, SF 對PP 的增韌效果最好。采用短切SF 增強(qiáng)PP 基體, 可使復(fù)合材料斷裂過程吸收的能量增加, 裂紋擴(kuò)展緩慢, 斷裂后期吸收能量增大。關(guān)鍵詞:劍麻纖維; 聚丙烯; 復(fù)合材料; 沖擊性能中圖分類號:T Q327, TS1021

2、2+2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1005-5770(2003 07-0018-03為了確保人類社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展, 人們已越來越重視采用可再生的生物資源制造新材料, 特別是用自然界容易再生的植物纖維來制備各類具有優(yōu)良性價比的復(fù)合材料1。劍麻纖維由于具有較高的比強(qiáng)度和比模量而成為樹脂基較好的天然纖維增強(qiáng)材料, 適用于制備成本低、比模量高和耐沖擊的纖維/樹脂基復(fù)合材料。目前有關(guān)劍麻纖維/樹脂基復(fù)合材料的研究工作已有一些報道210, 但對沖擊性能的詳細(xì)報道則較少。本文采用國際上較先進(jìn)的高級儀器化擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī), 對短切SF/PP 復(fù)合材料的沖擊過程進(jìn)行了全面的分析, 實(shí)現(xiàn)了沖擊過程的動態(tài)監(jiān)測, 從而

3、更清楚地說明了劍麻纖維對PP 沖擊性能的影響11。30%、40%、50%和60%。113實(shí)驗(yàn)方法11311力學(xué)性能測定在美國AT LAS 公司的API 高級儀器化擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行無缺口沖擊實(shí)驗(yàn), 跨度為70mm , 試件尺寸為(37 mm ×15mm ×120mm 。每項實(shí)驗(yàn)的試件均為5個, 結(jié)果取其平均值。11312掃描電子顯微鏡(SE M 觀察用日立S -520型掃描電子顯微鏡觀察經(jīng)過真空鍍金的復(fù)合材料的沖擊破壞斷口形貌, 以了解復(fù)合材料界面破壞形態(tài)及SF 與PP 基體的界面粘結(jié)情況。2結(jié)果與討論211纖維長度對復(fù)合材料沖擊性能的影響表1SF/PP 復(fù)合材料沖擊過程

4、的表征值11實(shí)驗(yàn)部分111原料劍麻纖維(SF :束狀纖維, 廣東省東方劍麻集團(tuán)有限公司, 分別被切短成10mm 、20mm 和30mm 長的短纖維, 并置于80的烘箱中干燥, 備用; PP 基體:PP 無紡布, 廣州榮盛無紡布廠, 規(guī)格為1710g/m 2, 經(jīng)DSC 測試, 其熔融溫度為16315; 聚乙烯項目1T ab 1Symbol values of impact processes ofshort sisal fiber/PP compositesSF 纖維長度/mma k /k J m -2W 吸收/J F max /N T max /ms醇(PVA -124 :AR , 白色顆粒

5、, 廣東西隴化工廠。112復(fù)合材料制備11211劍麻纖維氈的制備D /mm注:a k -沖擊強(qiáng)度, W 吸收-沖擊過程中試樣吸收的能量,F max -最大沖擊載荷, T max -最大沖擊載荷出現(xiàn)的時間, D max將含215%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) PVA 的水溶液和短切SF 攪拌均勻后制成纖維氈, 然后置于油壓機(jī)上熱壓定型, 制得的劍麻纖維氈中PVA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。11212復(fù)合材料板材的制備-最大形變值。取5塊劍麻纖維氈, 隔層夾入等量的PP 無紡布, 在油壓機(jī)上加壓成型, 成型溫度170175, 壓力35MPa 。本實(shí)驗(yàn)中所選取的PP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為表1為短切SF/PP 復(fù)合材料的沖擊性能,

6、 PP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。由表1可知, 當(dāng)SF 長度為20mm 時, 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最高, 最大形變值、最大沖擊載荷及其出現(xiàn)的時間也最大; 當(dāng)SF 長度為10mm 時, SF/PP 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最低, 最大形變值、最大作者簡介:梁小波, 女, 碩士研究生。3聯(lián)系人, cesygh zsu 1edu 1cn沖擊載荷及其出現(xiàn)的時間也最小。從圖1a 的短切SF/PP 復(fù)合材料的無缺口沖擊破壞斷口的SE M 照片可以看到, SF 與PP 界面處的樹脂出現(xiàn)明顯的被拉伸狀, 說明纖維與基體的界面粘結(jié)較好, 因而在破壞時吸收了較多的沖擊功。圖2是短切SF/PP 復(fù)合材料典型的載荷-時間曲線, 曲線

7、下部面積的大小可以反映復(fù)合材料在沖擊過程中吸收能量的高低 。最大形變值、最大沖擊載荷及其出現(xiàn)的時間和沖擊強(qiáng)度的關(guān)系, 可以發(fā)現(xiàn), 除w pp =30%時的F max 例外, 其余的D max 、F max 以及T max 和a k 有著相同的變化趨勢。表2SF/PP 復(fù)合材料沖擊過程的表征值(SF =30mm T ab 2Symbol values of impact processes of short sisalfiber/PP composites (SF =30mm 項目a k /k J m-2PP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%W 吸收/J F max /N T max /ms D /mm 52a -

8、SF =20mm , w pp =30%b -SF =30mm , w pp =30%圖1SF/PP 復(fù)合材料的無缺口沖擊破壞斷口的SE M 照片F(xiàn)ig 1SE M photomicrograph of non 2notched impact fracturesurface of short sisal fiber/PP composites圖3沖擊過程的載荷-時間曲線(SF =30mm Fig 3Curves of load 2time impact processes (SF =30mm 從圖1b 的短切SF/PP 復(fù)合材料的SE M 照片可以看出, 包裹著SF 的PP 基體被嚴(yán)重拉扯變形

9、, 斷口有明顯的塑性形變的痕跡, 說明纖維與樹脂的界面粘結(jié)較好。圖3為沖擊過程的載荷-時間曲線(SF =30mm 。213SF/PP 復(fù)合材料與純PP 的沖擊過程比較圖2沖擊過程的載荷-時間曲線(w pp =30%Fig 2Curves of load 2time for impact processes (w pp =30%212不同PP 用量對復(fù)合材料沖擊性能的影響從表2可以看出, 當(dāng)SF =30mm 時, 短切SF/PP 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著PP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加反而下降。這是因?yàn)楫?dāng)w pp 50%, 即纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時(復(fù)合材料中粘合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少, 約為2%, 可忽略不計 , 纖

10、維含量較多, 所以相互重疊, 形成連續(xù)相, 纖維之間能進(jìn)行有效的應(yīng)力傳遞。這時外界所施加的應(yīng)力主要由纖維承擔(dān), SF 的高強(qiáng)度和高模量使得復(fù)合材料也表現(xiàn)出強(qiáng)度高的特點(diǎn)。比較表2中的圖4純PP 和短切SF/PP 的載荷-時間曲線Fig 4Curves of load 2time of pure PP and short sisal fiber/PP純PP 為典型的脆性材料(見圖4 。受沖擊力作用后, 在彈性形變極限處形成裂紋并迅速增長, 導(dǎo)致材料急劇開裂, 載荷急劇下降至零11。我們將載荷-時間曲線分解為兩部分, 裂紋形成功W 1和裂紋擴(kuò)展功W 2, 用W 2/W 1的比值反映材料韌性的大小(如

11、圖5所示 。W 2/W 1的比值愈小, 材料韌性愈小; 反之亦然。很明顯, 圖5中純PP 的裂紋擴(kuò)展功W 2很小, W 2/W 1比值接近零。因此, 純PP 是脆性材料 。量增加, 裂紋擴(kuò)展緩慢, 斷裂后期仍吸收了較多的能量; 且復(fù)合材料完全斷裂的時間比純PP 提高了2倍以上。因此, 短切SF 增強(qiáng)PP 復(fù)合材料的韌性比純PP 有了明顯的提高。3結(jié)論當(dāng)SF 長度為20mm 、w pp =30%時, 短切SF/PP 復(fù)合材料的沖擊性能最好。采用短切SF 增強(qiáng)PP 基體, 可使復(fù)合材料斷裂過程吸收的能量增加, 裂紋擴(kuò)展緩慢, 斷裂后期吸收能量增大, 即復(fù)合材料具有更大的裂紋擴(kuò)展功。當(dāng)w pp =3

12、0%時, 不同纖維長度的短切SF/PP 復(fù)合材料的的沖擊強(qiáng)度與最大形變值、最大沖擊載荷及其出現(xiàn)的時間成正比。圖5載荷-時間曲線分解圖Fig 5Res olution of curves for load - tim參考文獻(xiàn)1S ong J , Y in R Y 1Advanced Materials (1 , Beijing , 20001Beijing :New W orld Press , 200012062楊桂成, 曾漢民, 李家駒1玻璃鋼/復(fù)合材料, 1995, (6 :223楊桂成, 曾漢民, 簡念保等1塑料工業(yè), 1996, (1 :794Joseph K, Thomas S ,

13、Pavithran C , et al 1J Appl Sci , 1993, 47:17315Pal S K, Mukhopadhyay D 1J Appl P olym Sci , 1998, 35:9736Joseph K, Thomas S , Pavithran C 1P olym 11996, 37(23 :51397R ong Min Zhi , Zhang Ming Qiu , Liu Y uan , et al 1C omp Sci T ech 2nol , 2001, 61:14378Li Y, Mai Y W , Y e L 1C omp Sci T echnol , 2

14、000, 60:20379周興平, 解孝林, Li R K Y 1材料研究學(xué)報, 2002, 16(5 :55110楊桂成, 曾漢民, 李家駒1玻璃鋼/復(fù)合材料, 1997,(3 :1211任顯誠, 白蘭英, 王恒貴等1塑料工業(yè), 2002, 30(5 :42(本文于2003-04-04收到圖6純PP 和短切SF/PP 的能量-時間曲線Fig 6Curves of energy 2time of pure PP and short sisal fiber/PP采用短切SF 增強(qiáng)PP 的復(fù)合材料載荷-時間曲線峰形變寬(見圖4 , 裂紋擴(kuò)展功W 2明顯增大, 說明復(fù)合材料的韌性明顯提高。從圖6的能

15、量-時間曲線也可以看到, 短切SF/PP 復(fù)合材料的沖擊能量隨時間的增加緩慢上升至極值, 表明材料斷裂過程吸收的能Study of Impact Properties of Short Sisal Fiber R einforced Polypropylene CompositesLI ANG X iao 2bo , Y ANG G ui 2cheng , ZE NG Han 2ming(Institute of Material Science , Zhongshan University , G uangzhou 510275, China Abstract :Short sisal fi

16、ber/polypropylene com posites were produced by the method of sheet m olding com pounding 1The im pact processes of the com posites were analyzed thoroughly by means of API im pact test machine , and the im pact fracture sur 2face was observed by SE M 1The results showed that sisal fiber could im prove the toughness of polypropylene m ost obviously when the length of the sisal fiber was 20mm and the content of polypropylene was 30%1When short sisal fiber was used to the rein forcement of PP , the abs orbed energy during the fra