剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的冲击特性研究

1、剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的冲击特性研究梁小波, 杨桂成3, 曾汉民(中山大学材料科学研究所, 广东广州510275摘要:采用片状层压工艺制备了短切剑麻纤维(SF /聚丙烯(PP 复合材料, 用高级仪器化摆锤冲击试验机对复合材料的冲击过程进行了全面分析, 并借助扫描电子显微镜对复合材料的冲击破坏断口进行观察。结果表明:当SF 的长度为20mm 、w pp =30%时, SF 对PP 的增韧效果最好。采用短切SF 增强PP 基体, 可使复合材料断裂过程吸收的能量增加, 裂纹扩展缓慢, 断裂后期吸收能量增大。关键词:剑麻纤维; 聚丙烯; 复合材料; 冲击性能中图分类号:T Q327, TS1021

2、2+2文献标识码:B 文章编号:1005-5770(2003 07-0018-03为了确保人类社会经济可持续发展, 人们已越来越重视采用可再生的生物资源制造新材料, 特别是用自然界容易再生的植物纤维来制备各类具有优良性价比的复合材料1。剑麻纤维由于具有较高的比强度和比模量而成为树脂基较好的天然纤维增强材料, 适用于制备成本低、比模量高和耐冲击的纤维/树脂基复合材料。目前有关剑麻纤维/树脂基复合材料的研究工作已有一些报道210, 但对冲击性能的详细报道则较少。本文采用国际上较先进的高级仪器化摆锤冲击试验机, 对短切SF/PP 复合材料的冲击过程进行了全面的分析, 实现了冲击过程的动态监测, 从而

3、更清楚地说明了剑麻纤维对PP 冲击性能的影响11。30%、40%、50%和60%。113实验方法11311力学性能测定在美国AT LAS 公司的API 高级仪器化摆锤冲击试验机上进行无缺口冲击实验, 跨度为70mm , 试件尺寸为(37 mm ×15mm ×120mm 。每项实验的试件均为5个, 结果取其平均值。11312扫描电子显微镜(SE M 观察用日立S -520型扫描电子显微镜观察经过真空镀金的复合材料的冲击破坏断口形貌, 以了解复合材料界面破坏形态及SF 与PP 基体的界面粘结情况。2结果与讨论211纤维长度对复合材料冲击性能的影响表1SF/PP 复合材料冲击过程

4、的表征值11实验部分111原料剑麻纤维(SF :束状纤维, 广东省东方剑麻集团有限公司, 分别被切短成10mm 、20mm 和30mm 长的短纤维, 并置于80的烘箱中干燥, 备用; PP 基体:PP 无纺布, 广州荣盛无纺布厂, 规格为1710g/m 2, 经DSC 测试, 其熔融温度为16315; 聚乙烯项目1T ab 1Symbol values of impact processes ofshort sisal fiber/PP compositesSF 纤维长度/mma k /k J m -2W 吸收/J F max /N T max /ms醇(PVA -124 :AR , 白色颗粒

5、, 广东西陇化工厂。112复合材料制备11211剑麻纤维毡的制备D /mm注:a k -冲击强度, W 吸收-冲击过程中试样吸收的能量,F max -最大冲击载荷, T max -最大冲击载荷出现的时间, D max将含215%(质量分数 PVA 的水溶液和短切SF 搅拌均匀后制成纤维毡, 然后置于油压机上热压定型, 制得的剑麻纤维毡中PVA 的质量分数为2%。11212复合材料板材的制备-最大形变值。取5块剑麻纤维毡, 隔层夹入等量的PP 无纺布, 在油压机上加压成型, 成型温度170175, 压力35MPa 。本实验中所选取的PP 的质量分数分别为表1为短切SF/PP 复合材料的冲击性能,

6、 PP 质量分数为30%。由表1可知, 当SF 长度为20mm 时, 复合材料的冲击强度最高, 最大形变值、最大冲击载荷及其出现的时间也最大; 当SF 长度为10mm 时, SF/PP 复合材料的冲击强度最低, 最大形变值、最大作者简介:梁小波, 女, 硕士研究生。3联系人, cesygh zsu 1edu 1cn冲击载荷及其出现的时间也最小。从图1a 的短切SF/PP 复合材料的无缺口冲击破坏断口的SE M 照片可以看到, SF 与PP 界面处的树脂出现明显的被拉伸状, 说明纤维与基体的界面粘结较好, 因而在破坏时吸收了较多的冲击功。图2是短切SF/PP 复合材料典型的载荷-时间曲线, 曲线

7、下部面积的大小可以反映复合材料在冲击过程中吸收能量的高低 。最大形变值、最大冲击载荷及其出现的时间和冲击强度的关系, 可以发现, 除w pp =30%时的F max 例外, 其余的D max 、F max 以及T max 和a k 有着相同的变化趋势。表2SF/PP 复合材料冲击过程的表征值(SF =30mm T ab 2Symbol values of impact processes of short sisalfiber/PP composites (SF =30mm 项目a k /k J m-2PP 质量分数/%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%图1SF/PP 复合材料的无缺口冲击破坏断口的SE M 照片Fig 1SE M photomicrograph of non 2notched impact fracturesurface of short sisal fiber/PP composites图3冲击过程的载荷-时间曲线(SF =30mm Fig 3Curves of load 2time impact processes (SF =30mm 从图1b 的短切SF/PP 复合材料的SE M 照片可以看出, 包裹着SF 的PP 基体被严重拉扯变形

9、, 断口有明显的塑性形变的痕迹, 说明纤维与树脂的界面粘结较好。图3为冲击过程的载荷-时间曲线(SF =30mm 。213SF/PP 复合材料与纯PP 的冲击过程比较图2冲击过程的载荷-时间曲线(w pp =30%Fig 2Curves of load 2time for impact processes (w pp =30%212不同PP 用量对复合材料冲击性能的影响从表2可以看出, 当SF =30mm 时, 短切SF/PP 复合材料的冲击强度随着PP 质量分数的增加反而下降。这是因为当w pp 50%, 即纤维质量分数50%时(复合材料中粘合剂质量分数较少, 约为2%, 可忽略不计 , 纤

10、维含量较多, 所以相互重叠, 形成连续相, 纤维之间能进行有效的应力传递。这时外界所施加的应力主要由纤维承担, SF 的高强度和高模量使得复合材料也表现出强度高的特点。比较表2中的图4纯PP 和短切SF/PP 的载荷-时间曲线Fig 4Curves of load 2time of pure PP and short sisal fiber/PP纯PP 为典型的脆性材料(见图4 。受冲击力作用后, 在弹性形变极限处形成裂纹并迅速增长, 导致材料急剧开裂, 载荷急剧下降至零11。我们将载荷-时间曲线分解为两部分, 裂纹形成功W 1和裂纹扩展功W 2, 用W 2/W 1的比值反映材料韧性的大小(如

11、图5所示 。W 2/W 1的比值愈小, 材料韧性愈小; 反之亦然。很明显, 图5中纯PP 的裂纹扩展功W 2很小, W 2/W 1比值接近零。因此, 纯PP 是脆性材料 。量增加, 裂纹扩展缓慢, 断裂后期仍吸收了较多的能量; 且复合材料完全断裂的时间比纯PP 提高了2倍以上。因此, 短切SF 增强PP 复合材料的韧性比纯PP 有了明显的提高。3结论当SF 长度为20mm 、w pp =30%时, 短切SF/PP 复合材料的冲击性能最好。采用短切SF 增强PP 基体, 可使复合材料断裂过程吸收的能量增加, 裂纹扩展缓慢, 断裂后期吸收能量增大, 即复合材料具有更大的裂纹扩展功。当w pp =3

12、0%时, 不同纤维长度的短切SF/PP 复合材料的的冲击强度与最大形变值、最大冲击载荷及其出现的时间成正比。图5载荷-时间曲线分解图Fig 5Res olution of curves for load - tim参考文献1S ong J , Y in R Y 1Advanced Materials (1 , Beijing , 20001Beijing :New W orld Press , 200012062杨桂成, 曾汉民, 李家驹1玻璃钢/复合材料, 1995, (6 :223杨桂成, 曾汉民, 简念保等1塑料工业, 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周兴平, 解孝林, Li R K Y 1材料研究学报, 2002, 16(5 :55110杨桂成, 曾汉民, 李家驹1玻璃钢/复合材料, 1997,(3 :1211任显诚, 白兰英, 王恒贵等1塑料工业, 2002, 30(5 :42(本文于2003-04-04收到图6纯PP 和短切SF/PP 的能量-时间曲线Fig 6Curves of energy 2time of pure PP and short sisal fiber/PP采用短切SF 增强PP 的复合材料载荷-时间曲线峰形变宽(见图4 , 裂纹扩展功W 2明显增大, 说明复合材料的韧性明显提高。从图6的能

15、量-时间曲线也可以看到, 短切SF/PP 复合材料的冲击能量随时间的增加缓慢上升至极值, 表明材料断裂过程吸收的能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