黄麻纤维增强聚丙烯的力学性能

1、收稿日期:2003211205作者简介:张安定(1975- , 男, 在读硕士。黄麻纤维增强聚丙烯的力学性能张安定1, 马胜2丁辛1, 王依民2(11东华大学纺织学院, 21东华大学材料学院, 上海200051摘要:本文讨论了注塑成型黄麻纤维增强聚丙烯的制备方法和力学性能。将纤维重量含量分别为10%、20%和30%的复合材料进行比较, 分析纤维含量对复合材料拉伸、弯曲和冲击性能的影响; 将纤维分别切成约3mm 、5mm 和10mm 长制成复合材料进行比较, 分析纤维长度对复合材料拉伸、弯曲和冲击性能的影响。掺入黄麻纤维能使聚丙烯的拉伸和弯曲性能提高, 但使其冲击强度降低; 随纤维含量的增加或纤

2、维长度的增加, 复合材料的强度和模量是递增的, 而冲击强度是递减的。关键词:黄麻纤维; 聚丙烯; 纤维含量; 纤维长度; 复合材料中图分类号:TQ32711文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2004 02-0003-031前言黄麻有较高的比强度和比模量, 与热塑性树脂(如聚丙烯 结合, 能开发出可降解和再生的绿色复合材料, 因此具有潜在的工业应用价值。国外很早就开始对黄麻增强复合材料产品的研制与开发, 其中以黄麻生产大国印度的研究最具有代表性1。在黄麻增强聚丙烯的研究中, 黄麻与聚丙烯界面之间较弱的粘接强度是限制复合材料机械性能提高的主要原因, 24学性能, 能进行了探索5,6。最

3、进几年, 国内一些研究人员对麻增强复合材料产生浓厚的兴趣713, 但对黄麻纤维增强复合材料的研究工作大多数限于热固性树脂。如郑融等12研究了黄麻线状单向纤维和随机分布短纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能, 并与竹纤维增强环氧树脂的性能予以比较; 曾竟成等13讨论了黄麻有捻纤维束和黄麻布增强环氧树脂、酚醛树脂和不饱和聚酯树脂复合材料的力学性能, 得出黄麻纤维与通用的热固性树脂基体有较好浸润性; 黄麻纤维单向复合材料的性能比黄麻布复合材料高, 与玻璃纤维布增强复合材料相当; 黄麻布复合材料作为结构材料, 其性能与玻璃纤维布复合材料相当。我国是产黄麻大国, 占世界总产量的20%, 扩大黄麻制品的应用

4、领域, 特别是开发黄麻在产业纺织品中的运用是非常必要的。本文探讨纤维含量和纤维长度对黄麻纤维增强聚丙烯的拉伸、弯曲和冲击性能的影响, 为进一步的工作做探索。2试验所用的原料为半脱胶的黄麻工艺纤维, 由浙江麻纺织有限责任公司提供; 聚丙烯粉料由上海石油化工股份公司提供。材料的物理机械性能如表1所示。表-3 GPa%回潮率%残胶率%42414. 132. 5412. 64. 24聚丙烯0. 9128. 50. 86710. 34将黄麻工艺纤维分别切成3mm 、5mm 、10mm 不同长度, 洗净后烘燥, 然后与聚丙烯共混, 冷却后造粒, 在注塑成型机上注射成试样。对于天然纤维复合材料, 由于目前还

5、没有统一的性能测试标准, 所以在测试其性能时, 常采用高分子材料力学性能试验方法或者参照其他复合材料的测试标准。本文的拉伸试验使用ASTM (D63814 标准的哑铃试件, 拉伸速度为5mm min 、钳距100mm 。弯曲试验采用的三点弯曲法, 使用ASTM (D790 标准, 弯曲速度为5mm min 、跨距95mm 。由于弯曲试样不易断裂, 所以加载的位移只达到试样厚度的1. 5倍, 弯曲试验即终止。冲击试验采用悬臂梁(Izod 法, 使用ASTM (D256 标准。每种试样测试5次, 取数据的平均值。纤维含量和长度是影响复合材料的两个主要因素。在本研究中, 为了试样的方便制作并保证稳定

6、的性能, 选择5mm 长的纤维, 制成纤维重量分数为10%、20%和30%的试样, 以考查纤维含量对复合材料性能的影响。另外, 选择纤维长度分别为32004年第2期玻璃钢复合材料FRP CM 2004. No. 23mm 、5mm 和10mm 制成纤维重量分数为10%的试样, 以考查纤维长度对复合材料力学性能的影响。3结果和讨论311黄麻纤维含量对复合材料力学性能的影响性能测试结果如表2所示。在表中第一个字母H 表示黄麻纤维, 第二个字母P 表示聚丙烯; 前两位数字表示黄麻纤维的重量百分含量; 第三位以后数字表示纤维长度。从表中可以看到, 三种不同纤维含量复合材料的拉伸强度比聚丙烯增加4. 5

7、%以上, 但拉伸强度随着纤维含量增加有小幅减小, 但变化不明显。复合材料的拉伸模量与聚丙烯相比都有较大提高, 如HP105的拉伸模量是聚丙烯的2. 4倍, 且复合材料的拉伸模量随纤维含量的增加而递增。表2纤维含量对复合材料力学性能的影响试样种类PP HP105HP205HP305拉伸强度MPa 28. 530. 4830. 1229. 78拉伸模量GPa 1. 1242. 693. 103. 36弯曲强度MPa 30. 1636. 239. 240. 7弯曲模量GPa 0. 7761. 3231. 7682. 5冲击能量 K J m -26. 4. 4. 18图1三种纤维增强聚20%以上, H

8、P305的弯曲强度比聚丙烯增加30%多, 且复合材料的弯曲强度随着纤维含量增加而增加。复合材料的弯曲模量比聚丙烯的也大得多, 如HP305的拉伸模量比聚丙烯大3倍多; 同时复合材料弯曲模量随纤维含量增加而递增。图1纤维含量对复合材料拉伸性能的影响表2显示, 在聚丙烯中掺入黄麻纤维后, 试样冲击强度的下降都超过了25%, 且复合材料的冲击强度随着纤维含量的增加而降低, 但降低的幅度不大。图2显示了不同纤维含量复合材料的伸长率(本文用对应于最大拉伸应力时的伸长率来表示, 下同 均比聚丙烯低得多, HP205和HP305的伸长率都不到聚丙烯的50%, 且随纤维含量增加复合材料的伸长率递减。在拉伸试验

9、时,HP205和HP305的试样表现出明显的脆性断裂, 在断口周围有少量裂纹;HP105的试样有“颈缩”现象, 断口周围有白色的裂纹, 聚丙烯的试样则更早出现“颈缩”, 且具有相当高的伸长率。图231, 3. 6%, 且复合材料的拉伸强度随纤维长度的增加而递增。图3中显示复合材料的应力应变曲线比聚丙烯的陡峭得多; 相应的拉伸模量比聚丙烯的提高2倍多, 且拉伸模量随纤维长度的增加而增加。纤维增强聚丙烯的弯曲强度随着纤维长度增加而增加, 同时弯曲模量随纤维增加而递增。HP1010的弯曲强度和模量是三种复合材料中最大的, 说明增加黄麻纤维长度对提高复合材料的机械性能是有利的。 另外, 不同黄麻纤维长

10、度复合材料的冲击强度都比聚丙烯的小, 且复合材料冲击强度随纤维长度增加而减小。表3纤维长度对复合材料力学性能的影响试样种类PP HP103HP105HP1010拉伸强度MPa 28. 529. 5430. 4830. 9拉伸模量GPa 1. 1242. 472. 692. 86弯曲强度MPa 30. 1635. 836. 237. 7弯曲模量GPa 0. 7761. 2771. 3231. 365冲击能量K J m -26. 575. 785. 104. 41图4显示三种不同纤维长度复合材料的伸长率比聚丙烯的降低了至少40%, 且随纤维长度增加复合材料的伸长率递减。在拉伸试验中, 试样都有“颈

11、缩”现象, 断口周围有白色的裂纹。42004年3月黄麻纤维增强聚丙烯的力学性能FRP CM 2004. No. 2 图3 纤维长度对复合材料的拉伸性能的影响图4纤维长度对复合材料伸长率的影响4结论通过以上测试分析, (1 , , 但冲击强度和(最大拉伸力时的 伸长率都有所下降;(2 黄麻纤维含量对复合材料的机械性能起明显的作用。随纤维含量的增加, 弯曲强度和模量都是递增的。当纤维含量超过10%后试样拉伸强度变化不大, 但随纤维含量的增加, 复合材料的冲击强度和伸长率都是递减的;(3 黄麻纤维长度对复合材料的机械性能影响显著。随纤维长度的增加, 复合材料的强度和模量是递增的, 而冲击强度和伸长率

12、是递减的。参考文献1余权英. 黄麻塑料复合材料J.高分子通报,1991,2:72-76. 2A C Karmaker , J A Y oungquist. Injection molding polypropylenereinforced with short jute fibers J.Journal of Applied Polymer Science 1996,62(8 :114221151.3A C Karmaker , J P Schneider. Mechanical performance of shortjute fiber reinforced polypropylene J

13、.Journal of Materials Science Letters ,1996,1(2 :2012202.4A K Rana , A. Mandal , B C Mitra , R Jacobson. Short jute fiber re 2inforced polypropylene composites :effect of compatibiliar J .Journal of Applied Polymer Science ,1998,69(3 :3292338. 5A K Rana , B C Mitra , A N Banerjee J.Short jute fiber

14、rein 2forced polypropylene composites :dynamic mechanical study J.Journal of Applied Polymer Science ,1999, 71(4 :5312539. 6J G Andrzej , K Bledzki. Influence of fiber surface treatment on thecreep behavior of jute fiber reinforced polypropylene J.Journal of Therm oplastic C omposite , 12(8 :3882398

15、.7, . J.工(8. 苎麻落麻纤维增强聚丙烯复合材料J.玻璃钢复合材料, 2001, (11 :16218.9王惠民. 亚麻纤维加强复合材料的纤维性能研究J.麻纺织技术,1998,21(5 :19221.10李欣欣, 普萨那. 天然椰壳纤维及其增强复合材料J.上海化工,1999,24(14 :28230.11王俊勃, 郑水蓉. 苎麻纤维增强酚醛复合材料的研究J.纤维复合材料. 2001,18(1 :13215.12郑融, 冼杏娟, 叶颖薇等. 黄麻纤维环氧复合材料及其性能分析J.复合材料学报,1995,12(1 :18225.13曾竟成, 肖加余, 梁重云等. 黄麻纤维增强聚合物复合材料工

16、艺与性能研究J.玻璃钢复合材料,2001, (3 :30233.MECHANICAL BEHAVIORS OF JUTE FIBER REINFORCE D POLYPR OPYL ENE COMPOSITEZHAN G An 2ding 1, MA Sheng 2, DIN G Xin 1, WAN G Y i 2min2(11College of Textiles , Donghua University , Shanghai 200051, China ;21College of Material Science and Engineering , Donghua University

17、, Shanghai 200051, China Abstract :In this paper mechanical behaviors of jute fiber reinforced polypropylene composite prepared by injection molding are studied. The tensile strength , flexural and impact strength of samples with different fiber contents are investigated by comparing three kinds of

18、composites with fiber contents of 10, 20and 30wt %.The tensile strength , flexural and impact strength of samples with different fiber length are also investigated by com 2paring three kinds of composites with fibers chopped approximately to 3mm , 5mm and 10mm in length. The re 2sults show that the tensile and flexural properties are improved to some extent after jute fibers added , as com 2pared to pure polypropylene , while its impact strength is lower. The flexural strength and moduli of composites increase with fiber conten