不同预型件工艺对亚麻聚丙烯热塑性复合材料力学性能的影响

1、不同预型件工艺对亚麻/聚丙烯热塑性复合材料力学性能的影响摘 要 采用交织混编法和包覆纱法加工成型亚麻聚丙烯热塑性预型件及其复合材料，比较了这两种成型方法对预制件及其复合材料的浸渍效果、拉伸性能和剥离性能的影响。结果表明，包覆纱法制备的预型件及其复合材料的浸渍效果较好，孔隙率较低，且力学性能较好，其拉伸强度比交织混编法制备的复合材料拉伸强度提高了46%，剥离强力提高了39%。关键词 亚麻；聚丙烯；热塑性复合材料；交织混编；包覆纱；预型件Effect of Different Preform Process on the MechanicalProperties of Flax/PP Thermo

2、plastic CompositesABSTRACT The effects of different perform process based of co-weave and co-wrapped yarn preforms made form flax/PP yarns on the effective infiltration, tensile and peeling properties of thermoplastic perform and composite were investigated. It was found that, the effective infiltra

3、tion of perform and composite by co-wrapped yarns is better and with lower void interface than that of perform and composite by co-weave process, and the tensile strength is higher 46% and the peeling force is higher 39% than that of composite by co-weave process , respectively.KEYWORDS Flax; Polypr

4、opylene; Thermoplastic composite; Co-weave; Co-wrapped yarn; Preform1 引 言麻纤维增强热塑性复合材料因其可循环利用、对环境无污染、成本低、质量轻等优点1-3，近几年来一直是科研工作者的研究热点之一。目前，制备麻纤维增强热塑性复合材料最为成熟和流行的是利用短纤维和树脂熔融共混的方法以及麻纤维毡和树脂薄膜层叠的方法4-8，但由于热塑性树脂熔融后黏度高，增强纤维的含量被局限在一定范围内，因而对复合材料力学性能的提高有较大的困难。现在，对麻纤维连续状增强体及其制作方法的研究已经越来越多9-17。热塑性树脂与连续增强纤维的结合成型方法

5、，总的说来有两大类方法9，即预浸渍法和预混法，两者的区别在于，前者的树脂直接浸渍了增强纤维而后者的树脂要通过一定的成型加工才能完成对增强纤维的浸渍。预混法包括粉末浸渍法、混纤法、混编法和薄膜层叠法。本文主要使用交织混编法和混纤法中的包覆纱法来制备复合材料，比较这两种成型方法对预制件及其复合材料的浸渍效果、拉伸性能和剥离性能的影响。2 实 验2.1热塑性复合材料的制备利用花式捻线机，将PP长丝以一定捻度缠绕在亚麻芯纱的表面，形成亚麻/PP包覆纱。织造过程分两方面进行，一方面直接用包覆纱织成织物；另一方面，制作混编法织物预型件：先对PP长丝进行加捻和热定型，再与亚麻纱进行织造。两者的织造工艺参数都

6、为：平纹，经密122根/10cm，纬密72根/10cm。将织得的机织布裁成一定尺寸后进行热压。2.2热塑性复合材料拉伸性能和剥离性能测试复合材料拉伸性能按照GBT1447 - 2005 进行测试,仪器为上海龙华测试仪器有限公司的WDW - 20 型微机控制电子万能试验机。复合材料剥离性能参照GB/T 14472005，试样加工参照GB/T 14472005中的型式样加工方式。其中，剥离速度20mm/min，剥离长度为80mm，剥离隔距40mm。3 结果与讨论3.1两种成型方法对预型件织物性能的影响如表1，两种机织物的一些基本性能都比较接近。交织混编法平纹织物的拉伸性能比包覆纱法的好，这可能与纱

7、线强度及织物的结构紧密程度有关，交织混编法织物中的经纬纱结合较为紧密，受力较均匀，其PP长丝也承担了一定的外来载荷，而包覆纱中PP长丝只包覆在纱线表面，没起到承担载荷的作用。如图1、图2（放大倍数均为50倍）所示，整个包覆纱平纹织物的布面看起来整洁、光滑，纱线与纱线之间的缝隙比较大。而混编法平纹织物的布面结构比较紧密，纱线与纱线间的孔隙率小，但布面比较不整洁，上面有许多小纤维丝和毛羽。表1两种预型件织物的性能成型方法麻质量含量织物面密度织物厚度拉伸强度（MPa）（%）（g/m2)（mm）经向纬向交织混编法58388.20.912621.4517.14包覆纱法60396.31.33714.231

8、1.15 图1包覆纱法平纹织物图2交织混编法平纹织物3.2两种复合材料的浸渍效果的影响制作工艺的不同导致了两种复合材料浸渍效果的差异。如图3、图4（放大均为50倍）所示，由于PP基体包覆在亚麻纤维表面，固化时基体流动的距离较短，有利于与纤维的浸润，所以包覆纱法的复合材料表面光滑平整，织物间隙完全被填满，浸渍效果好。而交织混编法复合材料浸渍效果较差，表面可显见孔洞，织物间隙未被填满。图3 包覆纱法复合材料表面图4交织混编法复合材料表面3.3复合材料拉伸与剥离性能的影响3.3.1复合材料拉伸分析复合材料的拉伸强度为破坏载荷或最大载荷与试样宽度和厚度乘积的比值。从表2可知，包覆纱法的最大断裂力比交织

9、混编法的大，两者宽度相同，厚度相差不大，得出的结果表明，其拉伸强度提高了46%左右。这可能因为：1）在织造过程中，PP长丝承担了外来的摩擦，能保护亚麻纤维不受损伤，在热压过程中PP长丝受热表2 两种复合材料的拉伸性能复合材料类别拉伸强度（MPa）断裂伸长率（%）材料厚度（mm）交织混编法31.9619.910.981包覆纱法46.8118.600.895熔化，即使织造时由于摩擦受到损伤也不会影响复合材料的性能；2）在包覆纱法复合材料中，亚麻纱处于伸直状态，受到拉伸时，亚麻纤维能够更好地同时伸直以承受张力；3）两者表面浸渍效果的差异也导致了复合材料力学性能的差异。因此包覆纱法的拉伸性能比交织混编

10、法的要好很多。3.3.2复合材料剥离分析图5包覆纱法复合材料剥离曲线包覆纱法复合材料的剥离力比交织混编法提高了39%左右。复合材料的剥离曲线如图5和图6，从图中可以看到，交织混编法的剥离曲线的波动更加频繁，波峰和波谷间的差距图6交织混编法复合材料剥离曲线比较小，波动的范围较小，说明其层间浸润比较均匀。这和预型件的结构不同有很大关系。包覆纱法中，PP长丝均匀包覆在亚麻的表面，由于织物密度不大，纱线与纱线间有明显的间隙，经过热压后，PP树脂熔化，流动的树脂先浸润离它最近的亚麻纱线再浸润到织物的间隙中，因此，经纬纱交织点处的树脂含量和织物间隙间的树脂含量就有所差异，表现在曲线上波峰和波谷的差距较大。

11、交织混编法中，加捻PP与亚麻纱线紧密平行排列，织物间的空隙小，因此，树脂向经纬纱交织点处和织物间隙流动的距离相差小，两者的树脂含量差异也较小，表现在曲线上波峰和波谷的差距就较小。虽然交织混编法的层间浸润效果比较均匀，但是，从两种复合材料剥离力的波动范围来看，包覆纱法中处于波底位置的剥离力和交织混编法中处于波峰位置的剥离力相近，包覆纱法的剥离力总体上要比交织混编法的大。从剥离力的数值大小以及复合材料表面的浸渍效果可以看出，包覆纱法的浸润效果还是比较好。4结 论不同预型件对复合材料的力学性能影响很大，包覆纱法复合材料的力学性能比交织混编法的优异很多，是制备复合材料的良好的方法之一。虽然交织混编法平

12、纹织物的拉伸性能比包覆纱平纹织物的好，经纬纱结合较为紧密，受力较均匀，但包覆纱法中纤维包覆在增强纤维表面，可以减少在材料加工过程中对增强纤维的损伤。在复合过程中，可以减少基体的流动距离，使纤维和基体实现均匀的混合，浸渍浸润效果更好。包覆纱法复合材料的拉伸强度比交织混编法提高了46%左右，剥离力提高了39%左右。包覆纱法预制件及复合材料既能满足热塑树脂的均匀渗透，又具有良好的加工性能和力学性能，提够了一种可提供高质量构件、又经济可行的热塑性树脂增强连续纤维复合材料制备技术。参考文献1 Harriëtte L, van den Oever JA. Mechanical propertie

13、s of short-flax-fiber reinforced compoundsJ.Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2006,37:1591 -1604.2 杨福生,赵延斌,吴靖. 国外热塑性树脂基复合材料现状及发展趋势J.吉林化工学院学报,2001,18 (3) :74-77.3 徐海燕. 连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的加工方法的探讨J.福建轻纺,2008 (2) :7-12.4 严涛海,陈南梁,王树伦,等. 制备工艺对亚麻增强热塑性复合材料拉伸力学性能的影响J.纤维复合材料, 2009,26 (1) :39

14、-42.5 黄故,刘丽妍.亚麻机织物增强热塑性复合材料的性能J.纺织学报,2007,6 (28):66-69.6 曾竞成,肖加余,梁重云,等. 黄麻纤维增强聚合物复合材料工艺与性能研究J. 玻璃钢/复合材料,2001 (2) :30-33.7 李龙,张茂林,王俊勃,等. 复合材料用混纺纱的结构与浸渍性能研究J.宇航材料工艺,2002 (5) :31-33.8 刘丽妍,王瑞,焦晓宁,等. 亚麻针刺毡/不饱和树脂复合材料的制备与研究J.玻璃钢/复合材料,2004 (2) : 42-44.9 SVENSSON N, SHISHOO R. Manufacturing of thermoplastic

15、composites from commingled yarns a reviewJ. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 1998（11）: 22-56.10 奚莺,陈南梁. 前处理对亚麻增强热塑性复合材料力学性能的影响J.纤维复合材料, 2007,24 (4) :36-39.11 GIBSON A G, MANSEN J A. Impregnation technology for thermoplastic matrix compositesJ.Composites Manufacturing，1992, 3（4）: 223-233

16、.12 刘丽妍,黄故. 亚麻/聚丙烯机织复合材料薄板的制备与研究J. 玻璃钢/复合材料,2005 (5) : 17-19.13 JIANG J H, YAN T H, DUAN J Z,et al. Manufacture of preform with co-wrapping spinning yarns based on natural fibers and thermoplasticsJ. Textile Bioengineering And Informatics Symposium Proceedings, 2008（1）: 977-983.14 张安定,马胜,丁辛,等. 黄麻纤维增强聚丙烯的力学性能J.玻璃钢/复合材料，2004（2）:3-5. 15 熊志洪,刘晓洪,曾军河,等. 苎麻增强PP复合材料薄板的拉伸性能研究J.纤维