长玻纤增强PET复合材料的力学性能研究

      随着纤维增强复合材料的发展，热塑性复合材料由于具有较高的环境稳定性、高冲击强度、可回收性等优点受到了日益广泛的关注，其中短纤增强热塑性复合材料已商品化且应用十分广泛。但目前商品化的短纤增强复合材料在抗冲击性能等方面仍显不足，因此复合材料的应用范围受到一定的限制。而长玻纤增强复合材料的出现，不仅可以提高玻纤含量，而且可以使复合材料的性能得到大幅提高。但传统的制备长玻纤增强热塑性复合材料的工艺u' ，如熔融浸渍法、悬浮液浸渍法、溶液浸渍法、流态化床浸渍法等以及一些新型的生产方法，如反应注射拉挤成型法等，都存在一些缺点。本文针对传统热塑性复合材料生产工艺的缺陷，采用新的熔融浸渍法制备了长玻纤增强PET复合材料，对注塑样品的力学性能及界面性能进行了研究。

　　1 实验部分

　　1．1 长玻纤增强PET切片的制备

　　采用自制的长玻璃纤维浸润装置，以PET树脂浸渍长玻璃纤维，经切粒后得到长度为6 mm的长玻璃纤维增强PET预浸料切片，然后在一定温度下热处理。

　　1．2 长玻纤增强PET切片的注塑成型

　　将上述热处理的切片按表1的工艺条件注塑成型，注塑后的样条置于干燥器中待用。

　　1．3 长玻纤增强PET复合材料性能测试

　　性能测试包括力学性能测试(拉伸强度、弯曲强度、冲击强度)及热变形温度测试，其测试方法均按照ASTM标准进行。

　　表1 长玻纤增强PET的注塑条件

　　1．4 纤维长度分布的测定

　　将注塑样条经烧蚀去除基体树脂后，将纤维分散到1％的丙三醇水溶液中，滴数滴悬浮液在载玻片上，干燥后，将载玻片放在OLYMPUS BH2一UMA光学显微镜下观察，经计算得出数均纤维长度L 及重均纤维长度。

1．5 扫描电镜(SEM)观察

　　采用日本电子株式会社JSM一5600LV型扫描电镜观察长纤增强PET注塑样条的断面形貌。

2 结果与讨论

　　2．1 玻纤用置对长玻纤增强PET复合材料力学性能的影响
 

　　　　图1 玻纤用量对长玻纤增强PET复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响

　　图1是玻纤用量对长玻纤增强PET复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响。从图1可看出，随着玻纤用量的增加，其拉伸强度不断增大；当玻纤用量达50％ 时，注塑样条的拉伸强度比玻纤用量为20％ 时的提高了约22％ 、而且玻纤用量在20％ ～50％ 之间时，每增大10％ ，其拉伸强度平均提高7％。复合材料的弯曲强度也随着玻纤用量的增加而不断增大。当玻纤用量达5O％ 时，复合材料的弯曲强度可达292MPa，远远高出采用熔融浸渍法生产的同类产品。

 

　　　　　　　　图2 玻纤用量对复合材料冲击强度和弯曲弹性模量的影响

　　图2是玻纤用量对复合材料冲击强度和弯曲弹，陛模量的影响。从图2可看出，在玻纤用量为40％时，长玻纤增强PET复合材料的冲击强度最大，但继续增加玻纤用量，冲击强度反而下降。界面的完整理论认为：一般情况下，当复合材料受到外加载荷时，产生的应力在复合材料中的分布是不均匀的，在界面的某些结合较强的部位常会集中比平均应力高许多的应力、界面的不完整性和缺陷同样也会引起界面的应力集中。界面的应力集中首先会引起应力集中点的破坏，形成新裂纹，并引起新的应力集中，从而使界面传递应力的能力下降。玻纤的大量加入，破坏了PET树脂的均一性，形成了更多的应力集中区，当材料受到冲击时，应力集中区首先受到破坏； 因此， 冲击强度不是简单的随着玻纤用量的增加而增大，而是在某一用量时达到最大值。

　　从图2还可看出，随着玻纤用量的增加，其弯曲弹性模量不断增大。其中，玻纤用量为50％时复合材料的弯曲弹性模量比玻纤用量为20％时提高了一倍多。

　　众所周知，在纤维增强复合材料中，纤维主要起承载作用；因此，一般来说，基体中纤维的含量越高，其增强效果越显著。综合实验结果及实际材料的制备工艺考虑，玻纤用量介于40％ ～50％之间较为适宜。

　　2．2 长玻纤增强PET复合材料的力学性能比较

　　表2 长玻璃纤维增强PET复合材料的力学性能比较

 

表2对自制的长玻纤增强PET复合材料的力学性能与商品化的采用熔融浸渍法生产的同类产品进行了比较。

　　由表2可看出，与相同玻纤用量的采用熔融浸渍法生产的长纤增强PET商品相比，本实验产品的拉伸强度提高了20％，弯曲强度提高了7％ ，而冲击强度提高了27％ ，这主要得益于基体树脂与玻纤之间形成的良好的界面粘合。

　　2．3 玻纤用量对制品中玻纤长度分布的影响

　　理论上讲，长纤维的增强效果远远好于短纤维。对界面强度相等、纤维长度不同的增强体系而言，纤维长度越长，纤维与树脂的界面粘结力就越大，树脂所受的负荷就能很好地传递给纤维，因此复合材料的强度也就越高。从复合材料断口形貌也可以看出(见图3)，断口拔出的纤维很长，需要消耗越多的拔出功。由于纤维需要承受来自基体的载荷，因此，长度增加，承受的载荷越大。

　　表3 不同玻纤用量的长纤增强PET复合材料注塑样品中的纤维长度

 

表3是不同玻纤用量的PET复合材料注塑样条中纤维的长度及其分布。表3可以看出，随着玻纤用量的增加，纤维的平均长度呈下降的趋势。这主要是由于随着纤维用量增加，纤维之间、纤维与机械及纤维与树脂之间的摩擦增大，纤维的磨损也随之增加。本实验的复合材料注塑样品中的纤维平均长度明显低于文献-5’6 J中长纤增强复合材料的纤维平均长度。这有两方面的原因：第一，原始纤维长度较小，仅为6mm；第二，由于注塑设备限制，注塑采用了短纤增强复合材料的条件。但由本工艺制备的长纤增强PET的力学性能仍优于熔融浸渍法制备的长纤增强PET。

　    2．4 复合材料的界面性能研究

　   复合材料要求纤维与基体材料之间能够形成具有一定结合强度的界面。适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度，更重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维，以充分发挥其增强作用。从图3各断面的SEM照片可以看出，包埋在树脂中的单根玻璃纤维表面均覆盖有一层基体树脂，这可能是由于玻纤与树脂间在长玻纤增强PET制备过程中已发生了化学接枝，形成了良好的界面、从而使应力能够通过界面有效传递，并使材料的力学性能明显提高。

　　　　　　　　　图3 长玻纤增强PET注塑样条断面的SEM照片

　　3 结论

　　1)采用本文提出的工艺方法能够制备出具有良好的界面粘合性及力学性能优良的长玻纤增强PET复合材料。

　　2)玻纤用量对长玻纤增强PET的力学性能有一定的影响， 当玻纤用量在40％ ～50％之间时，其综合力学性能达到最佳。

　　3)长玻纤增强PET注塑样条中，玻纤长度随纤维用量的增加而有所降低。