玻璃纖維布增強高密度聚乙烯性能研究

郭梅英，楊紅娜，吳曉青

(1.天津工業大學，先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387)(2.北京航天合眾科技發展有限公司，北京 100076)

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玻璃纖維布增強高密度聚乙烯性能研究

郭梅英1，楊紅娜2，吳曉青1

(1.天津工業大學，先進紡織復合材料教育部重點實驗室，天津 300387)(2.北京航天合眾科技發展有限公司，北京 100076)

通過熱壓罐成型工藝制備了玻璃纖維增強高密度聚乙烯(HDPE)復合材料，重點對材料的沖擊性能以及熱穩定性能進行了研究。研究結果表明：隨著玻纖質量分數的提高，復合材料沖擊性能呈現先增大后減小趨勢，并在玻纖質量分數為30%時最佳；隨著沖擊能量增大，復合材料沖擊性能呈現先增大后減小趨勢，并在35J能量時達到最佳。樹脂材料的熱穩定性也因為玻璃纖維的增強有了一定提高。

玻璃纖維布；HDPE；熱壓罐成型；力學性能；熱穩定性

1　引 言

熱塑性樹脂經纖維增強后，強度、模量等性能都得以提高。并且熱塑性復合材料與熱固性復合材料相比具有：輕質高強、高韌性、高損傷容限、成本低、加工工藝簡單、可回收利用、無環境污染等優點，在汽車、航空航天、電能、建筑、工業、醫療等領域迅速發展[1-4]。聚乙烯雖然機械強度不高，但是成型溫度范圍廣，易于成型，纖維增強的聚乙烯可以在很大程度上改善樹脂和纖維的性能，制得理想性能的材料。因此，纖維增強的聚乙烯復合材料近年來一直是研究的熱點。Claire Steggall-Murphy[5]、Wellington Chu[6]、D.Bikiaris[7]、李力[8]、張寧[9]等人分別對纖維增強聚乙烯復合材料的性能進行了研究。雖然國內外在玻纖增強聚乙烯研究上已有了一些經驗，但大多是以短纖維為增強體，通過擠出成型，或用長纖維增強預浸料制備復合材料，直接使用玻璃纖維布對熱塑性樹脂進行成型的研究較少。本文通過使用熱壓罐成型工藝對玻璃纖維布增強的高密度聚乙烯復合材料進行成型，并對成型材料的沖擊性能以及熱穩定性能進行分析。

2　實驗部分

本實驗中選擇大連櫻田機械制造有限公司制造的熱壓罐進行復合材料的成型。原材料為常州天馬集團生產的中堿玻璃纖維無捻粗紗布與河北省保定恩世包裝生產的HDPE樹脂薄膜。

選用美國Instron Dynatup 9250HV，參考標準GB/T 1843-2008，對材料沖擊性能進行測試；選用德國耐馳STA449F3型同步熱分析儀對材料熱穩定性能進行測試；選用日本日立MT-1000掃描電子顯微鏡對材料進行掃描。

3　結果與討論

3.1沖擊性能

對玻璃纖維增強HDPE復合材料在施加30J能量前提下，纖維含量對材料沖擊性能影響如圖1所示。

圖1　不同纖維質量含量時材料沖擊性能影響

圖1中可以觀察到材料沖擊強度隨著纖維質量增大呈現先增大后較少趨勢；表面沖擊凹坑深度隨著纖維質量增大呈現出先減少后增大趨勢。在玻纖質量分數為17%時，材料受沖擊作用破壞最嚴重。

當玻璃纖維含量較低時，樹脂在復合材料受到沖擊時起到主導地位，由于聚乙烯樹脂耐沖擊性能較差，導致材料耐沖擊強度較低。隨著玻纖含量增加，纖維破裂以及拔出過程中吸收了大部分的沖擊能量，在一定程度上提高了板材的韌性，增大了材料的層間斷裂能力。抵抗破壞性能的增強也使得沖擊坑的深度與復合板材厚度的比值不斷減少。當纖維含量在30%時，復合材料的耐沖擊性能最佳，復合板材吸收的能量最多。在超過這個質量分數時，材料的耐沖擊性能反而有了一定的下降。是因為隨著玻璃纖維布層數的增多，樹脂含量減少，樹脂不能完全浸漬纖維，從而導致了較差的層間結合能力，導致材料在受到外力沖擊時存在較多的殘余應力，降低了材料的力學性能。同時沖擊凹坑深度也隨之增大。

選定材料中玻璃纖維質量分數為30%前提下，能量對材料沖擊性能影響如圖2-3所示。

圖2中沖擊強度與表面凹坑深度隨能量增大均呈現先增大后減少趨勢。在這里結合圖3不同能量下復合板材時間-載荷關系對產生這種現象原因進行分析。

圖3中可以觀察到，隨著沖擊能量增大，沖擊速度變大，達到最大載荷的時間變短，整體沖擊時間不斷減少，載荷-時間曲線的波動越發的劇烈，曲線中峰值也呈現出不斷增大的趨勢，因此對復合板材造成的損傷也越加嚴重。這是因為在較小的沖擊能量時，材料主要變化為結構出現一定的彈性變形，此時板材并未產生過多的損傷。在能量稍微增大時，板材產生了包括小的分層以及基體裂紋等輕微的損傷，也不足以對板材產生明顯的影響。此時，曲線呈現出小幅的波動，但整體并不是十分劇烈，材料表面凹坑深度增大。在更大的能量時，板材會出現明顯的損傷，凹坑深度達到最大，表現為纖維與基體樹脂的分層以及纖維的斷裂，此時就會對板的剛度產生較大的影響。同時，時間-載荷曲線也會出現較大的波動。

圖2　不同能量下復合板材沖擊性能

圖3　不同能量下復合板材時間-載荷關系圖

3.2熱穩定性分析

圖4為純樹脂與成型材料熱穩定性的對比。

圖4中可以看出，玻璃纖維的加入明顯增強了樹脂材料熱穩定性能。因為玻璃纖維在材料中起到了剛性鏈的作用，基體分子間的運動由于玻璃纖維的加入變得相對困難。因此玻璃纖維的加入提高了玻璃纖維增強熱塑性高密度聚乙烯復合材料的熱降解溫度。

3.3復合材料沖擊斷口形貌

圖5為玻璃纖維增強HDPE復合材料的沖擊斷口的掃描電鏡圖。

圖5中可以看出，在沖擊載荷的作用下，基體樹脂與玻璃纖維產生了分層，并且有大量的玻璃纖維從基體中拔出斷裂，殘留斷面上玻璃纖維表面光滑，粘附較少的HDPE樹脂。說明HDPE樹脂對玻璃纖維浸漬不理想，在外力作用下樹脂與纖維很容易發生脫黏破壞。

圖4　復合材料熱重分析

圖5　成型板材的沖擊斷口圖

4　結 語

(1)確定熱壓罐成型工藝可以成型熱塑性復合材料。

(2)當能量固定時，沖擊強度隨玻纖質量分數增大均呈現出先增大后減小的規律，當玻纖質量分數為30%時材料沖擊強度均達到最大。當玻纖質量分數30%時，玻纖增強HDPE復合材料沖擊強度隨能量增大呈現先增大后減小的規律，35J時達到最大。

(3)玻璃纖維增強后樹脂的熱穩定性與純樹脂相比有了提高。

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[3]李慶飛，王一飛，吳承思.大型客機復合材料中央翼整體化設計研究[J].纖維復合材料，2013(1): 3-7.

[4]葉鼎銓.國外纖維增強熱塑性塑料發展概況[J].國外塑料.2012,30(5):34-40.

[5]Claire Steggall-Murphy,Pavel Simacek,Suresh Advani,Shridhar Yarlagadda,Shawn Walsh_ A model for thermoplastic melt impregnation of fiber bundles during consolidation of powder-impregnated continuous fiber composites [J].Composites: Part A,2010,41( I ):93-100.

[6]Wellington Chu,Lixin Wu,Vistasp Karbhari.Comparative Degradation of Pultruded E-Glass/Vinylester in Deionized Water,Alkaline Solution,and Concrete Leachate Solution[J].Journal of Applied Polymer Science,2006(99):1405-1414.

[7]D.Bikiaris,P Matzinos,J.Prinos,et al.Use of Silanes and Copolymers as Adhesion Promoters in Glass Fiber/Polyethylene Composites[J].Journal of Applied Polymer Science,2001,80(14): 2877-2888.

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[9]張寧,李忠恒,陶宇，等.長纖維增強聚乙烯復合材料的研究[J],工程塑料應用,2006(10):21-25.

Glass Fabric Reinforced High Density Polyethylene Composite Material Preparation and Properties Research

GUO Meiying1,YANG Hongna2,WU Xiaoqing1

(1.Kay Laboratory for Advanced Textile Composite of Ministry of Education,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387)(2.Beijing aerospace modern science and technology development co.,LTD,Beijing,100076)

This paper through the autoclave molding process preparation of glass fiber reinforced high density polyethylene (HDPE) composite material,focus on the impact of the material performance and thermal stability were studied.The results show that with the improvement of glass fiber mass fraction,composite material showed a trend of first increases and then the impact resistance,and the glass fiber the best when the mass fraction of 30%; With impact energy increases,the composites showed a trend of first increases and then the impact resistance,and at the age of 35 J energy to achieve the best.Thermal stability of the resin material because of glass fiber reinforced has been raised.

Glass Fabric; HDPE; Autoclave Molding; mechanical property; thermal stability

2015-08-16)

郭梅英(1988-)，女，碩士研究生，研究方向：熱塑性復合材料。E-mail:gmytjgy@163.com.

吳曉青(1964-)，女，教授，博士生導師；E-mail:wuxiaoqing501@126.com.