玻纖增強超高分子量聚乙烯墊板材料的制備及性能研究

于海華 陶佳棟 羅忠昕 陳勇強 郭強

(勝利新大新材料股份有限公司，山東 東營 257000)

在工程建設、搶險救災、軍事活動等過程中，前期臨建道路鋪設或作業(yè)平臺建設是影響進程的重要因素，復合材料墊板是一種用于快速搭建平臺或通道的板材，可快速鋪設道路和作業(yè)平臺，解決輜重裝備的通行和作業(yè)問題。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是指相對分子質量大于150 萬的線性結構熱塑性工程塑料，最早于1958 年由德國的赫斯特公司開發(fā)研制成功和實現(xiàn)工業(yè)化生產。UHMWPE 材料具有質量輕、彈性變形伸長率高、抗沖擊性能和耐酸堿腐蝕優(yōu)異等特點[1]，是制備高性能復合材料墊板的優(yōu)質基體材料。目前國內聚乙烯復合材料墊板采用純UHMWPE 或HPDE 材料生產制造，強度低，耐磨性能較差，加工成型困難等缺點，需對其進行增強改性處理。采用玻璃纖維與熱塑性樹脂進行共混是一種常用的改性手段，采用纖維增強可以有效提高材料的力學性能，適用于較為苛刻的使用環(huán)境、承載力要求較高的場合，為當前新材料研究的重點和發(fā)展的方向。玻璃纖維作為常用的增強材料，分為無堿、中堿以及高堿玻璃纖維，具有抗拉性能較好，彈性模量大、價格便宜等特點，作為增強材料使用后可提高制品的剛性，具有良好的抗變形能力，耐磨性好，且價格便宜[2]。

本文采用玻璃纖維對超高分子量聚乙烯(UHMWPE)進行改性，制備了玻璃纖維增強超高分子量聚乙烯墊板用復合材料，研究玻纖含量對UHMWPE 改性復合材料的拉伸、彎曲及沖擊等力學性能以及摩擦磨損性能的影響規(guī)律，分析了玻纖含量對改性UHMWPE 復合材料的改善作用。為玻纖增強超高分子量聚乙烯復合材料墊板的設計和應用提供基礎實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 原材料

表1 主要原材料

1.2 實驗設備及儀器

表2 主要實驗設備及儀器

1.3 試樣制備

本研究采用UHMWPE 與不同比例玻璃纖維進行混配試驗，玻纖含量分別為0%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%。通過實驗確定出最佳的UHMWPE、玻璃纖維混配比例。配置過氧化氫、蒸餾水、氨水混合液，滴加乙酸，將PH 值調至4-5，按玻纖量的3%添加KH550 硅烷偶聯(lián)劑，混合均勻，將玻璃纖維放入其中浸泡，反應4 小時，完成后在80℃下進行烘干。按照實驗設定的不同比例將玻纖與UHMWPE混合，在自動攪拌機內攪拌15min，物料混合均勻后放入干燥箱烘干[3]。將物料放入模具腔內鋪滿，清理周圍余料，將模具置于平板硫化機內，先在10MPa 壓力下預壓，溫度達到設定值180℃后，加壓至15MPa，熱壓20min，再冷卻至常溫制成所需樣板。利用萬能制樣機，對制得的8 組不同玻纖含量的UHMWPE 改性樣板，按照摩擦磨損性能試驗標準、拉伸試驗標準、彎曲試驗標準以及簡支梁缺口沖擊試驗標準制作標準試樣，進行摩擦磨損性能和力學性能試驗。

2 玻纖增強UHMWPE 復合材料的力學性能測試

2.1 拉伸性能測試

利用CMT5305 型萬能試驗機，根據(jù)GB/T 1447-2005 標準規(guī)定，對不同玻纖含量的UHMWPE 復合材料進行拉伸強度測試，試驗速度為50mm/min。記錄試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)公式1、公式2 計算得到拉伸強度和斷裂伸長率如表3 所示。

表3 不同玻纖含量UHMWPE 復合材料的拉伸性能

式中：σt- 試樣拉伸強度，單位MPa；

F- 試樣最大拉伸載荷，單位N；

b- 試樣寬度，單位mm；

d- 試樣厚度，單位mm。

式中：εt- 試樣斷裂伸長率，單位%；

ΔLb- 試樣斷裂時標距L0內的伸長量，單位mm；

L0- 測量的標距，單位mm。

圖1 為玻纖增強超高分子量聚乙烯材料的拉伸強度與玻纖含量的關系圖，從圖中可以看出，隨著玻纖含量的增加，試樣的拉伸強度呈現(xiàn)先增大后減小的變化。玻纖含量約30%時，拉伸強度最大，達到69.4MPa，而后隨玻纖含量增加又呈下降趨勢。

圖1 玻纖含量與試樣拉伸強度的關系

圖2 為玻纖增強超高分子量聚乙烯材料的拉伸斷裂伸長率與玻纖含量的關系圖，從圖中可以看出，純UHMWPE 試樣的斷裂伸長率為501.5%，在添加玻璃纖維后，試樣的斷裂伸長率驟降至5%左右。

圖2 玻纖含量與試樣斷裂伸長率的關系

2.2 彎曲性能測試

按GB/T 1449-2005 標準規(guī)定，對不同玻纖含量的UHMWPE 復合材料進行彎曲強度測試，試驗速度為50mm/min。記錄試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)公式3 計算得到彎曲強度，測試結果如表4 所示。

表4 不同玻纖含量UHMWPE 復合材料的彎曲性能

式中：σb- 試樣彎曲強度，單位MPa；

P- 試樣最大彎曲載荷，單位N；

l- 支撐間距，單位mm；

b- 試樣寬度，單位mm；

h- 試樣厚度，單位mm。

圖3 為玻纖含量與試樣彎曲強度的關系圖，隨玻纖含量增加，彎曲強度與拉伸強度一樣，呈現(xiàn)先增長后下降的曲線圖。玻纖含量約30%時，彎曲強度最大，達到120.6MPa，而后隨玻纖含量增加又呈緩慢下降趨勢。

圖3 玻纖含量與試樣彎曲強度的關系

2.3 沖擊性能測試

利用SLC-200 型沖擊試驗機，根據(jù)GB/T 1451-2005 標準規(guī)定，對不同玻纖含量的UHMWPE 復合材料進行沖擊強度測試，試樣采用單缺口的簡支梁側向沖擊類型。記錄試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)公式(4)計算得到沖擊強度，測試結果如表5 所示。

表5 不同玻纖含量UHMWPE 復合材料的沖擊性能

式中：αk- 試樣沖擊強度，單位KJ/m2；

A- 試樣破壞時吸收的能量，單位J；

h- 試樣厚度，單位mm；

b- 試樣剩余寬度，單位mm。

圖4 為玻纖含量與試樣沖擊強度的曲線圖，隨玻纖含量增加，試樣沖擊強度先增長后下降。玻纖含量約30%時，沖擊強度最大，達到66.1KJ/m2。材料的沖擊性能曲線與拉伸、彎曲一致。

圖4 玻纖含量與試樣沖擊強度的關系

2.4 結果分析

由圖1、圖3 和圖4 可知，UHMWPE 加入玻纖共混改性后，材料的拉伸、彎曲和沖擊性能均呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，極值點在玻纖含量30%左右。改性后材料力學性能的提升是由于玻璃纖維在復合材料中主要起骨架作用，吸收大部分外力作用產生的能量，整體力學性能增強。當玻纖含量較低時，玻纖與UHMWPE 樹脂間浸潤充分，隨著纖維含量的增加，材料性力學性能提升。而當玻纖含量超過30%甚至更高時，纖維在UHMWPE 基體樹脂中可能會出現(xiàn)纖維間堆積，玻纖間UHMWPE 樹脂少，容易產生氣泡或空洞等局部缺陷，玻纖與樹脂之間界面相容性差的缺點暴露出來，材料的各項力學性能開始下降[4]。由圖2 可知，UHMWPE 中加入玻纖共混改性后，材料的斷裂伸長率下降至5%左右，這是由于玻纖的斷裂伸長率低，且受拉時纖維先受力，材料的斷裂伸長率約等于玻纖的斷裂伸長率。

3 玻纖增強UHWMPE 復合材料的摩擦磨損性能測試

利用MMW-1 型萬能磨損試驗機，對不同玻纖含量的UHMWPE 復合材料進行摩擦磨損性能測試。試驗前需用無水乙醇清洗試樣和對磨鋼環(huán)，烘干，此外還需用800 目的砂紙對鋼環(huán)摩擦表面進行拋光。試驗在室溫下進行，轉軸速度為200r/min，摩擦載荷為200N，試驗時間為30min。用精密天平稱取試樣試驗前后的質量，由此得到試樣的磨損量[5]，記錄試驗數(shù)據(jù)，如表6 所示。

表6 不同玻纖含量UHMWPE 復合材料的摩擦磨損性能

圖5 玻纖含量與試樣摩擦磨損性能的曲線圖。從圖中可以看出，加入玻纖后，材料摩擦量先明顯下降，材料的耐磨性提升，玻纖含量約30%左右時，磨損量最低。當玻纖含量超過30%后，磨損量又呈上升趨勢。

圖5 玻纖含量與試樣磨損性能的關系

與純UHMWPE 相比，玻璃纖維的加入大大提高了UHMWPE 復合材料的硬度，能有效地阻止磨損的發(fā)展，從而降低了材料的磨損量；但如果玻纖含量過高時，材料內部亦可能出現(xiàn)不均勻或缺陷，玻纖與基體之間的結合力較弱，容易從基體中剝落，這就反而導致了材料磨損量的增加。

4 結論

本文采用玻璃纖維對超高分子量聚乙烯(UHMWPE)進行改性，研究玻纖含量對UHMWPE 改性復合材料的拉伸、彎曲及沖擊等力學性能以及摩擦磨損性能的影響規(guī)律，得到以下主要結論：

4.1 隨著纖維含量的增加，玻纖增強超高分子量聚乙烯復合材料的拉伸、彎曲和沖擊性能均呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢。玻纖含量為30%左右時，對UHMWPE 復合材料的增強效果最好，拉伸強度達到69.4MPa，彎曲強度達到120.6MPa，沖擊強度達到66.1kJ/m2。

4.2 UHMWPE 與玻纖共混改性后，拉伸斷裂伸長率由純UHMWPE 試樣的501.5%降至5%左右，材料的韌性大幅下降。

4.3 加入玻纖改性后的超高分子量聚乙烯復合材料，耐磨性能提高，30%玻纖含量時耐磨性最好。

4.4 30%左右玻纖增強的超高分子量聚乙烯具有優(yōu)良的綜合力學性能和耐磨損性能，可滿足制備高性能復合材料墊板的需求。