纖維及其集合體增強復合泡沫塑料的研究進展

齊立澤,支 超,*

(1.西安工程大學 紡織科學與工程學院,陜西 西安 710048;2.西安工程大學 功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室,陜西 西安 710048)

1 復合泡沫塑料

1.1 現狀

復合泡沫塑料是將空心微球分散到聚合物基質中組成的復合材料。通常,聚氨酯、環氧樹脂、硅樹脂、聚丙烯、聚酰胺和其他聚合物用作樹脂黏合劑[1-3],而微球可以是玻璃、碳、陶瓷、聚合物、金屬等[4-6]。復合泡沫塑料具有低密度、高比強度和剛度、高聲學、機械阻尼能力、低吸濕性和優異的隔熱性能[7-10]。這些特性使復合泡沫塑料成為一種有吸引力的候選輕質結構材料,用于夾層結構中的芯、航空航天工業中的結構部件、阻尼板和水下浮力結構等[11-13]。

中空玻璃微球的加入有效降低了復合泡沫塑料的密度,但是限制了其力學性能[14]。為了改善復合泡沫塑料的力學性能,研究者們采用在聚合物中更換不同粒徑、密度和高強度的微球或者將微球進行包覆等方法[15-17],但是其壓縮強度改善不明顯[18],甚至彎曲強度還要低于純泡沫[19]。

作為輕質的復合材料,需要最大限度提高機械強度,以保持用作結構材料的足夠強度,從而實現高度的重量節省。增強體的引入是改善復合泡沫塑料力學性能最常用的方法,研究人員為此進行了很多探索[20]。

1.2 分類

從紡織領域來說,紡織材料可分為纖維及其集合體。結合纖維的來源可分為化學纖維和天然纖維,而纖維集合體包括織物及間隔織物[21]。因此,對目前纖維及其集合體增強復合泡沫塑料的力學性能進行了對比分析,并進行了總結和展望。

2 纖維增強復合泡沫塑料

纖維是一種常用的性能優良的增強材料,常見的纖維包括玻璃纖維(GF)、碳纖維(CF)和天然纖維,在復合泡沫塑料中添加纖維是改善力學性能的方法之一[22]。纖維增強復合泡沫塑料材料作為汽車、航空航天、船舶和土木工程結構應用中的承重和能量吸收構件正得到越來越多的認可[23]。

2.1 GF增強復合泡沫塑料

GF是一種應用廣泛的非金屬無機材料,通過添加具有拉伸強度高及機械強度高等優良特點的GF來增強復合泡沫塑料,增強了復合材料的力學性能[24]。

王保民等[25]探討了聚醚醚酮/空心微珠/GF復合材料的力學性能。結果發現,粉煤灰空心微珠和GF作為混雜增強體,“點、線”結合在復合材料中形成多維均勻的分散狀結構,復合材料各個方向的力學性能差異性小,并具有增強的協同作用。此外,當粉煤空心微球重量份數為10%、GF為20%時,聚醚醚酮/空心微珠/GF復合材料的抗沖擊和耐摩擦性能得到明顯提高。

Yu等[26]研究發現向環氧樹脂復合泡沫塑料中添加10%短GF時復合泡沫的抗壓強度和抗拉強度分別比不含纖維的復合泡沫塑料提高了70%和49%,但加入量超過10%時,復合泡沫的強度會降低。

錢蒙[27]制備了空心玻璃微珠質量比為5%,GF不同質量比的5組配比的GF/玻璃微珠/環氧樹脂復合泡沫材料。當GF填充質量比為10%時,復合材料的拉伸強度、屈服極限和彎曲強度,與未添加GF的復合泡沫塑料比較分別高出約48%、69%和57%,但是其密度僅增加了3%。

Ferreira等[28]評估了短GF加入對環氧樹脂復合泡沫塑料的彎曲剛度、斷裂韌性以及壓縮和沖擊性能的影響。研究發現,玻璃纖維的加入僅使彎曲剛度和斷裂韌性略有改善,但顯著增加了吸收的沖擊能量。

2.2 CF 增強復合泡沫塑料

CF具有優越的強度重量比(T700,抗拉強度為4.9 GPa,密度為1.78 g/c m3),已被廣泛用于許多領域,如航空航天、軍事、汽車工業等[29-30]。但是纖維的成本和來源可能會限制其應用范圍[31]。

Zhao等[32]研究發現隨著高性能CF向環氧復合泡沫塑料中逐漸增加,復合泡沫的密度略有增加,但復合材料的力學性能顯著提高。同時含有3 wt%短CF的復合泡沫的單軸抗壓強度為141.7 MPa,是文獻中報道的最高值之一,如圖1所示。此外,Zhang等[33]研究發現增加復合泡沫塑料中碳納米纖維(CNF)的體積分數可以較為明顯地提升材料的斷裂韌性。

圖1 Zhao等[32]的樣品實物、SEM圖、表征和對比圖

目前復合泡沫塑料在暴露于極端環境的結構中有許多應用,在短期和長期極端環境暴露下會影響復合泡沫塑料的力學性能[34-35]。有學者研究了在室溫中長期浸水條件下CF增強復合泡沫塑料的水分降解。在該研究中檢測到顆粒降解的證據,注意到機械性能的降低,并發現在彎曲載荷下,脆性斷裂開始于試樣的拉伸側。除此之外,Zelt mann等[36]研究了含有15vol%~50vol%的玻璃微珠(GMB)和1 wt%~5 wt%的CNF增強劑的環氧復合泡沫塑料通過浸入90℃水中兩周來加速風化后的力學性能。由于風化后復合材料力學性能的增強和保持被認為是由于基體的膨脹和基體表面形態的改變而增加了對納米纖維的牽引力,因此包含5wt%CNF的復合材料在風化后強度增加了27%。

由于有些樹脂基體本質上是非極性的,在增強纖維、中空微球和聚合物基體之間會產生弱的界面黏合,導致較差的拉伸強度和其他相關的機械性能[37]。因此改善三者之間的界面黏附性,這對于增強復合泡沫塑料的力學性能是非常關鍵的。Gogoi等[38]研究了中空玻璃微球(HGM)的加入對短碳纖維(SCF)增強聚丙烯(PP)混雜復合材料物理力學性能的協同效應。經硅烷處理的表面具有—NH2基團的HGM通過氫鍵與馬來酸酐接枝PP的羧基相互作用,導致界面附著力相對增加。結果表明,混合10%和8%的HGM和SCF的復合材料表現出最高的拉伸和彎曲強度,比純PP分別提高約110%和約112%。當添加8 wt%SCF的比拉伸強度與含有40 wt%纖維含量的市售PP復合材料相似。

此外,Wang等[39]通過數值模擬的方法研究了CF的取向對中空玻璃微球-環氧復合泡沫力學性能的影響。數值結果表明,CF的取向影響基體的彈性模量,當CF沿力的方向分布時,基體的彈性模量達到最大值。

2.3 天然纖維增強復合泡沫塑料

天然纖維是自然界原有的或經人工培植的植物、人工飼養的動物上直接取得的紡織纖維[40]。例如竹子的纖維素纖維是沿著其長度排列,從而在該方向上提供最大的拉伸強度、彎曲強度和剛度[41]。天然纖維材料與碳纖維、玻璃纖維相比具有相對低的密度、低成本、低能耗、易于回收、完全可生物降解等優點,引起了人們的極大興趣[42-44]。

如圖2所示,Ku mar等[45]制備了短竹纖維和中空玻璃微球(HGM)填料的輕質高強度混雜聚丙烯(PP)復合泡沫塑料。對密度低、抗壓強度高的HGM填料進行硅烷化處理,以提高聚合物基體的潤濕性。當HGM含量為10wt%時,隨著短竹纖維含量的增加,復合材料的拉伸、彎曲和沖擊強度等力學性能穩步提高。有趣的是,在短竹纖維含量高達10%的混雜PP復合材料中,拉伸強度與純聚丙烯材料相當。

圖2 Ku mar等[45]制備輕質高強復合泡沫的示意圖及性能測試圖

Gha msari等[46]將4組體積分數不同(0%、1.5%、2.5%和3.5%)的劍麻纖維添加到復合泡沫塑料中以提高復合泡沫的力學性能。隨著纖維含量的增加,劍麻纖維復合泡沫的玻璃化轉變略有降低。通過增加纖維含量改善了界面結合,導致了阻尼因子降低。總的來說,劍麻纖維改善了復合泡沫的黏彈性,而密度沒有任何顯著變化。

可以發現,在纖維增強復合泡沫塑料中,纖維增強復合泡沫塑料對提高其拉伸和彎曲性能具有重要意義。纖維的分散性在提高復合材料抗壓強度方面發揮著重要作用。當纖維含量過多時,會導致在纖維之間產生橋接效應(多個纖維粘在一起)。橋接效應惡化了纖維和樹脂的潤濕性,導致應力集中點增加,復合泡沫強度降低[32]。此外,在纖維體積分數較高的泡沫中有更多的空隙,因此也會降低泡沫的壓縮性能[17]。因此需要進一步對復合泡沫塑料進行改善,而纖維集合體是很好的選擇。

3 纖維集合體增強復合泡沫塑料

3.1 二維織物

在需要大纖維體積比的情況下,使用連續纖維網比使用隨機分布的纖維更容易實現目標性能特性。連續纖維網的設計和受控制造為增強復合泡沫塑料力學性能提供了可能性,但目前連續纖維網增強復合泡沫塑料的研究較少[47]。

如圖4所示,Wang等[47]將玻璃纖維網格布和玻璃纖維分別加入到復合泡沫塑料中,并對它們的彎曲性能進行了比較研究。結果顯示,與未被增強的復合泡沫塑料相比,玻璃纖維網格布和玻璃纖維的加入均可以提升材料的彎曲強度和彎曲模量,而玻璃纖維網格布的增強效果更明顯。當向復合材料中添加兩層玻璃纖維網格布時,材料的彎曲強度和彎曲模量分別為未被增強材料的2.5倍和2倍,但是,材料的密度同時增加了約10%。

Ku mar等[48]將經過酚醛樹脂浸漬的No mex紙和牛皮紙制成蜂窩結構(RIPH),并加入到粉煤灰微珠/酚醛樹脂復合泡沫塑料中,將其壓縮性能與純粉煤灰微珠/酚醛樹脂復合泡沫塑料進行比較,試驗表明RIPH的加入能較為明顯地增強復合泡沫塑料的壓縮強度和壓縮模量。

可以發現二維纖維網的加入增強了復合泡沫塑料彎曲性能和壓縮性能。但是復合泡沫塑料與增強相之間存在固結不夠堅固的問題,會導致材料在拉伸試驗中出現分層的現象[49]。因此使用完整度和強度高的材料增強復合泡沫塑料得到了廣泛的研究。

3.2 三維織物

常見的三維織物是間隔織物。間隔織物是由三維織機一體織造而成,芯層的間隔絲將上下兩面層織物緊緊地連接在一起[50]。因此,以它為“骨架”的復合夾芯材料具有很高的皮芯剝離強度,相比于傳統的蜂窩夾芯和泡沫夾芯復合材料來說具有更好的抗分層、耐沖擊的優點[51-52]。

Corigliano等[53]將機織間隔織物作為增強骨架加入到空心玻璃微珠/環氧樹脂復合泡沫塑料中,并在上下表面各增加了一層玻纖增強塑料和一層梭織平紋玻纖布,組成了“三明治”夾芯結構,結果顯示此種材料的抗壓性能一般。這是因為使用的空心玻璃微珠的粒徑較大、球壁較薄造成強度較低所致。

Zhi等[54]研究了經編間隔織物(WKSF)增強復合泡沫塑料的低速沖擊性能。結果表明,與純復合泡沫塑料相比,大多數WKSF試樣顯示出更高的峰值沖擊力和主要損傷能量。Zhi等[55]研究發現WKSF增強了復合泡沫塑料的彎曲強度和模量,但對復合材料的密度幾乎沒有影響。此外,如圖3所示,不同表面層結構、間隔絲傾角、微球的體積分數和類型對復合材料的低速沖擊性能和抗彎曲性能有顯著影響。

圖3 不同結構的WKSF及彎曲強度和模量

支超等[56]將WKSF、空心玻璃微珠增強體與環氧樹脂基體復合,進行了三點彎曲試驗。與環氧樹脂基復合泡沫塑料相比,WKSF的加入對其彎曲強度值提高了48.84%,比彎曲強度達到77.74 MPa·c m3/g。

可以發現,間隔織物的加入將更好地改善復合泡沫塑料的力學性能。選擇更大的傾角、更緊密的表層結構和更高密度的間隔織物,復合材料表現出更好的抗彎曲能力。選擇間隔絲直徑更粗、橫縱密度更大的間隔織物,復合材料表現出更好的抗壓能力。

4 結束語

添加纖維及其集合體可改善復合泡沫塑料的拉伸、壓縮、彎曲強度、斷裂韌性等力學性能。復合泡沫塑料中不同類型的增強相各有優缺點,但是綜合來看間隔織物具有很強的結構可設計性和立體性,可以滿足不同領域需求的力學性能。隨著社會和科技的發展,研究者們采用了其他類型的材料對復合泡沫塑料進行增強[57-58],使其應用領域不斷擴大。