玻纖增強(qiáng)熱塑復(fù)合材料浮纖性能的表征

張 萍，崔峰波，冉文華，沈林峰，崔麗榮

（巨石集團(tuán)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

當(dāng)2 個(gè)完全不同的材料相互結(jié)合時(shí)，必定會(huì)存在相容性問(wèn)題，相容性好的制品質(zhì)量均比相容性差的更優(yōu)。在玻纖增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中，就很容易出現(xiàn)相容性問(wèn)題。相容性差的塑料熔體在流動(dòng)過(guò)程中，玻纖與樹脂分離并使玻纖逐步外漏［1］，易出現(xiàn)一種較為嚴(yán)重的表面缺陷，俗稱“浮纖”。手感摸上去，感覺(jué)制品表面粗糙［2］。玻纖增強(qiáng)熱塑復(fù)合材料在航空航天、汽車、船舶、電子電器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，但在其制品的表面容易出現(xiàn)“浮纖”，嚴(yán)重影響制品的外觀質(zhì)量和使用性能。對(duì)于這種缺陷，研究人員［3-7］從“浮纖”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因入手，分析其形成的主要因素，在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)模具澆注系統(tǒng)的調(diào)整，如注塑溫度、壓力和注入速度對(duì)板材外觀質(zhì)量的影響，另外可以研究玻纖含量、樹脂類型，同時(shí)可以調(diào)整助劑種類及含量以及浸潤(rùn)劑中的助劑，改善“浮纖”現(xiàn)象，提高板材制品質(zhì)量［8-9］。

目前研究針對(duì)“浮纖”的科學(xué)而有效的測(cè)試方法是勢(shì)在必行的，基于現(xiàn)有的金相顯微鏡，采圖質(zhì)量清晰度高，可以分辨出“浮纖”，取代了先前通過(guò)手感與目測(cè)分辨“浮纖”的測(cè)試［10］。本文利用顯微鏡中的圖像處理技術(shù)對(duì)圖像拼接、景深擴(kuò)展合成、圖像提取、圖像二值化等特點(diǎn)，能夠全面、準(zhǔn)確、清晰地展現(xiàn)玻纖材料的表觀組織形貌，分析一定尺寸下的“浮纖”嚴(yán)重程度，研究造成“浮纖”的原因，使技術(shù)員能夠及時(shí)調(diào)整工藝配方，提高復(fù)材的品質(zhì)與性能。

玻纖增強(qiáng)熱塑復(fù)合材料分為L(zhǎng)FT與FRTP兩大主要工藝，對(duì)兩大工藝擠出的料粒進(jìn)行注塑成一定規(guī)格的板材，玻纖與熱塑樹脂的相容性主要是通過(guò)注塑板材表面的浮纖嚴(yán)重情況進(jìn)行表征?？茖W(xué)而準(zhǔn)確的表征方法，為后期研究不同工藝、不同玻纖含量、不同樹脂類型、不同助劑奠定良好的基礎(chǔ)。在顯微鏡下觀察，并拍下浮纖的位置及含量，進(jìn)而分析浮纖形成的原因，對(duì)造成浮纖的各因素進(jìn)行逐一分析，有效地控制和降低復(fù)合材料浮纖含量，提高復(fù)材的品質(zhì)與性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

玻璃纖維增強(qiáng)熱塑復(fù)合材料：中國(guó)巨石。目前測(cè)試方法適用于玻纖增強(qiáng)PP、PA和PBT三大樹脂體系。成型工藝：擠出-注塑。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

光學(xué)顯微鏡：DM4M，德國(guó)徠卡?？梢苑糯?00倍，附有圖像拼接、照片拼排、纖維自動(dòng)識(shí)別與提取等圖像分析元件。

1.3 浮纖測(cè)試原理

實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)顯微鏡配有電動(dòng)載物臺(tái)，可以在X-Y-Z方向自由移動(dòng)，在100 倍下對(duì)所選的樣條區(qū)域進(jìn)行圖片采集，利用浮纖與周圍樹脂基體的灰度差對(duì)浮纖進(jìn)行識(shí)別與提取，并計(jì)算浮纖含量。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 顯微觀察

將制備好的試樣水平放置于載物臺(tái)上，在100倍放大倍數(shù)下迅速觀察試樣的整個(gè)截面，觀察截面浮纖分布的情況，并將顯微圖像投影到顯示屏上。

1.4.2 鎖定測(cè)試點(diǎn)

在100 倍的放大倍數(shù)下，采用電動(dòng)平臺(tái)拍照技術(shù)，鎖定測(cè)試點(diǎn)。

1.4.3 照片采集

確定測(cè)試區(qū)域的起點(diǎn)、第二點(diǎn)與第三點(diǎn)后，調(diào)節(jié)圖像，采集圖片。

1.4.4 照片拼拍

將采集的照片按照順序拼排放置。

1.4.5 浮纖提取

將拼拍的圖片進(jìn)行二值化處理，確定達(dá)到浮纖提取的閾值，鎖定閾值，一般閾值上下限在0/50 以內(nèi)，對(duì)于玻纖增強(qiáng)PP、PBT其閾值上下限在10/35，PA的閾值上下限在20/47，在范圍內(nèi)微調(diào)閾值，對(duì)結(jié)果基本沒(méi)有影響。

1.4.6 浮纖含量測(cè)試

進(jìn)行多視場(chǎng)測(cè)試，將提取的浮纖含量（指測(cè)試區(qū)域浮纖面積占比）逐一測(cè)試，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

1.4.7 記錄浮纖含量

計(jì)算平均值、最大值、最小值及最值浮動(dòng)范圍。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 圖像處理技術(shù)

通過(guò)仔細(xì)觀察浮纖形貌，發(fā)現(xiàn)浮纖主要以以下幾種形態(tài)存在：（1）裸露出來(lái)的玻纖周圍是黑色的；（2）玻纖雖然浮在表面，但玻纖上有很稀薄的樹脂覆蓋，會(huì)以黑色凹坑的形式呈現(xiàn)出來(lái)；（3）還有一部分是玻纖脫落產(chǎn)生的黑色凹坑。綜合以上，把這幾種情況都考慮為浮纖所導(dǎo)板材表面缺陷的，為了方便浮纖提取，可以將基體調(diào)模糊，表面浮纖調(diào)節(jié)清晰。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料進(jìn)行研究，通過(guò)電動(dòng)平臺(tái)拍照及照片拼排的形式，無(wú)縫對(duì)接連著拍24 張照片，照片拼排之前，先確定浮纖顏色的閾值上下限。照片拼排后在閾值范圍內(nèi)稍微調(diào)節(jié)閾值，逐一測(cè)試浮纖含量，如圖1 和圖2 所示。給出了2 種不同玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樣條表面形貌：10%玻纖增強(qiáng)的復(fù)合材料浮纖含量在7%左右，50%玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料浮纖含量在15%左右。

圖1 10%玻纖增強(qiáng)的復(fù)合材料

圖2 50%玻纖增強(qiáng)的復(fù)合材料

2.2 樣條正反面浮纖測(cè)試結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)玻纖增強(qiáng)的尼龍樣條浮纖進(jìn)行研究，玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，對(duì)同一根拉伸樣條的中間部位正反面進(jìn)行測(cè)試，研究樣條位置對(duì)浮纖的影響。通過(guò)顯微鏡拍照及拼拍，每個(gè)試樣均拍24 張照片，分別測(cè)試其正、反面的浮纖含量，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 樣條正反面浮纖測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從測(cè)試結(jié)果可以看出：樣1 浮纖的浮動(dòng)值比其他產(chǎn)品高，說(shuō)明浮纖分布不均勻，浮纖測(cè)試結(jié)果受測(cè)試區(qū)域影響比較大，正反面差值在1.5%左右，但是整體的浮纖含量較其他的比較低。另外樣5 的浮纖含量比較低，正反面的浮纖測(cè)試結(jié)果比較接近，浮纖的浮動(dòng)值比較小，說(shuō)明浮纖的分布較其他的均勻，這也證實(shí)了樣5 正反面的浮纖含量一致。

2.3 不同注塑樣條形狀對(duì)浮纖影響：

實(shí)驗(yàn)室對(duì)3 種玻纖增強(qiáng)同一樹脂的拉伸、彎曲、沖擊、色板樣條浮纖含量進(jìn)行測(cè)試，同一樣品不同形狀的樣條均出自同一工藝同一模，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 不同注塑樣條形狀對(duì)浮纖影響

測(cè)試結(jié)果中，我們給出了最小值、最大值、平均值及浮動(dòng)值，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，我們可以得知這3 個(gè)樣品的拉伸樣條浮纖含量都比彎曲、沖擊、色板含量高，是與注塑的時(shí)候熔體流動(dòng)有關(guān)，拉伸樣條浮纖含量區(qū)別比較大，可以選擇拉伸樣條測(cè)試浮纖。

2.4 不同牌號(hào)玻纖增強(qiáng)材料對(duì)浮纖影響

實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)40%玻纖增強(qiáng)的熱塑復(fù)合材料浮纖測(cè)試進(jìn)行研究，通過(guò)電動(dòng)平臺(tái)拍照及照片拼拍的形式，每個(gè)試樣均通過(guò)無(wú)縫對(duì)接連著拍24 張照片，照片拼拍之前，先確定浮纖顏色的閾值上下限。照片拼拍以后在閾值范圍以內(nèi)調(diào)節(jié)閾值，使浮纖的提取符合實(shí)際，采用多視場(chǎng)逐一測(cè)試浮纖含量。按照測(cè)試方法，對(duì)A～G的7 種試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。測(cè)試結(jié)果中，我們給出了24 個(gè)單值、平均值、最大值、最小值及浮動(dòng)值，可以結(jié)合平均值及極差來(lái)判斷助劑或配方是否對(duì)改善浮纖有作用。

表3 不同牌號(hào)玻纖增強(qiáng)材料對(duì)浮纖影響

2.5 重復(fù)性測(cè)量對(duì)結(jié)果的影響

選用30%玻纖增強(qiáng)尼龍拉伸樣條進(jìn)行浮纖測(cè)試，閾值下限20，上限設(shè)定為47，重復(fù)測(cè)量8 次，每次測(cè)量24 個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值，其測(cè)試結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差如表4 所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，同一根樣條重復(fù)測(cè)試8 次，測(cè)試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.005，誤差很小。

表4 重復(fù)性測(cè)量對(duì)結(jié)果的影響

3 結(jié)論

本文研究對(duì)象主要是針對(duì)于玻纖增強(qiáng)熱塑復(fù)合材料，對(duì)擠出的料粒進(jìn)行注塑成一定規(guī)格的板材，選用拉伸樣條進(jìn)行測(cè)試，該方法有以下3 個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

（1）浮纖測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果不受人為主觀因素影響，且測(cè)量結(jié)果具有很好的重現(xiàn)性。

（2）通過(guò)光學(xué)顯微鏡和Master圖像分析軟件的結(jié)合，浮纖的表征具有快速、準(zhǔn)確、直觀的特點(diǎn)，能更好地反映浮纖情況及其分布。

（3）通過(guò)浮纖的含量及分布，進(jìn)而分析浮纖形成的原因，對(duì)造成浮纖的各因素進(jìn)行逐一分析，有效地控制和降低復(fù)合材料浮纖含量，提高復(fù)材的品質(zhì)與性能。