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48 苎麻/玻璃纤维混杂复合材料的老化研究及寿命预测 2016年5月 苎麻/玻璃纤维混杂复合材料的老化研究及寿命预测 朱坤坤,倪爱清,王继辉 (武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070) 摘要i采用玻璃纤维布与苎麻纤维布混杂增强乙烯基树脂制备复合材料,结合船舶在服役环境下的实际情况,通过人工 加速老化的方法,对苎麻纤维/玻璃纤维混杂复合材料进行水浸泡老化、盐雾老化和紫外老化实验,研究混杂复合材料的拉伸 强度及弯曲强度等随老化时间、老化温度等的变化情况及性能退化趋势,并根据剩余强度模型对混杂复合材料进行寿命预测。 研究表明,老化初期阶段试样吸湿趋势主要以浓度梯度推动的菲克扩散为主。老化环境不同,试样强度的衰减程度不同,水浸 泡老化对试样影响最大,盐雾老化次之,紫外老化影响相对较少。根据剩余强度模型预测10年后盐雾试样弯曲强度保留率为 78.0%,紫外老化弯曲试样强度保留率为81.89%。 关键词:玻璃纤维;混杂复合材料;老化研究;力学性能;寿命预测 中图分类号:TB332文献标识码:A— 文章编号:1003-0999(2016)05-004807 玻璃纤维增强复合材料(GFRP)是一种结构复 合材料,具有高强度、高模量、耐腐蚀和抗疲劳等优 良的力学性能,已经得到广泛的关注,其产品在航 天、机械、建筑结构等领域的应用日益扩展,但其废 ’ 弃物难以处理,会对环境造成危害。天然植物 纤维由于具有较高的比强度和比模量、密度小、价格 低、能耗低、可再生和无污染等优点,同时,独特的多 尺度中空结构也使得植物纤维成为良好的隔声、隔 热和阻尼材料,被人们选择作为新的环境友好型材 料进行研究J。但是,与玻璃纤维增强复合材料和 碳纤维增强复合材料相比,天然纤维复合材料力学 承载能力较低,针对天然植物纤维增强复合材料力 学性能低的缺陷,可采用不同纤维混杂来提高复合 材料的力学性能'引。但混杂后复合材料仍然不能 直接应用于实际生活中,因为复合材料除了要能够 承受一定的载荷外,还要保证有较长的使用寿命。 自然环境中很多因素都会影响材料性能和材料使用 寿命。 本文采用纯苎麻平纹布和玻璃纤维,按照一定 的铺层方式制备混杂复合材料,同时添加改性剂来 改善混杂纤维复合材料界面之间的结合性能,以此 来提高复合材料的性能lo]。对制备的试样进行浸 水老化试验、盐雾老化试验和紫外老化试验【'J, 测试老化试样的吸水率和力学性能,分析其性能衰 减趋势。依据材料老化理论和复合材料寿命预 测理论 ,分析老化弯曲试样力学性能,对材料的 剩余强度进行预测。 1实验部分 1-1实验原材料 ” 纯苎麻平纹布:21S%21S/52:l=58/63,湖南明 星麻业有限公司;玻璃纤维:无捻粗纱方格布,重庆 国际复合材料;BYK一306:植物纤维改性剂,德国毕 克化学公司;异辛酸钴:促进剂(钴含量约6%),阿 克苏诺贝尔有限公司;过氧化甲乙酮:固化剂(D类 液体,临界点70-80 ̄C),亚科化学试剂有限公司;乙 烯基酯树脂411-350:含苯乙烯30%~50%,亚什兰 化学有限公司。 1.2试验步骤 1.2.1纯苎麻平纹布/玻璃纤维混杂复合材料的 制备 (1)裁剪300mmX300mm纯苎麻平纹布坯布和 ℃ 玻璃纤维布坯布,放入烘箱中60恒温干燥,至恒 重,用电子天平称取试样质量,并记录数据; (2)按照树脂、促进剂、改性剂和固化剂重量比 例为1:0.0003:0.003:0.0035配制树脂胶液,固化 时间约1h左右; (3)按照铺层方式[(0,90。)/(0,90。)。/(0, — 收稿日期:2015-1221 作者简介:朱坤坤(1990一)女,硕士研究生,主要从事复合材料方面的研究。 通讯作者:倪爱清(1975一),女,博士,副研究员,主要从事复合材料力学研究,aqni21stcn@163.com。 曲,c钠 2016年第5期 玻璃钢/复合材料 49 90。)。/(0,90。)。]。(B为纯苎麻平纹布,G为玻璃纤 维方格布),通过手糊成型工艺制备试验板; (4)在室温环境下固化24h后脱模,然后再放 入电热鼓风干燥箱中,设定温度为80 ̄C,后固化2h; (5)取出后固化的试验板,使用云石切割机切 割,制作标准的拉伸和弯曲试样并称重。 1.2.2水浸泡试验 参考GB/T10703--1989((玻璃纤维增塑料耐水 性加速试验方法》进行水浸泡试验。将试样浸泡在 去离子水中进行水浸泡试验,水温设定为(804- 2)o【=,以24h为一个试验周期,试样在水温达到规定 值时放入,并开始计时。试验周期数为:0、1、3、7、 14、21、42。每个周期完成之后,取特定试样测试复 合材料的吸水情况,同时取测试试样,晾干后对其进 行相关力学性能测试。 1.2.3盐雾老化试验 — 参考GJB150.1ll986《军用设备环境试验方 法:盐雾试验》进行盐雾老化试验。配制盐溶液的溶 剂为去离子水,用粗盐作为溶质制备氯化钠含量为 3.5%的盐溶液,并用它来模拟海水进行试验。以 24h为一个试验周期,试验周期数为:0、1、3、7、14、 21、42,试样按周期从试验箱中取出,取特定试样测 试复合材料的吸水情况,同时取测试试样,在试验室 条件下放置48h后对其进行各项性能测试。试验条 件如表1所示。 表1盐雾老化试验的试验条件 Table1Testconditionofsaltspraytest 试验条件 参数 烟雾中氯化钠含量 温度 湿度 实验方式 3.5%4-1% (35+2)oC RH(%)>90 盐雾和干燥24h交替 1.2.4紫外老化试验 依据GJB150.7一l986《军用设备环境试验方 法:太阳辐射试验》进行紫外老化试验。选42个循 环周期进行试验,以24h为一个循环周期,试验周期 数为:0、1、3、7、14、2l、42。试样按周期从试验箱中 取出,并进行各项性能测试。在每个周期内,试样被 紫外光照射20h,另外4h检查试样,并记录现象。 循环周期示意图如图1所示,紫外老化试验参数如 表2。 温度/ 4 3 图1循环热效应和光化学效应日循环 Fig.1Circularthermaleffectandphotochemicalef fectofdailycirculation 表2紫外老化试验参数 Table2UVagingtestparameters Wavelength/Ixm0.28-0.32O.32-0.4OO.40-0.780.78~3.O0Radiation一 , 5 63 517~604 492i ntensity/W.m一2 ~ r0lerBllCe/%  ̄35 士25± 10  ̄20 2材料的老化性能测试 苎麻纤维/玻璃纤维混杂复合材料在不同环境 中老化,随着老化时间的延长,试样的表面变化比较 容易察觉,试样的静态力学性能比较容易测得,并且 这两个变化可以有效地反映复合材料老化的情况。 因此,文中主要针对材料的外观和静态力学性能进 行测试,并以此来表征复合材料的老化情况。 2.1外 观 在到达每个老化周期后,将试样取出,用滤纸吸 干试样表面水分,然后用软毛刷将试样表面擦拭干 净。观察试样的表面微裂纹和颜色变化,并借助光 学显微镜仔细观察试样表面发生的变化,并做详细 记录。 2.2吸水率测试 试验中测试的吸水率为连续吸水率,即测试同一 试样在不同老化周期的吸水情况。具体操作方法 如下: (1)选取一组试样,对这组试样进行吸水率测 试。老化之前,对这组试样进行编号和干燥并称重; (2)老化一段时间后,取出试样,用滤纸吸干试 样表面水分,称取试样质量,然后再放人老化设备继 续老化; (3)循环进行第三步,在每次测量试样力学性 能的同时测试材料吸水后的质量; 睁| s 52 苎麻/玻璃纤维混杂复合材料的老化研究及寿命预测 2016年5月 图4不同老化环境下试样拉伸强度随老化时间变化 Fig.4Tensilestrengthunderdifferentagingtime anddifferentagingconditions 图5不同老化环境下试样拉伸模量随老化时间变化 Fig.5Tensilemodulesunderdifferentagingtime anddifferentagingconditions 由图4中曲线变化趋势可以看出,随着老化时 间延长,材料性能逐渐降低,在老化初期下降较为明 显。对比三种老化环境下材料性能的变化趋势可以 发现,在老化初始阶段,水浸泡试验环境下的老化试 样性能下降最明显,盐雾老化试样性能下降次之,紫 外环境下老化试样性能下降不明显。这是由于盐雾 试验和水浸泡试验在老化初期试样吸收水分较多, 且水浸泡试验试样吸收水分最多,加上一部分化学 介质渗入材料内部,导致树脂基体吸水后膨胀,材料 性能变化较明显;而紫外老化初期,材料受到光照时 间较短,空气中水分较少,外界环境因素对试样的影 响和破坏较小,所以其性能变化不明显。随着老化 时间的延长,三种老化环境下的老化试样的性能持 续下降的趋势减缓,此阶段老化破坏主要是树脂的 脱落和纤维与基体界面的破坏,破坏速度较为缓慢, 性能衰减渐缓。由图5中的曲线变化可以看出,随 着材料老化时间延长,材料拉伸弹性模量有所降低, 但是下降速率减缓。 lF1国 3.3.2不同老化环境下试样弯曲性能 图6显示了水浸泡试验环境、紫外老化试验环 境和盐雾老化试验环境下材料在不同老化阶段的弯 曲强度变化曲线。图7显示了对应的弯曲弹性模量 变化曲线。表3显示了老化后试样的弯曲强度。 图6不同老化环境下试样弯曲强度随老化时间变化 Fig.6Bendingstrengthunderdifferentagingtime anddifferentagingconditions 图7不同老化环境下试样弯曲模量随老化时间变化 Fig.7Bendingmodulesunderdifferentagingtime anddifferentagingconditions 表3老化后试样弯曲强度 Table3Thebendingstrengthafteraging 盐雾老化试样/MPa266.77263.83262.1925834255.48248.64245.68 紫外老化12 ̄/MPa267.64264.37264.38263.43259.75253.6251.9 由图6中老化试样弯曲强度变化趋势可以看 出,与拉伸强度变化相似,弯曲强度逐渐降低,刚开 始I生能下降速率较快,然后逐渐放缓。随着老化时 间的延长,水浸泡试验弯曲试样强度衰减速率较快, 盐雾老化弯曲试样强度衰减速率次之,紫外老化弯 曲试样强度衰减速率较慢。随着老化时间的延长, 三种环境下的弯曲试样强度衰减速率都在变慢。由 图7中的模量变化曲线可以看出,模量也随着老化 时间的延长而降低。 5 4 3 2 1 O 0nIjpo旨 g 2016年第5期 玻璃钢/复合材料 53 4苎麻纤玻璃纤维混杂复合材料使用寿 命预测 苎麻纤维/玻璃纤维混杂复合材料作为一种新 的研发材料,还有很多未知的问题需要探索和解决, 对它进行寿命预测有助于了解材料的使用寿命,对 进一步研究和改善材料性能有重要意义。 通常用基于一般过程的近似描述得到的半经验 数学模型来预测复合材料的使用寿命,古尼耶夫等 认为聚合物基复合材料老化过程中可逆与不可逆的 性能变化对材料性能的增强和损伤同时存在,在无 负荷条件下暴露于环境中的热固性复合材料,假设 增强过程和损伤过程是相互独立的,那么可用复合 材料的强度变化来预测复合材料寿命,采用将老化 后剩余强度数据代人剩余强度经验公式进行拟合计 算的方法,来预测材料的剩余强度,剩余强度经验公 式为: S=S。+(1一e)一ln(1+t)(2) 式中,s为复合材料老化后的剩余强度;So为复合材 料的初始强度;r/为材料固化程度参数;/i为复合材 料的外部环境参数;t为复合材料的老化时间;卢为 材料的抵抗裂纹扩展能力参数;o为外部环境侵蚀 性参数。叼和卢仅与材料特性有关。 利用Origin(非线性曲线拟合)软件进行公式拟 合,并代入剩余强度数据得到对应老化环境下的剩 余强度与时间的关系式。 将盐雾老化试样剩余强度代人公式进行拟合, 拟合后的公式为: S:S0+l3.44(1一e一)一8.141n(1+1.95t) (3) 拟曲线如图8所示,图中轴代表时间(单位: d);,,轴为强度(单位:MPa)。 图8弯曲试样剩余强度随盐雾老化时间变化曲线 Fig.8Theresidualstr engthofbendspeciments withsaltspraytesttime 该公式与实际测试结果相关系数为0.98。利 用模拟公式计算盐雾老化弯曲试样42d后的剩余强 度为245.1MPa,与实际测试245.68MPa相差较小, 误差为0.24%,可靠性较高。当老化1800d时,即老 化5年左右,剩余弯曲强度大约为213.76MPa,强度 保留率为80.1%;当老化3600d,大约10年时,剩余 弯曲强度大约为208.12MPa,强度保留率为78%。 将紫外老化试样剩余强度数据代人剩余强度公 式,拟合后的公式为: ‘ S=S0+18.7(1一e-0.蛳)一7.21n(1+3.22)(4) 模拟曲线如图9所示,图中轴代表时间(单 位:d);),轴为强度(单位:MPa)。 图9弯曲试样剩余强度随紫外老化时间变化曲线 Fig.9Theresidualstrengthofbendspeeiments withUVagingtesttime 该公式与实际测试结果相关系数为0.98。利 用模拟公式计算紫外老化弯曲试样42d后的剩余强 度为251MPa,与实际测试251.9MPa相差较小,误 差为0.36%,可靠性较高。当老化1800d时,即老化 5年左右,剩余弯曲强度大约为223.95MPa,强度保 留率为83.7%;当老化3600d,大约10年时,剩余弯 曲强度大约为218.96MPa,强度保留率为81.89%。 5结 论 对制备的苎麻纤维/玻璃纤维混杂复合材料试 样进行水浸泡老化试验、盐雾老化试验和紫外老化 试验,观察老化过程中试样表面变化,并对老化一段 时间后的试样进行静态力学性能测试,研究老化对 试样拉伸性能和弯曲性能的影响,并根据剩余强度 模型,代入老化后试样剩余弯曲强度数据拟合出老 化试样的剩余强度与时间的关系公式,计算10年后 老化试样的剩余强度。经过系列试验研究得出以下 结论: (1)老化过程中,老化初期阶段试样吸湿趋势 鬟强薯∞ 鼍l强叠 *一托 P( 6.S|≈ 皇 ∞ g自pu 54 苎玻璃纤维混杂复合材料的老化研究及寿命预测 2016年5月 主要以浓度梯度推动的菲克扩散为主; (2)水浸泡老化试样的吸水率高于盐雾老化试 样的吸水率,紫外老化吸水率最低。老化初期弯曲 试样吸水率要比拉伸试样吸水率高,到了老化后期, 试样吸水基本达到平衡时,弯曲试样和拉伸试样的 吸水率相差不大; (3)老化试样随着老化时间延长,试样拉伸强 度和弯曲强度都逐渐降低,老化初期衰减速率较块, 之后衰减速率变慢。老化环境不同,试样强度的衰 减程度不同,水浸泡试验试样强度衰减较多,盐雾老 化试样强度衰减次之,紫外老化试样强度衰减较少。 老化试样模量也会随着老化时间的延长而降低,但 衰减较为缓慢; (4)根据剩余强度模型公式,代人老化试样弯 曲剩余强度拟合出对应的剩余强度与时间关系公 式,预测10年后盐雾试样弯曲强度保留率为78.0%, 紫外老化弯曲试样强度保留率为81.89%。 参考文献 [1]AfrifahK.A,HickokR.A,MatuanaLPolybuteneasamatrixfor woodplasticcomposites[J].CompositesScienceandTechnology, 2010,70(1):167・172. — [2]1watakeA,Norm,YanoH.Cellulosenanofibrereinforcedpolylactic acid[J].CompositesScienceandTechnolog y,2008,68(9):— 21032106. 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Keywords:glassf iber;hybridcompositemater ials;agingstudy;mechanicalproperties;lifeprediction
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