芳纶混纺织物增强复合材料的力学性能研究.pdf

２０１５年第３期玻璃钢／复合材料ｌ５洋麻／芳纶混纺织物增强复合材料的力学性能研究王春红，贾瑞婷，白肃跃，徐磊（天津工业大学纺织学院，天津３００３８７）摘要：为了探究四种洋芳纶不同混纺比对其混纺织物增强复合材料力学性能的影响，对以环氧树脂为基体，精细化处理的洋麻和对位芳纶不同混纺比机织物为增强体的复合材料进行力学性能测试，并对洋麻纤维扫描电子显微镜（ＳＥＭ）及傅里叶红外光谱（ＦＴＩＲ）测试分析纤维表面粗糙度及极性变化，从而来分析力学测试结果。结果表明，洋麻／芳纶３０／７０混纺织物增强复合材料弯曲强度最高，为２４８．８１ＭＰａ，弯曲模量为１２．９１ＧＰａ，与纯芳纶织物增强复合材料相比，分别提高４．９％和７．１％；而洋芳纶２０／８０混纺织物增强复合材料剪切强度最高，为２４．５８ＭＰａ，与纯芳纶织物增强复合材料相比，提高１８．６％。ＳＥＭ及ＦＴＩＲ表明洋麻纤维精细化处理后，纤维表面粗糙度增加，极性降低，提高了增强体与树脂的界面结合力，从而改善了复合材料的弯曲、剪切性能。关键词：洋麻纤维；对位芳纶；不同混纺比；复合材料；力学性能；表面粗糙度；极性中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－０９９９（２０１５）０３－００１５－０５对位芳纶复合材料具有密度小、强度高、耐磨、有韧性等一系列优异性能，被广泛应用到国防、航空航天、电子通讯、汽车工业、油气田勘探生产、体育休闲产业等领域，然而其昂贵的价格及难以降解等缺点给植物纤维应用于复合材料领域带来机遇。其中洋麻纤维可再生、生长速度快，质轻价廉、资源丰富，可降解，具有比强度及比模量高等优点，具有广阔的发展前景¨。ＲｏｇｅｒＭ．Ｒｏｗｅｌｌ等研究了洋麻增强聚丙烯复合材料，通过与玻璃纤维增强聚丙烯复合材料对比发现，洋麻纤维增强复合材料的弯曲模量、比拉伸强度和比弯曲模量性能更好。ＮｉｎａＧｒａｕｐｎｅｒ等研究了洋麻和Ｌｙｏｃｅｌｌ纤维增强聚乳酸（ＰＩＡ）和聚羟基丁酸酯（ＰＨＢ），测试结果显示，质量分数为４０％的洋￣／ＰＨＢ复合材料弯曲模量最高，达７．１ＧＰａ。刘丽等采用超声技术对芳纶纤维表面进行改性处理，使芳纶纤维表面化学组成和表面结构发生变化，实验结果表明：超声处理后，纤维表面极性官能团含量增加，引起纤维表面张力中极性分量增加了２３．５％，比表面积加大３５％，从而改善了芳纶纤维和环氧树脂之间的浸润性，使其层间剪切强度增加了１２．５。本文将精细化处理后的洋麻纤维与对位芳纶纤维混纺、织造，并采用混纺织物为增强体，制备复合材料，然后研究不同混纺比织物增强复合材料的力学性能，并与纯芳纶织物增强复合材料进行对比。所制备复合材料在价格和性能上具有较强的优势，会带来一定的社会经济效益。１试验部分１．１试验材料与仪器１．１．１试验材料洋麻：细度４０．７８ｄｔｅｘ，产地马来西亚；对位芳纶：分为长丝（细度为１．７８ｄｔｅｘ）和短纤（长度为５１ｍｍ，细度为１．９ｄｔｅｘ），产自烟台泰和新材料股份有限公司；氢氧化钠、双氧水（３０％），天津市风船化学试剂科技有限公司；亚硫酸钠、多聚磷酸钠、硫酸镁，天津市福晨化学试剂厂；柔软剂／ＴＤＳＬ一２００５Ａ，天津工大纺织助剂有限公司；环氧树脂（ＹＪ一８Ｏ），惠利环氧树脂（香港）有限公司。１．１．２主要试验设备及仪器—恒温水浴锅（ＨＨｓ２），余姚市东方电工仪器厂；电热鼓风干燥箱（ＤＨＧ一９０７０Ａ），上海一恒科学仪器有限公司；小型和毛机（ＸＦＨ），青岛市胶南针织机械厂；梳毛机（ｘｒ）、小型数字式并条机（ＤＳＳｒ－０１）、小型数字式粗纱机（ＤＳＲｏ一０１）、小型数字式细纱机收稿日期：２０１４－０９．１０本文作者还有郑振荣和何顺辉。基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３０３１３１，５１２０６１２２）作者简介：王春红（１９８０一），女，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为绿色环保功能型纤维、纺织品及纺织复合材料１８８０２２３１３６９＠１６３．ｔｏｍ。瓣２０１５年第３期玻璃钢／复合材料１７２．２纤维成分变化由图２可看出，２９２７ｃｍ附近的特征峰为甲基（一ＣＨ。）和亚甲基（一ＣＨ：）对称与不对称伸缩振动，为纤维素的特征吸收峰。１７３９ｃｍ是半纤维素羰基的振动峰，精细化处理后，该峰消失，表明半纤维素几乎被去除。１２４９ｃｍ是酰胺基ＣＯ一０伸缩振动，振动峰强度减弱，木质素部分被去除。３４２５ｃｍ附近出现的较宽的特征峰为一ＯＨ的伸缩振动吸收峰，１０６０ｃｍ附近的特征峰为伯羟基和仲羟基的特征峰。洋麻纤维经过精细化处理后，３４２５ｃｍ附近的一ＯＨ特征峰与１０６０ｃｍ附近的伯羟基和仲羟基特征峰强度均减小，以伯羟基和仲羟基特征峰减小最为明显，而果胶中包含着大量的－ＯＨ，表明纤维表面果”胶部分得到去除ｊ。半纤维素、木质素、果胶等杂质得到有效去除，使纤维表面极性分量减少，纤维与树脂的浸润性好。剖装餐图２傅里叶红外光谱图Ｆｉｇ．２ＦＴＩＲｓｐｅｃｔｒａ２．３拉伸性能由图３可知，在减少２０％及３０％芳纶用量的情况下，洋芳纶（２０／８０）及洋芳纶（３０／７０）混纺织物增强复合材料拉伸强度与纯芳纶织物增强复合材料相近，而且洋芳纶（３０／７０）混纺织物增强复合材料拉伸模量比纯芳纶织物增强复合材料提高５．１％，主要是芳纶纤维表面光滑，缺少化学活性基团，与树脂的浸润性不足，而洋麻纤维经过精细化处理后，纤维表面粗糙度增加，存在与树脂构成机械咬合作用的着力点，且极性分量减少（如图１、图２所示），少量的洋麻纤维与芳纶混纺后，能够改善增强体与树脂的浸润性，提高界面粘结力，提高复合材料的拉伸性能。在混纺比适当的情况下，混纺织物增强复合材料可以综合利用不同纤维的优点，得到的复合材料性能比单一纤维织物增强复合材料性能更图３复合材料拉伸性能Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ２．４弯曲性能由图４可知，洋芳纶（３０／７０）混纺织物增强复合材料弯曲性能最好，弯曲强度越大，弯曲模量也越大，弯曲强度最高为２４８．８１ＭＰａ，与纯芳纶织物增强复合材料相比，提高４．９％，弯曲模量提高７．１％，有一定的效果。复合材料弯曲性能与增强体、树脂以及界面性能有关，洋芳纶（３０／７０）混纺织物与树脂结合更为紧密，是由于洋麻纤维经过精细化处理后，纤维出现明显的沟槽及孔洞，为环氧树脂的浸润过程中制造了锚固点，经固化后，产生锚固效应，提高了界面结合力，使力能较好地传递到纤维上，从而提高复合材料的弯曲强度及弯曲模量；而且纤维弯曲刚度降低，使混纺纱线比纯芳纶纱线弯曲刚度小，混纺织物比纯芳纶织物柔韧性好，从而使混纺织物增强复合材料弯曲性能提高。同时洋芳纶（３０／７０）混纺织物表面毛羽适中，在预浸料成型中，毛羽的存在增强了层间的联系，提高了复合材料的弯曲强度与弯曲模量，提升了复合材料的弯曲性能。洋芳纶（２０／８０）和１００％芳纶增强复合材料虽然拉伸性能较好，但是织物表面光滑，使得层间粘合较差，导致复合材料弯曲性能相对较差。图４复合材料弯曲性能Ｆｉｇ．４Ｆｌｅｘｕｒａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ础｜ｌ，Ｉ邀一ｓ３ｏ柏∞∞∞ｍ：宝●２２２２２２２２２２Ｈ≤Ｂｄ艰章异优１８洋芳纶混纺织物增强复合材料的力学性能研究２．５剪切性能图５为四种不同混纺比洋芳纶织物增强复合材料的剪切强度。织物增强复合材料是由多层预浸料压制而成，因此复合材料的层间性能是复合材料的重要指标之一，剪切性能是检验复合材料层间结合性的重要手段之一，增强体与树脂的浸透性是影响复合材料剪切性能的最关键因素。０／１００２０／￣０３Ｕ／７０４０１００洋麻／芳纶混纺比图５复合材料剪切强度Ｆｉｇ．５Ｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ由图５可知，洋芳纶２０／８０混纺织物增强复合材料剪切强度最高，为２４．５８ＭＰａ，与纯芳纶织物增强复合材料相比，提高１８．６％。１００％芳纶织物比洋麻／芳纶混纺织物增强复合材料剪切性能差，这主要是由于芳纶表面光滑，与树脂界面结合性较差，同时层间织物没有纤维穿插，致使芳纶增强复合材料的层间结合性能较差。与纯芳纶织物相比，洋芳纶混纺织物中洋麻纤维经过精细化处理，洋麻纤维中部分果胶、木质素、半纤维素及其他低分子杂质被溶解除去，纤维表面粗糙，形成许多空腔，比表面积增加（图１），纤维极性降低（图２），使纤维能很好地分散和被基体树脂所浸润，提高了纤维与树脂的机械嵌合作用，复合材料界面粘结强度得到有效提高¨，而且洋麻纤维形成的毛羽有利于层问性能的提升，使混纺织物增强复合材料剪切性能较好。２．６抗冲击性能由图６可知，随着芳纶含量的减少，复合材料板的抗冲击强度不断降低，纯芳纶织物增强复合材料抗冲击强度为５５．６２ＭＰａ，洋芳纶（２０／８０）混纺织物增强复合材料抗冲击强度为５０．８４ＭＰａ。洋麻纤维在一定程度上增强了织物与树脂的粘合性，提高了层间性能，有利于能量的传递，因此在减小芳纶用量２０％的情况下，抗冲击强度减小了８．６８％，总体来说，混纺织物增强复合材料的抗冲击性能较优。比较达到最大载荷时所用的时间可知，随着洋麻纤／Ｃ甍２３｜维的增加，复合材料达到最大冲击载荷时间增加，这主要是由于芳纶由两个苯环通过酰胺键链接，分子结构具有高度规整性，使得其具有较高的刚度，对应力比较敏感，而混纺织物中加入洋麻纤维，洋麻越多，分布越广泛，洋麻纤维刚度小，在受到冲击后，复合材料有缓冲，在较长的时间内可达到最大载荷。图６复合材料抗冲击测试Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｓｔｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ３结论（１）洋麻纤维扫描电子显微镜（ＳＥＭ）及傅里叶红外光谱测试研究表明，精细化处理后的洋麻纤维表面粗糙度增加，极性分量减少，有利于织物与树脂的浸润性，从而改善复合材料弯曲、剪切性能，拓展了洋麻纤维的应用领域；（２）洋麻／芳纶３０／７０混纺织物增强复合材料弯曲强度比纯芳纶织物增强复合材料提高４．９％，弯曲模量提高７．１％；而洋芳纶２０／８０混纺织物增强复合材料剪切强度比纯芳纶织物增强复合材料提高１８．６％。综合分析可得，洋芳纶混纺织物增强复合材料与纯芳纶复合材料的力学性能相近，部分性能甚至高于后者，因此，可根据复合材料的具体用途，选择合适的洋麻与芳纶混纺比，可改善芳纶表面惰性，提升复合材料性能；（３）洋芳纶混纺织物增强复合材料的开发，不仅提升了洋麻纤维的附加值，而且可以降低纯芳纶复合材料的成本。因此，洋麻纤维可在一定程度上替代部分价格昂贵的合成纤维制备复合材料，这类复合材料制品将具有较大的市场潜力和很好的发展前景。参考文献［１］ＸａｖｉｅｒＦｌａｍｂａｒｄ，ＳｅｒｇｅＢｏｕｒｂｉｇｏｔ，ＭａｎｕｅｌａＦｅｒｒｅｉｒａ，ｅｔａ１．Ｗｏｏｌ／—ｐａｒａａｒａｍｉｄｆｉｂｒｅｓｂｌｅｎｄｅｄｉｎｓｐｕｎｙａｍｓａｓｈｅａｔａｎｄｆｉｒｅｒｅｓｉｓｔａｎｔｆａｂｒｉｃｓ『Ｊ］．ＰｏｌｙｍｅｒＤｅｇｒａｄａｔｉｏｎａｎｄＳｔａｂｉｌｉｔｙ，２００２，（７７）：如加ｍＯ喂氰２０１５年第３期玻璃钢／复合材料—２７９２８４．［２］ＲｏｇｅｒＭ．Ｒｏｗｅｌｌ，ＡｎａｎｄＳａｎａｄｉ，ＲｏｄＪａｃｏｂｓｏｎ，ＤａｎＣａｕｌｆｉｅｌｄ．Ｐｒｏｐ－ｅｒｔｉｅｓｏｆＫｅｎａｆ／ＰｌｏｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＫｅｎａｆＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，—ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＡｎｄＰｒｏｄｕｃｔｓ，１９９９：３８１３９２．［３］ＮｉｎａＧｒａｕｐｎｅｒ，Ｊ０ｒｇＭｉｉｓｓｉｇ．Ａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃ－ｔｅｆｉｓｔｉｃｓｏｆｋｅｎａｆａｎｄｌｙｏｃｅｌｌｆｉｂｒｅＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｏｌｙ（１ａｃｔｉｃａｃｉｄ）（ＰＬＡ）ａｎｄｐｏｌｙ（３－ｈｙｄｒｏｘｙｂｕｔｙｒａｔｅ）（ＰＨＢ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍ－ｐｏｓｉｔｅｓ：ＰａｒｔＡ，２０１１，４２：２０１０－２０１９．［４］刘丽，张翔，黄玉东，等．超声作用对芳纶纤维性质的影响［Ｊ］．—复合材料学报，２００３，２０（２）：３５４Ｊ０．［５］何顺辉，王春红，吴美雅．洋麻纤维精细化处理及性能测试［Ｊ］．天津工业大学学报，２０１３，０６：２８．３１．［６］王春红，何顺辉，吴美雅，等．纺纱方法对洋麻／芳纶长丝混纺纱性能的影响［Ｊ］．上海纺织科技，２０１４，０２：１７－２０．［７］张永励，李岩，孙震．织物形式对苎麻纤维渗透率及其复合材料—力学性能的影响［Ｊ］．复合材料学报，２０１３，３０（０２）：１９５２００．［８］黄顾．现代纺织复合材料［Ｍ］．北京：中国纺织出版社，２００９．［９］乌云其其格．模压成型工艺对复合材料性能影响［Ｊ］．玻璃钢／—复合材料，２００１，（０６）：４０４１．［１０］诸爱士，郑传祥，成忠．复合材料基体固化成型工艺综述［Ｊ］．浙江科技学院学报，２００８，２０（０４）：２６９－２７３．［１１］Ｂ．Ｆ．Ｙｏｕｓｉｆ，Ａ．Ｓｈａｌｗａｎ，Ｃ．Ｗ．Ｃｈｉｎ．Ｆｌｅｘｕｒａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｒｅａｔｅｄａｎｄｕｎｔｒｅａｔｅｄｋｅｎａｆｅｐｏｘｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｄｅｓｉｇｎ，２０１２，（４０）：３７８３８５．［１２］杨淑蕙．植物纤维化学［Ｍ］．北京：中国轻工业出版社，２００１．［１３］刁均艳，潘志娟．黄麻、苎麻及棕榈纤维的聚集态结构与性能［Ｊ］．苏州大学学报：工科版，２００８，１２：４１．４４．［１４］曾金芳，乔生儒，丘哲明，等．芳纶、碳纤维混杂工艺对环氧复合材料拉伸性能的影响［Ｊ］．工程塑料应用，２００３，３１（９）：３０．３４．［１５］关庆文，王仕峰，张勇．生物降解ＰＨＢＶ／天然植物纤维复合材—料的界面改性研究进展［Ｊ］．化工进展，２００９，０５：８２８８３１．’ＭＥＣＨＡＩＣＡＬＰＥｌＩＦＯＲＭＡＮＣＥ０ＫＥＡＩ／ＡＲＡＭＩＤＦｌＢＥＲＢＬＥＤＥＤＦＡＢＲＩＣＲＥＩＮＦｏＲＣＥＤＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳ—ＷＡＮＧＣｈｕｎ－ｈｏｎｇ，ＪＩＡＲｕｉｔｉｎｇ，ＢＡＩＳｕ－ｙｕｅ，ＸＵＬｅｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｅｘｔｉｌｅｓ，ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３８７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｆｏｕｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｌｅｎｄｒａｔｉｏｓｏｆｋｅｎａｆ／ｋｅｖｌａｒｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｂｌｅｎｄｅｄｆａｂｒｉｃｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎｍａｔｒｉｘ，ｆｉｎｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｋｅｎａｆａｎｄａｒａｍｉｄｗｏｖｅｎｆａｂｒｉｃｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｌｅｎｄｉｎｇｒａｔｉｏｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｐｏｌａｒｉｔｙｏｆｋｅｎａｆｆｉｂｒｅｗｅｒｅｅｘａｍｉｎｅｄｂｙＳＥＭａｎｄ阿Ｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｋｅｎａｆ／ａｒａｍｉｄ３０／７０ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈａｖｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｆｌｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ２４８．８１ＭＰａ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙ４．９％，ｆｌｅｘｕｒａｍｏｄｕｌｕｓｏｆ１２．９１ＧＰａ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄ７．１％，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｐｕｒｅｋｅｖｌａｒｆａｂｒｉｃｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｋｅｎａｆ／ａｒａｍｉｄ２０／８０ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅ２４．５８ＭＰａ．ｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ１８．６％．ＳＥＭａｎｄｆｖｒＩＲｒｅｓｕｌｔｓ—ｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｋｅｎａｆｆｉｂｅｒｂｅｃａｍｅｆｉｎｅａｆｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｆｉｂｅｒｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｐｏｌａｒｉｔｙｂｅｃａｍｅｌｏｗｅｒ，ｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｆａｂｒｉｃｗｉｔｈａｒｅｓｉｎ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｆｌｅｘｕｒａｌａｎｄｓｈｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｒａｍｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｋｅｎａｆ；ｐａｒａａｒａｍｉｄ；ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｌｅｎｄｒａｔｉｏｓ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｐｏｌａｒ｜曰１够。｜２ｌ