玻璃纤维增强聚丙烯复合材料

玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备及性能研究

一．原材料

1．聚丙烯（polypropylene简称PP）

PP是一种热塑性树脂基体，为白色蜡状材料。聚丙烯的生产均采用齐格勒—纳塔催化剂，以Al(C2H5)3+TiCl4体系在烷烃（汽油）中的浆状液为催化剂，在压力为1.3MPa，温度为100℃的条件下按离子聚合机理反应制得。聚丙烯的结晶度为70％以上，密度为0.98，透明度大，软化点在165℃左右，脆点—10~20℃，具有优异的介电性能。热变形温度超过100℃，其强度及刚度均优于聚乙烯，具有突出的耐弯曲疲劳性能、耐化学药品性和力学性能都比较好，吸水率也很低。因此应用十分广泛，主要用于制造薄膜，电绝缘体，容器等，还可用作机械零件如法兰，接头，汽车零部件等。

2．玻璃纤维(glass fiber简称GF)

GF是一种性能优异的无机非金属材料。成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺，最后形成各类产品。玻璃纤维单丝的直径从几个微米到十几米个微米，相当于一根头发丝的1／20—1／5，每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成，通常作为复材料中的增强材料，电绝缘材料和绝热保温材料，电路基板等，广泛应用于国民经济各个领域。

玻璃一般人的观念为质硬易碎物体，并不适于作为结构用材，但如其抽成丝后，则其强度大为增加且具有柔软性，故配合树脂赋予形状以后终于可以成为优良的结构用材。玻璃纤维随其直径变小其强度高。作为增强材料的玻璃纤维具有以下的特点，这些特点使玻璃纤维的使用远较其他种类纤维来得广泛，发展速度亦遥遥领先，其特性列举如下：1)拉伸强度高，伸长小(茎3％)。 2)弹性系数高，刚性佳。3)弹性限度内伸长量大且拉伸强度高，故吸收冲击能量大。 4)为无机纤维，具不燃性，耐化学性佳。5)吸水性小。6)尺度安定性，耐热性均佳。 7)透明可透过光线。8)与树脂接着性良好之表面处理剂之开发完成。9)价格便宜。3．乙烯--丙烯共聚物

为了改善聚丙烯的冲击性能、低温脆性,应对之进行增韧处理。通常选用的是含有二烯烃成分的乙烯-- 丙烯-- 二烯烃三元共聚(BPDM)

4．表面处理剂

PP是非极性树脂,与其它材料的熔合性差。玻纤的表面光滑,很难与非极性树脂结合。改进方法主要是对玻纤的表面进行处理。表面处理剂主要用硅烷偶联剂,如KH-550等,但还不理想。因为此时PP依然是惰性的,它没有尼龙、饱和聚酯与玻纤之间那样的粘结力。为了改进这一缺点,可采用以下几种方法:

(1) 以过氧化硅烷偶联剂:含有双键置换基团的某些过氧化硅烷,如乙烯基三(特丁基过氧化)硅烷。

(2)以氯化物偶联:将硅烷与全氯环戊烷,氯化二甲苯,氯桥酸酐等高氯化物并用,可显著地改进玻纤增强PP的强度。特别是从氯化二甲苯的热稳定性考虑,最优异。

(3) 对PP进行极性化处理,即在PP链中引入极性共聚单体,常用的极性共聚单体有双马来酰亚胺(BMI)和马来酸酐(MAH)等;或加入过氧化物,如过氧化二异丙苯(DCP)。

采用这些方法能使聚丙烯与玻纤表面产生一定程度的交联或化学作用,因而产品

性能将大大提高。

5．抗氧剂

PP 的氧化老化过程是按游离基连锁反应机理进行的。使用抗氧剂是阻止PP 自动氧化链反应过程进行的最有效防老化方法。抗氧剂可分为游离基链反应终止剂和过氧化物分解两类。主抗氧剂主要有胺类和酚类,辅助抗氧剂为硫酯类,配合使用具有协同效应,主辅抗氧剂用量比为1/2～2/1。

二、复合材料的制备及成型技术

将玻璃短切纤维与粉状热塑性树脂聚丙烯及其填料等配置成悬浮液，搅拌均匀后沉积制成网状坯料，再经层合、烘干制成片状模塑料半成品，剪裁后通过模压成型制成复合材料制品。本实验采用的是模压成型技术。成型热塑性塑料时，置于模具型腔内的塑料被加热到一定温度后，其中的树脂熔融成为粘流态，并在压力作用下粘裹着纤维一起流动直至充满整个模腔而取得模腔所赋予的形状，此即充模阶段；热量与压力的作用加速了热塑性树脂的聚合(一种不可逆的化学反应)，随着树脂交联反应程度的增加，塑料熔体逐渐失去流动性变成不熔的体型结构而成为致密的固体，此即固化阶段。聚合过程所需的时间一般与温度有关，适当提高温度可缩短固化时间。最后打开模具取出制品，冷却。

三、性能测试

1、拉伸强度

材料拉伸断裂之前所承受的最大应力，这是增强塑料的一个重要的性能，它不仅取决于纤维和基体的强度和用量比例(含胶量)，还与纤维的形态因素及取向度、界面粘结强度等有密切关系，在本实验中，增强材料是玻璃纤维毡片，纤维的形态因素和取向度是不变的，因此，含胶量和界面粘结强度是影响拉伸性能的主要因素。根据GB/T1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》试样，不同成型条件下制备的试样每组做三个。将试样编号、划线和测量试样的工作段任意三处的宽度和厚度，取算术平均值。夹持试样，使试样的中心线与上下央具的对准中心线一致。加载速度为10mm／min，连续加载直至试样破坏为止，记录破坏载荷及试样的破坏形式。

2、压缩强度

试样承受的最大压缩应力。复合材料的压缩强度与其模量密切相关，能提高模量的填料也能提高压缩强度的效果，增强塑料的压缩强度主要取决于聚合物的种类、纤维的种类和形态、界面粘结等因素，由于同时要求由基体承受大部分施加的荷载，以及增强纤维时不连续的，所以基体局部的剪切破坏将由于界面开始破坏和纤维的增强作用损失引起一个弯曲破坏。

根据GB／T1448-2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》制得试样，不同成行条件下制备的试样每组各做三个。试样的上下端面要相互平行，且与试样中心线垂直。将试样编号，测量试样的工作段任意三处的宽度和厚度，取算术平均值。安放试样，使试样的中心线与试样机上下压板的中心线一致。加载速度为1．5-6mm ／min，对试样连续、均匀加载直至试样破坏为止，记录破坏载荷。

3、弯曲强度

试样在弯曲破坏下最大载荷时的弯曲应力。根据GB／T1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》制得试样，不同成型条件下每组试样各做三个。采用三点简支梁法，即将试样放在两支点上，在两支点中心线处加集中载荷使试样破坏时的强度即为弯曲强度。将试样编号，划线和测量试样中间的1／3跨距内任意三点的宽度和厚度，取算术平均值。调节跨距L及加载压头位置，准确至0．5mm。加载上压头位于支座中间，且使上压头和支座的圆柱面柱线相平行。跨距可按试样的厚度换算：L=(16+1)h。将试样安放在支座中心位置上，使试样的长度方向与支座和加载上压头相垂直。加载速度为10mm／min，对试样连续、均匀加载直至试样破坏为止，记录破坏载荷。

4、冲压剪切强度

试样所能承受的最大剪切应力。短切纤维复合材料的明显优点是纤维不可能排列整齐，极大的限制了复合材料的剪切变形，因而能提高复合材料的冲压剪切强度，在直接施加或诱导拉力作用下，也能增加横向拉伸强度和减少平行于纤维方向上的破坏。根据GB／T1448—2005《纤维增强塑料冲压式剪切强度试验方法》制得试样，不同成型条件下每组试样各做三个。测量断纹剪切试样受剪面二处的宽度和厚度，取算术平均值。将试样放入剪切夹具的底座中，装上上压块，拧紧上压盖，确保试样与其接触的上压块及底座之间没有间隙，最后按上圆柱冲头。将安放好试样的剪切夹具放在实验机上，使圆柱冲头的中心对准实验机上压板的中心。加载速度为1．5．5mm／min，通过圆柱冲头对试样施加均匀、连续的载荷，直至破坏，记录破坏载荷。

5、冲击韧性

材料抵抗冲击载荷的能力。根据GB／T1451—83《玻璃纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法》制得试样，不同成型条件下每组试样各做三个。将试样编号，测量试样受剪面三处的厚度，取算术平均值。将试样放在剪切夹具的底座中，装上上压块，拧紧上压盖，确保试样与其接触的上压块及底座之间没有间隙，最后安放圆柱冲头。将安放好试样的剪切夹具放在实验机上，使圆柱冲头的中心对准实验机上压板的中心。冲击速度为3．8m／s，对试样连续、均匀加载直至试样破坏为止，记录破坏载荷。