材料试验资料

目录列出了可用在ScienceDirect

复合材料：A部分

期刊主页： /定位/ compositesa

工程评价和大麻纤维增强聚丙烯

复合材料：微观力学和强度的预测模型

G.W. Beckermann *，K.L.皮克林

材料和工艺工程，怀卡托大学，私人袋3105，汉密尔顿，新西兰

2008年2月11日

收到了经修订的2008年8月11日

2008年11月13日

40％的NaOH /钠2SO 3处理大麻纤维，聚丙烯和4％MAPP的组成是一个综合实力评价的数学建模和力学性能测试手段。界面剪切强度，单纤维的拉伸强度和纤维长度分布在复合材料，理论综合实力的混合物和鲍耶贝德尔模型修改的规则决定。实验获得的复合材料的拉伸强度50.5 MPa的被发现是鲍耶贝德尔模型确定的理论强度的三分之一，这种差异被认为是主要是由于非轴向平面随机的方向内的复合纤维。

Ó 2008爱思唯尔公司保留所有权利。

1。简介

天然纤维，如工业大麻（大麻L。）是便宜，结实，僵硬，重量轻，并已确定为热塑性聚合物的吸引力增援。尽管这些纤维良好的机械性能，未经处理的天然纤维增强热塑性复合材料，远低于其潜在的能力，因此没有被用来在结构应用广泛。这种情况的原因之一可以归结为事实，常用的天然纤维和热塑性矩阵是不相容的，不粘结在一起。因此，有必要修改的纤维，基质，或两者兼而有之，以提高纤维和基质之间的粘附。它被广泛报道，天然纤维增强聚丙烯复合材料界面粘接的纤维矩阵可以用改性聚丙烯（MAPP）偶联剂的矩阵[1]一个改进的顺丁烯二酸酐此外，并有证据表明碱处理的纤维[2]的方式，可以达到改善光纤矩阵粘合剂锡安。增强聚合物复合材料的合成纤维不同，已没有太大的工作界面特性的天然纤维增强热塑性复合材料，并有相对较少的尝试，以评估使用常用的建模方法等复合材料的强度。

光纤基体的界面附着力通常的界面剪切强度（IFSS），可以通过微机械测试，如单纤维碎裂测试，单纤维拉出试验，微脱粘测试的决心和特点单纤维压缩试验[3]。单纤维碎裂测试（SFFT）评估原位纤维基体的附着力和加强一个艰难的，具有很高的失败应变的透明基质纤维的界面剪切强度的最有用的方法之一。此测试涉及增加轴向应力的标本，其中包含一个单一的纤维在聚合物基体中嵌入的应用程序。剪应力成纤维负载转移是通过矩阵接口和光纤故障发生时，这个转移的应力达到纤维的抗拉强度。该纤维将继续骨折长度较短，随着负载的增加，直到纤维碎片是如此之小，在纤维引起的拉应力不再能达到纤维的抗拉强度。在这一点上达到饱和的状态，并碎裂过程停止。片段出现饱和时达到总的碎片状态，最后的片段长度被称为临界纤维长度（CL）。将分成两个长度超过L C纤维，产生的片段长度L C / 2和L C之间的随机分布，而纤维长度L C以下将光纤故障前拉的矩阵[4]。它是普遍接受的L C是一个很好的指标，纤维与基体之间的接口传输负载能力，并减少了界面粘接导致增加大号C [5]。

为了评价复合材料的性能，重要的是能够比较综合实验获得的力学性能的替代手段，如数学建模预测的属性。凯利泰森修改规则的混合物[6]是最知名的和常用的轴向对齐的不连续纤维复合材料的拉伸强度和杨氏模量预测模型之一。

鲍耶贝德尔模型[7]另一个拉伸强度和杨氏模量的预测模型，并已被证明提供的结果，密切配合实验获得的拉伸强度的短天然纤维增强热塑性复合材料[8-10]。鲍耶贝德尔模型被看作是改善混合物模型修改的规则，因为它考虑到超临界和亚临界从实际复合材料中提取纤维的纤维长度分布。在本次调查中，进行了一项研究，以确定关键的复合纤维的长度，界面剪切强度，意味着在关键的纤维长度和纤维长度分布在纤维强度的挤压和注塑麻类纤维增强聚丙烯复合材料。混合物和鲍耶贝德尔强度的预测模型修改的规则，用于确定复合假设轴向纤维取向的理论强度，和实验获得的复合材料的强度，然后与理论的力量相比。

2。实验

2.1。材料

在这次调查中用作复合加固Retted工业大麻韧皮纤维（大麻L。）Hemcore（英国）提供。分析纯氢氧化钠（纯度98％）和Na 2SO3（纯度98％）用于治疗这些纤维。一种聚丙烯（PP）共聚物（Icorene TM聚丙烯CO14RM）用0.9克/立方厘米的密度和熔体流动指数的13 g/10分钟被用来作为复合基质。使用偶联剂AC 950P高分子量顺丁烯二酸酐改性聚丙烯（MAPP），用35-40毫克KOH / GM，密度为0.93克/立方厘米，顺丁烯二酸酐含量小于0.5％的皂化值，，美国霍尼韦尔国际公司提供。分析纯二甲苯是用来溶解在聚合物基体，使提取的纤维长度分析纤维。

2.2。大麻纤维的处理

大麻纤维是用5％氢氧化钠/ 2％NA 2SO 3解决方案，例如，光纤在实验室规模的制浆蒸煮碱解决方案的比例是1:7（重量比）。纤维和碱溶液加热到最高温度为120 ° C，最高温度维持60分钟。治疗后，纤维彻底冲洗10分钟使用的纸浆纤维垫圈，然后干在80℃，48小时

2.3。单纤维碎裂测试

碱处理的大麻纤维，其纤维束分离手工（照顾处理光纤端面不污染纤维）和光学显微镜下观看，以确保只有一个单一的光纤的存在。纤维，然后安装在

纸帧PVA胶，纤维衡量长度保持在20毫米。每个窗口的两侧被切掉，使一个小纸标签左连接到每个光纤末端。

4 WT％MAPP的聚丙烯复合在ThermoPrism TSE - 16 - TC双螺杆挤出机，并在180℃，形成一个0.5毫米厚的聚合物板材按下再热。聚合物片被切成小块（约10毫米- 10毫米），并进行了仔细的每根纤维聚合物件压在180热° 4分钟彗星之间对齐生产0.15毫米厚的标本。SFFT标本热压后，冷却压力下切，使纤维沿轴向长度的标本被放置。胶带连接到每个试样的两端限制至18毫米的纤维衡量长度，也提供了较大的面积上，握在试样的拉伸试验机。产生碎片测试样本进行的过程示意图，图中可以看出。1。

在Instron - 4204万能试验机在0.5 mm / min的十字头速度经营，使用，受拉伸载荷增加25 SFFT标本。此十字头速度被选为主体的纤维基体界面准静态加载条件，也是以同样的速度，用于单纤维拉伸

测试描述在本文的后面，负载被释放后发生了全光纤碎片，和之前的聚丙烯基体开始产生（约50％的应变）。经过测试，个别纤维片段长度和纤维直径进行测量与校准目镜BX60F5奥林巴斯金相显微镜。平均纤维直径是由跨越的每根纤维的长度平均5个直径测量。对于本研究的目的，这是假设，纤维截面为圆形。只有每个SFFT试样的标距长度在18毫米的纤维碎片，被认为是进行分析。

2.4。单纤维拉伸试验

根据ASTM D3379 - 75标准测试方法的拉伸强度和杨氏模量高模量的单丝材料，碱处理后纤维的拉伸强度的测定。小学麻纤维是由专人从他们的纤维束分离，然后安装在2毫米厚纸板安装到他们打孔卡，这样的决定，冲孔直径的纤维衡量长度。纤维被定位于桥孔，并分别与PVA胶担保。骑警纤维检验一个BX60F5奥林巴斯金相显微镜，以确保只有一个单一的光纤每张卡上。安装纤维被放置在Instron - 4204拉力试验机和安装卡的支持双方的交手中，都经过精心切割使用热线切割机。纤维，然后拉伸测试失败率0.5毫米/分钟使用10 - N负荷细胞。平均为每根纤维计长度纤维的抗拉强度得到三十标本结果。

2.5。复合挤出和注塑成型

碱处理后的大麻纤维是切成1-3毫米长度使用工业造粒机，然后干燥24小时在80 ° C在ThermoPrism TSE - 16 - TC