黄麻纤维/环氧树脂复合材料的力学性能

汤 栋, 赵 玉 萍, 赵 明

( 大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

近年来,黄麻纤维复合材料作为一种新型环保复合材料,越来越受到人们的关注。我国黄麻产量丰富,位列世界第三。黄麻纤维除了具有绿色、可降解、再生快等诸多优点外,纤维的力学性能也较优良,黄麻纤维的比强度与比模量接近E-玻璃纤维,是一种非常理想的纤维增强材料[1-2]。黄麻纤维复合材料在汽车、建筑、船舶等领域有着广泛的应用前景,研究开发黄麻纤维复合材料是非常有意义的。黄麻/环氧复合材料的力学性能取决于基体和纤维双方的特性。国内已有学者对黄麻纤维复合材料的力学性能进行过研究和讨论,如郑融等[3]研究了黄麻单向纤维和随机分布短纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能,并与竹纤维增强环氧树脂的力学性能进行了比较；曾竟成等[4]讨论了黄麻有捻纤维束和黄麻布增强环氧树脂、酚醛树脂和不饱和聚酯树脂复合材料的复合工艺和力学性能；张安定等[5]研究了黄麻纤维的长度和含量对其增强聚丙烯复合材料力学性能的影响。但此类研究并未系统阐述黄麻的纤维长度和纤维含量对其环氧树脂复合材料力学性能的影响。作者讨论了黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能,特别研究了纤维含量和纤维长度对其拉伸和弯曲性能的影响。

1 实 验

1.1 材料与设备

1.1.1 主要材料

经脱胶梳理的黄麻纤维,河南麻布制品有限公司；环氧树脂,E-44(6101),香港荣发装饰材料国际集团有限公司；固化剂,聚酰胺树脂低分子650型,香港荣发装饰材料国际集团有限公司；丙酮,化学纯,沈阳新兴试剂厂。

1.1.2 主要仪器设备

MN压力成型机,无锡市中凯橡塑机械有限公司；HY-W万能制样机,承德市试验机厂；RG微机控制电子万能试验机,深圳市瑞格尔仪器有限公司；8303烘箱,上海革新仪器制造厂。

1.2 实验方法与步骤

1.2.1 黄麻纤维的准备

将脱胶梳理后的黄麻纤维分别剪成3、5、10、15 mm的4种长度,置于70 ℃的烘箱中干燥脱水。

1.2.2 树脂基体的制备

将环氧树脂、聚酰胺、丙酮按表1所示的树脂基体配方比例进行混合。

表1 环氧树脂基体配方表

1.2.3 复合材料板的制备

制备过程:室温下黄麻纤维与树脂基体混合→放置到模具中→放入热压机,真空零压下50 ℃静置30 min→升温至80 ℃,压力2 MPa,1 h→升温至110 ℃,压力2 MPa,1 h→升温至140 ℃,压力2 MPa,2 h→自然冷却后脱模。

将5 mm的黄麻纤维分别按质量分数10%、20%、30%、40%与树脂充分混合制成试样,用以探讨纤维含量对黄麻纤维增强环氧树脂性能的影响。

分别将3、5、10、15 mm的黄麻纤维按照质量分数为10%与树脂充分混合制成试样,用以探讨纤维长度对黄麻纤维增强环氧树脂性能的影响。

另准备环氧树脂浇铸体试样,用以探讨黄麻纤维的加入对环氧树脂性能的影响。

1.3 测试与表征

1.3.1 力学性能测定

参照GB 1447—2005拉伸性能实验方法,在RG微机控制电子万能试验机上进行板材的拉伸性能测试。试样规格为180 mm×20 mm×4 mm,夹持距离为110 mm,加载速度为2 mm/min。

参照GB 1449—2005弯曲性能测试方法,采用三点弯曲法在RG微机控制电子万能试验机上进行板材的弯曲性能测试。试样规格为80 mm×15 mm×4 mm,跨距取为64 mm,加载速度为2 mm/min。

1.3.2 扫描电镜(SEM)分析

采用日本JEOL公司的JSM-6460LV型扫描电子显微镜观察黄麻/环氧复合材料试样的拉伸断面。截取适当长度的样条断面,将样品放入70 ℃烘箱中烘干20 min,烘干后用SEM观察断面的微观形态。

2 测试结果与分析

2.1 纤维质量分数对复合材料力学性能的影响

黄麻纤维质量分数与复合材料拉伸性能的关系曲线如图1所示。

图1 纤维质量分数对拉伸性能的影响

由图1可以看出,随纤维质量分数的增大拉伸强度呈先上升后下降的趋势,当纤维质量分数达20%时,复合材料拉伸强度达到最高,为59.56 MPa,之后随纤维质量分数的增大略有下降。对于纤维增强复合材料而言,材料的强度取决于基体将承受的载荷传递给增强纤维的程度,黄麻纤维之所以能够增强树脂基体的力学性能,最主要的因素是基体将承受的部分载荷传递给了增强纤维[6],两相间的界面黏结情况决定了传递效果。黄麻纤维含量较低时,许多纤维处于孤立状态,纤维间抱合力较差,不能起到分担基体所受载荷的作用,因此试样拉伸性能较低[7]。随着纤维含量增加,材料强度增大。这是由于黄麻纤维发挥了增强纤维的作用,与基体共同承担拉伸外力,所以随着纤维含量增加,复合板材的拉伸强力也会增加。但是,当纤维含量增大到一定量,纤维在环氧树脂中不能完全、均匀浸透,纤维与纤维间的树脂含量过少且分布不均影响了界面黏结情况,导致了复合材料受力不均,降低了拉伸强度。环氧树脂中的黄麻纤维限制了环氧树脂的变形,所以较小的应力不可能引起大的变形,且随着纤维含量的增多纤维对树脂基体的变形限制越严重[8],拉伸模量随纤维含量增加而递增。这说明黄麻纤维含量的增加对复合材料拉伸模量的提升是有利的。

黄麻纤维质量分数与复合材料弯曲性能的关系曲线如图2所示。由图2可以看出,随着黄麻纤维的质量分数的增大,板材弯曲强度逐渐增加,当黄麻纤维质量分数为30%时,黄麻纤维增强环氧树脂复合材料的弯曲强度达到了93.11 MPa,纤维质量分数继续增加弯曲强度则略有下降。材料受到弯曲变形时,纤维在基体中因应力缺陷所引起的破坏作用高于纤维在基体中所发挥的增强作用[9]。而弯曲模量则先随纤维含量的增加而递增,后趋于平缓。

图2 纤维质量分数对弯曲性能的影响

2.2 纤维长度对复合材料力学性能的影响

图3、4给出了在质量分数为10%时,纤维长度对材料拉伸和弯曲性能的影响。由图3、4可以看出,随着纤维长度的增加,材料的拉伸和弯曲强度均呈先增加后减小的变化趋势,且在纤维长度为10 mm处达到最大,此时拉伸强度为53.08 MPa,弯曲强度为83.44 MPa,实验数据符合短纤维增强复合材料临界纤维长度对材料强度的影响规律[10],即在低于临界纤维长度时,材料的强度随纤维长度的增加而增大；而高于临界纤维长度时,材料的强度随纤维长度的增加而减小。因为纤维在复合材料中充当的是增强材料,所以随纤维长度的增加,单根纤维与树脂的结合面也增大,结合力增加,复合材料板断裂时需要将纤维与树脂脱黏的力也更大,所以强度随之增大。而拉伸与弯曲模量均随纤维长度的增加而递增,说明纤维的高长径比带来了材料模量的提高。

图4 纤维长度对材料模量的影响

2.3 材料断口SEM分析

采用SEM观察纤维长度为5 mm、质量分数为20%的复合材料的断口处微观结构,见图5,其中(a)、(b)、(c)分别是断口处40、100、300倍的SEM照片。由图5(a)可以看出,一部分黄麻纤维裸露在环氧树脂外面,这是由于拉伸破坏导致纤维被拔出,且纤维长短不一,说明纤维与树脂之间的结合不够均匀完善。由图5(b)可以看出,在拉伸断裂过程中有树脂的粉碎颗粒产生,且树脂有因黄麻浸润不均产生的气泡。除树脂有撕裂的痕迹外,还有基体与纤维剥离后留下的纤维

图5 材料拉伸断面的SEM形貌

丝,这是纤维和树脂在脱黏时因两者的结合力而将纤维撕裂的结果。由图5(c)可以看出,黄麻截面是不规则的多角形,中间有多个空腔。纤维和树脂之间存在着由于黄麻纤维从树脂中拔出所形成的类似圆形的孔洞,黄麻纤维表面比较光滑,基本没有树脂黏附在纤维表面,这说明两相界面之间的黏结强度仍有待进一步增强。

3 结 论

黄麻纤维的加入对环氧树脂的力学性能有明显改善,且纤维的含量和长度对环氧树脂复合材料的力学性能有显著影响。随着纤维含量和长度的增加,复合材料的弯曲和拉伸强度呈先升高后降低的趋势。黄麻纤维在长度10 mm、质量分数为20%～30%时,黄麻/环氧树脂复合材料的拉伸和弯曲综合性能比较好。纤维含量的增加和纤维长度的增加对材料模量的提升是有利的。随着纤维含量与纤维长度的增加,材料的模量也呈增加的趋势。当纤维质量分数超过30%、纤维长度超过10 mm时,增加不明显。

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