预处理对复合材料性能的影响研究

陶丽军，殷肖海，刘晓洪

预处理对复合材料性能的影响研究

陶丽军，殷肖海，刘晓洪*

（武汉纺织大学 纺织与材料学院，湖北 武汉 430073）

通过不同的处理方法改善增强纤维与基体树脂间的界面性能，探讨了预处理对复合材料性能的影响。结果表明：经过A-151处理和碱处理后，复合材料的拉伸性能分别提高到92.6Mpa和78.0Mpa，在45℃、5%NaOH溶液中加热0.5h后，复合材料的冲击性能最大。

苎麻纤维；丙纶；复合材料；拉伸性能；冲击性能

苎麻纤维在麻类纤维中性能最好，其纤维素含量高，是唯一能以单纤维状态纺纱的麻类纤维，同时它还具有吸湿散湿快和抗菌、耐腐蚀的特点，适合用作复合材料的增强材料[1-3]。以聚丙烯[4-7]为代表的热塑性复合材料，不仅具有力学上的优良性能、耐腐蚀、无毒性和低廉的价格，而且具有可重复加工和使用的特点，有利于环保，因而备受人们关注，发展迅速[8]。随着高性能天然纤维及其复合材料的研究与开发应用，麻类纤维逐步被用来作为复合材料的增强材料使用。

1　实验部分

1.1实验原料与设备

苎麻布，剪裁10cm×15cm。氢氧化钠，天津市恒兴化学试剂制造有限公司。偶联剂A-151，武汉市华昌应用技术研究所。脱模纸，聚酯薄膜。真空干燥箱，ZK-82A型，上海市实验仪器总厂。电热恒温水浴锅，WMZK-01型，北京医疗设备厂。平板硫化机，XLB-D350X350型，浙江湖州东方机械有限公司。万能材料试验机，济南试金集团有限公司。XCJ-50型冲击试验机，承德实验机有限责任公司。

1.2工艺流程

为了节省热压成型工艺时间，本试验将平板硫化机的温度调到热压所需的温度，同时模具也放入加热板中加热，等温度稳定后再将试样放入。接着让干燥的试样在5Mpa压力下预热一分钟再加压到预设压力，这样不仅节省仪器调试时间而且可以让试样也能自身慢慢吸收热量，使它在热压开始阶段达到受热均匀的状态。热压完成之后关掉平板硫化机电源，采用电风扇辅助冷却至室温。根据聚丙烯的熔点(165℃-173℃)以及对麻纤维增强复合材料以往的研究，设置压力为10Mpa、时间为25min、温度为190℃进行热压。

1.3预制件的前处理方法

实验前准备：将苎麻布裁剪成规格为10cm×15cm，共裁剪60块，每5块一组。按模具规格压制纯PP板，总共压制40块。

（1）碱处理：按实验设计要求配制浓度为5%的NaOH溶液；将裁剪好的苎麻布浸入到NaOH溶液中，浴比为20：1。处理方法为：取2组布在30℃恒温加热0.5h，在45℃各取两组布分别加热0.5h、1h和1.5h，再取2组布在60℃加热0.5h。取出苎麻布，用大量水冲洗至中性，然后在烘箱中80℃烘干。

（2）偶联剂A-151处理：将A-151溶解与95%的乙醇溶液中，配制成浓度1%的A-151的乙醇溶液。浴比为25：1；调节pH到3-4，温度30℃，处理时间60min。处理完成后放置在通风橱内晾干，然后在烘箱里80℃干燥。

1.4复合材料拉伸性能测试

本实验使用万能试验机进行苎麻/PP复合板材的拉伸性能测试。拉伸速度为10mm/min，试样加持距离为50mm。试样规格为100×10mm。本实验参照GB/T1447-2005，试样加工参照GB/T1447-2005中的I型式样加工方式，为哑铃型。

1.5复合材料冲击性能测试

使用XCJ-50型冲击强力测试仪进行苎麻/PP复合板材的冲击性能测试。试样规格为100×10mm。

2　结果与讨论

2.1复合材料的拉伸性能

复合材料的拉伸性能实验数据如表1所示

表1　拉伸实验数据

（1）碱处理下不同加热温度对苎麻PP复合板材拉伸性能的影响。如图1所示，在加热相同时间的情况下，不同加热温度对苎麻PP复合材料的影响也是不同的，随着温度的升高，复合材料的拉伸性能提高，不过随着温度的继续升高，复合材料的拉伸性能降低了，说明温度过高对复合材料的拉伸性能有影响。因此，选择适当的温度有利于材料拉伸性能的提高。

图1　苎麻PP复合板在不同温度下的应力-应变曲线

（2）碱处理下不同加热时间对苎麻PP复合板材拉伸性能的影响。如图2，在同一温度加热的情况下，加热时间长短对苎麻PP复合材料的拉伸性能有着一定的影响，影响不是很大。刚开始，随着加热时间的增加，拉伸性能有提高，对比1.5小时和1小时处的应力应变曲线可看出，1.5小时处的拉伸强度明显要低于1小时。说明适当选择加热时间也可以提高复合材料的拉伸性能。

（3）不同处理方法对苎麻PP复合材料拉伸性能的影响。如图3可知，处理后的苎麻PP复合材料的拉伸性能明显要比未处理过的高。碱处理能很好的提高苎麻的物理性能，碱处理中NaoH与苎麻纤维素相作用生成碱纤维素，其微结构和物理性能也发生变化。偶联剂A-151处理后材料的性能提高很大。由此，选择适当的前处理方法对苎麻纤维性能的界面改性有着很大的作用，能极大的提高材料的拉伸性能。

图2　苎麻PP复合板在不同加热时间下的应力-应变曲线

图3　苎麻PP复合板在不同处理下的应力-应变曲线

2.2复合材料的冲击性能

复合材料的冲击性能实验数据如表2如示。表2在5%NaOH溶液中通过对三种相同加热时间，不同加热温度的比较可以看出，在加热时间为0.5h,温度45℃时复合材料的冲击性能最大。很明显在相同条件下，加热时间大于0.5h时，复合材料冲击性能有所下降，而经过5%NaOH处理的所得到的复合材料冲击性能明显优于性能偶联剂A-151处理和未处理的。

表2　冲击实验数据

3　结论

（1）通过不同的处理方法，复合材料力学性能上都有了一定程度的改善，尤其是经过A-151处理和碱处理后的复合材料，其拉伸性能分别提高到了92.6Mpa和78.0Mpa。

（2）在碱处理下，60℃时材料的拉伸性能为最高，达到86.2Mpa，说明适当提高加热温度有利于提高复合材料的拉伸性能。随着加热时间的增加，材料的拉伸性能没有多大变化，因此，苎麻布在碱处理下加热时间长短对复合材料性能影响不大。

（3）在碱处理下，在45℃ 5%NaOH溶液中加热0.5h，复合材料的冲击性能最大。

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Study on Properties Effect of Pretreatment on Composite

TAO Li-jun, YIN Xiao-hai, LIU Xiao-hong

(College of Textile and Materials, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

Study on the properties and the interface of reinforced fibers under different modified methods based on the matrix resin, and analyze the pretreatment influence on the mechanical properties of composite materials. The result was that the tensile properties of composite materials after pretreatment had an increase to 92.6 Mpa and 78.0 Mpa. Also, the impact properties was the highest after heating 0.5h in 45℃, 5%NaOH solution.

Ramie Fiber; Polypropylene; Composite; Tensile Property; Impact Property

TS102.5

A

1009－5160(2011)03－0016－03

武汉纺织大学校基金项目（20063115）.

*通讯作者：刘晓洪（1968-），男，教授，研究方向：纺织复合材料.