玻璃纤维布增强高密度聚乙烯性能研究

郭梅英，杨红娜，吴晓青

(1.天津工业大学，先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387)(2.北京航天合众科技发展有限公司，北京 100076)



玻璃纤维布增强高密度聚乙烯性能研究

郭梅英1，杨红娜2，吴晓青1

(1.天津工业大学，先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387)(2.北京航天合众科技发展有限公司，北京 100076)

通过热压罐成型工艺制备了玻璃纤维增强高密度聚乙烯(HDPE)复合材料，重点对材料的冲击性能以及热稳定性能进行了研究。研究结果表明：随着玻纤质量分数的提高，复合材料冲击性能呈现先增大后减小趋势，并在玻纤质量分数为30%时最佳；随着冲击能量增大，复合材料冲击性能呈现先增大后减小趋势，并在35J能量时达到最佳。树脂材料的热稳定性也因为玻璃纤维的增强有了一定提高。

玻璃纤维布；HDPE；热压罐成型；力学性能；热稳定性

1　引 言

热塑性树脂经纤维增强后，强度、模量等性能都得以提高。并且热塑性复合材料与热固性复合材料相比具有：轻质高强、高韧性、高损伤容限、成本低、加工工艺简单、可回收利用、无环境污染等优点，在汽车、航空航天、电能、建筑、工业、医疗等领域迅速发展[1-4]。聚乙烯虽然机械强度不高，但是成型温度范围广，易于成型，纤维增强的聚乙烯可以在很大程度上改善树脂和纤维的性能，制得理想性能的材料。因此，纤维增强的聚乙烯复合材料近年来一直是研究的热点。Claire Steggall-Murphy[5]、Wellington Chu[6]、D.Bikiaris[7]、李力[8]、张宁[9]等人分别对纤维增强聚乙烯复合材料的性能进行了研究。虽然国内外在玻纤增强聚乙烯研究上已有了一些经验，但大多是以短纤维为增强体，通过挤出成型，或用长纤维增强预浸料制备复合材料，直接使用玻璃纤维布对热塑性树脂进行成型的研究较少。本文通过使用热压罐成型工艺对玻璃纤维布增强的高密度聚乙烯复合材料进行成型，并对成型材料的冲击性能以及热稳定性能进行分析。

2　实验部分

本实验中选择大连樱田机械制造有限公司制造的热压罐进行复合材料的成型。原材料为常州天马集团生产的中碱玻璃纤维无捻粗纱布与河北省保定恩世包装生产的HDPE树脂薄膜。

选用美国Instron Dynatup 9250HV，参考标准GB/T 1843-2008，对材料冲击性能进行测试；选用德国耐驰STA449F3型同步热分析仪对材料热稳定性能进行测试；选用日本日立MT-1000扫描电子显微镜对材料进行扫描。

3　结果与讨论

3.1冲击性能

对玻璃纤维增强HDPE复合材料在施加30J能量前提下，纤维含量对材料冲击性能影响如图1所示。

图1　不同纤维质量含量时材料冲击性能影响

图1中可以观察到材料冲击强度随着纤维质量增大呈现先增大后较少趋势；表面冲击凹坑深度随着纤维质量增大呈现出先减少后增大趋势。在玻纤质量分数为17%时，材料受冲击作用破坏最严重。

当玻璃纤维含量较低时，树脂在复合材料受到冲击时起到主导地位，由于聚乙烯树脂耐冲击性能较差，导致材料耐冲击强度较低。随着玻纤含量增加，纤维破裂以及拔出过程中吸收了大部分的冲击能量，在一定程度上提高了板材的韧性，增大了材料的层间断裂能力。抵抗破坏性能的增强也使得冲击坑的深度与复合板材厚度的比值不断减少。当纤维含量在30%时，复合材料的耐冲击性能最佳，复合板材吸收的能量最多。在超过这个质量分数时，材料的耐冲击性能反而有了一定的下降。是因为随着玻璃纤维布层数的增多，树脂含量减少，树脂不能完全浸渍纤维，从而导致了较差的层间结合能力，导致材料在受到外力冲击时存在较多的残余应力，降低了材料的力学性能。同时冲击凹坑深度也随之增大。

选定材料中玻璃纤维质量分数为30%前提下，能量对材料冲击性能影响如图2-3所示。

图2中冲击强度与表面凹坑深度随能量增大均呈现先增大后减少趋势。在这里结合图3不同能量下复合板材时间-载荷关系对产生这种现象原因进行分析。

图3中可以观察到，随着冲击能量增大，冲击速度变大，达到最大载荷的时间变短，整体冲击时间不断减少，载荷-时间曲线的波动越发的剧烈，曲线中峰值也呈现出不断增大的趋势，因此对复合板材造成的损伤也越加严重。这是因为在较小的冲击能量时，材料主要变化为结构出现一定的弹性变形，此时板材并未产生过多的损伤。在能量稍微增大时，板材产生了包括小的分层以及基体裂纹等轻微的损伤，也不足以对板材产生明显的影响。此时，曲线呈现出小幅的波动，但整体并不是十分剧烈，材料表面凹坑深度增大。在更大的能量时，板材会出现明显的损伤，凹坑深度达到最大，表现为纤维与基体树脂的分层以及纤维的断裂，此时就会对板的刚度产生较大的影响。同时，时间-载荷曲线也会出现较大的波动。

图2　不同能量下复合板材冲击性能

图3　不同能量下复合板材时间-载荷关系图

3.2热稳定性分析

图4为纯树脂与成型材料热稳定性的对比。

图4中可以看出，玻璃纤维的加入明显增强了树脂材料热稳定性能。因为玻璃纤维在材料中起到了刚性链的作用，基体分子间的运动由于玻璃纤维的加入变得相对困难。因此玻璃纤维的加入提高了玻璃纤维增强热塑性高密度聚乙烯复合材料的热降解温度。

3.3复合材料冲击断口形貌

图5为玻璃纤维增强HDPE复合材料的冲击断口的扫描电镜图。

图5中可以看出，在冲击载荷的作用下，基体树脂与玻璃纤维产生了分层，并且有大量的玻璃纤维从基体中拔出断裂，残留断面上玻璃纤维表面光滑，粘附较少的HDPE树脂。说明HDPE树脂对玻璃纤维浸渍不理想，在外力作用下树脂与纤维很容易发生脱黏破坏。

图4　复合材料热重分析

图5　成型板材的冲击断口图

4　结 语

(1)确定热压罐成型工艺可以成型热塑性复合材料。

(2)当能量固定时，冲击强度随玻纤质量分数增大均呈现出先增大后减小的规律，当玻纤质量分数为30%时材料冲击强度均达到最大。当玻纤质量分数30%时，玻纤增强HDPE复合材料冲击强度随能量增大呈现先增大后减小的规律，35J时达到最大。

(3)玻璃纤维增强后树脂的热稳定性与纯树脂相比有了提高。

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[3]李庆飞，王一飞，吴承思.大型客机复合材料中央翼整体化设计研究[J].纤维复合材料，2013(1): 3-7.

[4]叶鼎铨.国外纤维增强热塑性塑料发展概况[J].国外塑料.2012,30(5):34-40.

[5]Claire Steggall-Murphy,Pavel Simacek,Suresh Advani,Shridhar Yarlagadda,Shawn Walsh_ A model for thermoplastic melt impregnation of fiber bundles during consolidation of powder-impregnated continuous fiber composites [J].Composites: Part A,2010,41( I ):93-100.

[6]Wellington Chu,Lixin Wu,Vistasp Karbhari.Comparative Degradation of Pultruded E-Glass/Vinylester in Deionized Water,Alkaline Solution,and Concrete Leachate Solution[J].Journal of Applied Polymer Science,2006(99):1405-1414.

[7]D.Bikiaris,P Matzinos,J.Prinos,et al.Use of Silanes and Copolymers as Adhesion Promoters in Glass Fiber/Polyethylene Composites[J].Journal of Applied Polymer Science,2001,80(14): 2877-2888.

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[9]张宁,李忠恒,陶宇，等.长纤维增强聚乙烯复合材料的研究[J],工程塑料应用,2006(10):21-25.

Glass Fabric Reinforced High Density Polyethylene Composite Material Preparation and Properties Research

GUO Meiying1,YANG Hongna2,WU Xiaoqing1

(1.Kay Laboratory for Advanced Textile Composite of Ministry of Education,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387)(2.Beijing aerospace modern science and technology development co.,LTD,Beijing,100076)

This paper through the autoclave molding process preparation of glass fiber reinforced high density polyethylene (HDPE) composite material,focus on the impact of the material performance and thermal stability were studied.The results show that with the improvement of glass fiber mass fraction,composite material showed a trend of first increases and then the impact resistance,and the glass fiber the best when the mass fraction of 30%; With impact energy increases,the composites showed a trend of first increases and then the impact resistance,and at the age of 35 J energy to achieve the best.Thermal stability of the resin material because of glass fiber reinforced has been raised.

Glass Fabric; HDPE; Autoclave Molding; mechanical property; thermal stability

2015-08-16)

郭梅英(1988-)，女，硕士研究生，研究方向：热塑性复合材料。E-mail:gmytjgy@163.com.

吴晓青(1964-)，女，教授，博士生导师；E-mail:wuxiaoqing501@126.com.