玄武岩纤维长度对麦秸秆/PBS发泡复合材料力学性能的影响

于 旻, 党 哲, 葛正浩, 孙立新, 田普建, 孙 凯, 郑寒一

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

玄武岩纤维长度对麦秸秆/PBS发泡复合材料力学性能的影响

于 旻, 党 哲, 葛正浩*, 孙立新, 田普建, 孙 凯, 郑寒一

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

以麦秸秆/PBS发泡复合材料为基础，玄武岩纤维(BF)为增强纤维，制备了BF/WS/PBS发泡复合材料.研究了BF纤维长度对WS/PBS发泡复合材料力学性能的影响.结果表明，BF纤维的添加使复合材料的力学性能显著提高，随着BF纤维长度的增加，复合材料的弯曲强度和弯曲模量先增大后减小，拉伸强度和冲击强度随纤维长度的增加而下降.当BF-WS总量为10%时，3 mm BF纤维增强复合材料拉伸强度比未添加BF纤维的提高了14.6%，6 mm BF纤维增强复合材料的弯曲强度达到最大值29.64 MPa，击强度分别比未添加BF纤维的提高了47.6%.当BF-WS总量增加至20%时，3 mm BF纤维的承载效果更加明显，其拉伸强度比未添加BF纤维的复合材料提高了27.5%.

玄武岩纤维； PBS； 麦秸秆； 发泡复合材料； 力学性能

Keywords:basalt fiber； PBS； wheat straw； foam composites； mechanical properties

0 引言

木塑复合材料(WPCs)是以热塑性塑料为基体，天然纤维(如木竹纤维、农作物秸秆等)增强的环境友好型生物质复合材料，是高效利用农林剩余物资源的一种重要途径[1].近十多年来，WPCs在建筑、装饰和家装等领域已发展为一种新型的功能性材料，如何有效提高WPCs的力学性能一直是研究的热点[2,3].目前，传统改善WPCs力学性能的方法(如木粉和塑料改性或添加偶联剂等)已不能满足WPCs作为结构用材的需求[4-6]，借鉴增强纤维在树脂材料中的应用，通过在WPCs中添加增强纤维的方法来提高其力学性能是简单有效的途径之一[7-9].

玄武岩纤维(Basalt Fiber，BF)是一种性能优异的新型复合材料增强体，具有导热系数低、使用温度范围广、吸湿能力低、抗震性好等优点，此外玄武岩纤维制造过程危害低且能自然降解为土壤的母质，且对人类健康无危害，被称为“绿色环保型纤维”[10-12].增强纤维在树脂基体中起着传力应力的作用，为了更好地发挥纤维的增强作用，增强纤维的长度必须达到临界长度(lc)以上才能起到增强作用，即纤维与基体的粘结强度大于等于纤维本身的抗拉强度时，增强效果最佳[13-15].然而，纤维过长时，其增强效果不但不明显，反而会增加纤维在基体中的分散难度，造成缺陷[16].Greco A等[17]研究发现BF纤维的长度对其在聚丙烯基体的拉伸强度有显著影响.Wang Y等[18]发现，大于临界长度且均匀分布的BF纤维比短切BF纤维能够显著改善聚甲醛基复合材料的机械强度和冲击韧性.因此研究纤维长度对复合材料性能的影响有重要的实际应用价值.

目前关于玄武岩纤维长度与木塑复合材料性能的影响研究还较少.本文以麦秸粉(WS)/聚丁二酸丁二醇酯(PBS)发泡复合材料为基础，通过添加BF纤维制备BF/WS/PBS发泡复合材料，研究了BF纤维长度与WS/PBS发泡复合材料力学性能的关系，为WPCs性能改性提供理论基础.

1 实验部分

1.1 实验原料与设备

(1)主要材料：PBS，3001,日本昭和株式会社；麦秸秆粉(WS),120 目，正阳县一帆秸秆综合利用专业合作社；玄武岩纤维(BF)，长度3 mm、6 mm、9 mm,海宁安捷复合材料有限责任公司；发泡剂偶氮二甲酰胺(AC),桂林广和新材料科技有限公司.

(2)主要设备：温控高速混料机，SHR-5c型，张家塔市生光降解塑料机械厂；塑料注射成型机，TT1-130F2V，东华机械公司；烘箱，101A-1B型，上海市实验仪器厂；体视显微镜，XYH-Z型，上海光学仪器一厂；电子万能试验机，CMT5504型，深圳新三思材料检测有限公司；冲击试验机，XJUD-5.5型，承德市金建检测仪器有限公司.

1.2 材料制备及性能测试

当前，人类社会正全面进入信息时代，以教育信息化带动教育现代化已成为教育创新与变革的重大战略抉择。教育部《教育信息化十年发展规划（2011～2020）》指出：“实现教育信息化手段是要充分利用和发挥现代信息优势途径，方法则是信息技术与教育的深度融合”“职业教育信息化是培养高素质劳动者和技能型人才的重要支撑，是教育信息化需要着重加强的薄弱环节”，所以，如何将现代信息技术更好地、更广泛地应用于职业教育，值得我们共同研究和探讨。

(1)材料制备：将WS、BF、PBS原料置于烘箱中80 ℃下干燥12 h；保持BF纤维和WS质量比1∶1不变，BF-WS总量分别为BF/WS/PBS发泡复合材料的10 wt%和20 wt%，BF纤维长度分别为3 mm、6 mm、9 mm，AC发泡剂含量为4 wt%；将称量好的BF纤维、WS、PBS 和AC发泡剂放入温控高速混合机内搅拌15 min充分混合均匀；最后以注射机注射成标准哑铃型试样.另外，采用不添加BF纤维、WS含量分别为10 wt%和20 wt%的WS/PBS发泡复合材料和工艺条件制备标准哑铃型试样，与BF纤维增强试样进行对比.

(2)性能测试：拉伸性能按GB/T1040.1-2006进行测试，弯曲性能按GB/T9341-2008进行测试；悬臂梁冲击性能按GB/T1043.1-2008进行测试；采用体视显微镜观察复合材料断面形貌.

2 结果与讨论

2.1 BF/WS/PBS复合材料断面形貌

由图1(a)、(b)可以看出，3 mm和6 mm BF纤维均能在复合材料中分布均匀，复合材料能够较好的发泡，泡孔尺寸小且分布较均匀.随着纤维长度的增加，9 mm的BF纤维有局部搭桥的现象，且泡孔分布不均，部分相邻泡孔合并连通，导致泡孔形状不一，孔径增大，对复合材料的力学性能产生消极影响，如图1(c)所示.

当BF-WS的含量为10%时，BF纤维和WS纤维混合均匀且分布较均匀，随着纤维总体含量提高至20%，可见BF纤维、WS纤维分别成簇并发生明显团聚(图1(d))，这会导致应力集中，且严重影响发泡，造成相邻泡孔连通从而形成较大的孔洞，大大降低了复合材料抵抗应力破坏的能力，在一定程度上抵消了BF纤维对复合材料强度的改善.

(a) 3 mm BF (10%BF-WS)

(b) 6 mm BF (10%BF-WS)

(c) 9 mm BF (10%BF-WS)

(d) 9 mm BF (20%BF-WS)图1 BF/WS/PBS复合材料断面形貌图

通过对断面纤维破坏形态的观察，可以发现断面上存在较多BF突出的端头，部分BF纤维被完全拔出(如图1(a)、(b)、(c)所示)，说明纤维破坏的主要形式是拔出.从侧面反映出，以后的研究还需对BF纤维进行适当的表面处理，从而提高界面粘接性.

2.2 BF纤维长度对复合材料弯曲性能的影响

图2为不同长度BF纤维的WS/PBS发泡复合材料的弯曲性能，BF纤维的加入使复合材料的弯曲强度和弯曲模量相比未添加BF纤维的复合材料都有不同程度的提高，这是因为BF纤维具有优异的力学性能，在基体中能够较好的传递载荷，改善了单纯由WS纤维承受外力的状况.

由图2(a)可知，BF-WS总量为10%时，随着BF纤维长度的增加复合材料的弯曲强度先增大后减小，当BF纤维为6 mm时，复合材料的弯曲强度达到最大值29.64 MPa，说明当BF-WS总量较少时，BF纤维表面亲油特性使其能够较好的分散在WS/PBS复合材料中，纤维与基体间的界面性能较好(如图1(b)所示)，当复合材料受力时，6 mm BF纤维相比3 mm BF纤维能够更好的起到承载作用，使材料应力得以更好的分散，进而提高了复合材料的弯曲强度.而当BF纤维增加至9 mm时，长纤维之间容易搭桥，纤维之间以及纤维与PBS基体之间易产生孔隙，降低结合作用，并容易受力时产生应力集中现象，导致弯曲强度下降.当BF-WS总量为20%时，复合材料的弯曲强度随着BF纤维长度的增加逐渐下降，这主要是由于BF-WS总量增加，使PBS基体不足以完全包裹BF纤维和WS纤维，易出现结合不均匀现象，导致缺陷的出现，当材料受力时，降低了应力传递效率.

(b)弯曲模量图2 不同BF纤维长度下复合材料 的弯曲性能

图2(b)为BF纤维长度对复合材料的弯曲模量的影响.由图2(b)可知，复合材料的弯曲模量随着BF纤维长度增加而下降，当BF纤维为9 mm时，10%和20%BF-WS总量的复合材料弯曲模量迅速下降至0.57 Gpa和0.78 Gpa，这是因为较长的BF纤维在WS/PBS复合材料中分散性较差，易发生团聚，并且长纤维在发泡过程中无法提供更多的成核点位置，从而使复合材料泡孔尺寸较大且分布不均(如图1(d)所示)，导致复合材料的弯曲模量在BF纤维为9 mm时显著下降.

2.3 BF纤维长度对复合材料拉伸性能的影响

图3为WS/PBS发泡复合材料拉伸性能与BF纤维长度的关系.由图3(a)可知，复合材料的拉伸强度随着BF纤维长度的增加先增大后减小.当BF-WS总量为10%时，BF纤维为3 mm的复合材料拉伸强度比未添加BF纤维的提高了14.6%，说明短切BF纤维起到了良好的承载作用，随着BF-WS总量增加至20%时，承载效果更加明显，复合材料的拉伸强度比未添加BF纤维的提高了27.5%.

由图1(a)、(b)断面可见许多纤维外伸或拔出的小孔，说明在破坏过程中，存在纤维拔出的过程，BF纤维起到了增强的作用.当BF纤维长度继续增加，BF纤维为9 mm时，复合材料的拉伸强度比未添加BF纤维的复合材料分别下降了9%和12%，这是由于BF纤维长度过大，易发生团聚，造成应力集中，且过长的BF纤维不利于发泡，使泡孔孔径不均，也是造成拉伸强度显著下降的原因.

(a)拉伸强度

(b)拉伸模量图3 BF纤维长度对拉伸性能的影响

图3(b)是复合材料拉伸模量与BF纤维长度的关系，由图3(b)可知，刚性BF纤维的加入能够提高复合材料的拉伸模量，BF纤维为6 mm时的效果最好，拉伸强度为3.39 Gpa.但随着BF纤维长度的增加，BF-WS含量为10%，9 mm BF-WS/PBS复合材料拉伸模量比6 mm BF-WS/PBS复合材料拉伸模量下降了61.1%，说明适当增加BF纤维长度能够使BF纤维较好的起到增强的作用，而当纤维过长时，无法在基体中均匀分散，并对PBS基体发泡产生消极影响，降低了复合材料的拉伸性能.

2.4 BF纤维长度对复合材料冲击性能的影响

由图4可知，BF纤维的加入能够提高复合材料的冲击强度，随着BF纤维长度的增加，复合材料的冲击强度逐渐下降，用3 mm BF纤维增强的复合材料，当BF-WS总量为10%和20%时，冲击强度分别比未添加的复合材料提高了47.6%和80.2%.这是由于3 mm BF纤维在WS/PBS复合材料中分散性好，较短的BF纤维能够成为发泡过程中的成核点，使泡孔均匀(如图1 (a)所示)，能够更有效的承载并分散冲击能量，因此提高了复合材料的冲击强度.继续增加BF纤维长度，复合材料的冲击强度下降，这是由于长纤维填料易发生团聚，并影响发泡过程导致泡孔不均，从而产生较大的空隙造成应力集中的缺陷.

图4 纤维长度对冲击性能的影响

3 结论

(1)BF纤维的添加使复合材料的力学性能显著提高，随着BF纤维长度的增加,复合材料的弯曲强度和弯曲模量先增大后减小，拉伸强度和冲击强度逐渐下降，当BF-WS总量为10%时，3 mm BF纤维增强复合材料拉伸强度比未添加BF纤维的提高了14.6%，6 mm BF纤维增强复合材料的弯曲强度达到最大值29.64 MPa，冲击强度分别比未添加BF纤维的提高了47.6%.当BF-WS总量增加至20%时，3 mm BF纤维的承载效果更加明显，其拉伸强度比未添加BF纤维的复合材料提高了27.5%.

(2) 3 mm BF纤维在WS/PBS复合材料中分散性好，较短的BF纤维能够成为发泡过程中的成核点，使泡孔均匀，综合力学性能较好.适当增加BF纤维长度能够起到较好的增强作用，而当纤维过长时，无法在基体中均匀分散，并对PBS基体发泡产生消极影响，降低了复合材料的力学性能.

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【责任编辑：蒋亚儒】

Effectofbasaltfiberlengthonmechanicalpropertiesofwheatstraw/PBSfoamcomposites

YU Min， DANG Zhe, GE Zheng-hao*， SUN Li-xin，TIAN Pu-jian， SUN Kai, ZHENG Han-yi

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

2017-08-11

陕西省教育厅专项科研计划项目 (17JK0092)； 咸阳市科技计划项目(2010K05-11)； 国家级大学生创新创业训练计划项目(201610708039)；陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ16-01)

于 旻(1986-)，女，宁夏银川人，讲师，博士，研究方向：复合材料成型及控制

葛正浩(1964-)，男，上海人，教授，博士，研究方向：材料成型加工、机构学,gezh@sust.edu.cn

2096-398X(2017)05-0082-04

TB332

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