长玻纤增强PET复合材料的力学性能研究_姜润喜

长玻纤增强PET复合材料的力学性能研究y

姜润喜1,周洪梅2,韩克清2,王 恒1,余木火2

(1.中国石化仪征化纤股份有限公司技术中心,江苏仪征211900; 2.东华大学纤维材料国家重点实验室,上海200051)

摘要:采用自制的浸润装置,以PET浸渍长波纤,经切粒后得到长度为6mm的长纤维增强PET预浸料切片,经一定温度热处理,可得到长纤增强PET复合材料。研究了注塑样条中玻纤含量对其力学性能及玻纤长度分布的影响,并采用SE M观察了长玻纤增强PE T注塑样条的断面形貌。结果表明,复合材料力学性能随玻璃纤维含量的提高均有不同程度的提高,当玻纤的质量分数在40%~50%时,力学性能基本达到最佳,且由本方法制备的长玻纤增强PET复合材料的力学性能已达到并超过了国外同类产品的水平。

关键词:长玻璃纤维;PE T复合材料;力学性能

中图分类号:TQ323 4+1 文献标识码:A 文章编号:1005-5770(2005)07-0017-03

S tudy on Mechanical Properties of Long Glass Fiber Reinforced PET Composite JIANG Run-xi1,ZHOU Hong-mei2,HAN Ke-qing2,W ANG Heng1,YU Mu-huo2

(1.Technical Center of Yizheng Chemical Fibre Co ,Ltd ,SINOPEC,Yizheng211900,China;

2.State Key Lab of Chemical Fibers and Polymer Materials,Donghua Universi ty,Shanghai200051,China)

Abstract:Long glass fibre reinforced PE T composites(LGF/PE T)produced by a ne w melt impregnation pro-cess were injection molded to testing bars,in which long glass fibers were impregnated with PE T by a sel-f made im-pregnator,and the impre gnated fibers were pelleted into LGF/PE T flake materials with a length of6mm The effect of the glass fibre content in the testing bar on the mechanical properties and the glass fibre length distribution were studied,and SE M was used to investigating the section surface of the testing bars The results showed that the me-chanical properties of LGF/PE T composites increased with the increase of the glass fibre content,and the mechan-i cal properties were the best when the mass fraction of glass fibre was between40%to50%,the mechanical proper-ties of the LGF/PET composites produced by the ne w melt impregnation method had attained to and e xceeded those of the sa me products from other countries

Keywords:Long Glass Fiber;PE T Composite;Mechanical Properties

随着纤维增强复合材料的发展,热塑性复合材料由于具有较高的环境稳定性、高冲击强度、可回收性等优点受到日益广泛的关注,其中短纤增强热塑性复合材料已商品化且应用十分广泛。但目前商品化的短纤增强复合材料在抗冲击性能等方面仍显不足,因此复合材料的应用范围受到一定的限制。而长玻纤增强复合材料的出现,不仅可以提高玻纤含量,而且可以使复合材料的性能得到大幅提高。但传统的制备长玻纤增强热塑性复合材料的工艺[1,2],如熔融浸渍法、悬浮液浸渍法、溶液浸渍法、流态化床浸渍法等以及一些新型的生产方法,如反应注射拉挤成型法等[3],都存在一些缺点。本文针对传统热塑性复合材料生产工艺的缺陷,采用新的熔融浸渍法制备了长玻纤增强PE T复合材料,对注塑样品的力学性能及界面性能进行了研究。

1 实验部分

1 1 长玻纤增强PET切片的制备

采用自制的长玻璃纤维浸润装置,以PE T树脂浸渍长玻璃纤维,经切粒后得到长度为6mm的长玻璃纤维增强PE T预浸料切片,然后在一定温度下热处理。

1 2 长玻纤增强PET切片的注塑成型

将上述热处理的切片按表1的工艺条件注塑成型,注塑后的样条置于干燥器中待用。

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第33卷第7期2005年7月

塑料工业

C HINA PLASTICS INDUS TRY

y 作者简介:姜润喜,男,1956年生,高级工程师,从事聚酯改性结构性能研究和分析检测技术与管理工作,已在发表论文20余篇。wangheng1211@163 com

1 3 长玻纤增强PET 复合材料性能测试

性能测试包括力学性能测试(拉伸强度、弯曲强度、冲击强度)及热变形温度测试,其测试方法均按照ASTM 标准进行。

表1 长玻纤增强PET 的注塑条件

Tab 1Injection condi tion of long glass fi bre reinforced PE T

工艺参数数值工艺参数数值料桶温度/

喷嘴温度/ 250~260前部

270~290模具温度/ 85~120中部270~285注射压力/MPa

60~70

后部

265~280

1 4 纤维长度分布的测定

将注塑样条经烧蚀去除基体树脂后,将纤维分散到1%的丙三醇水溶液中,滴数滴悬浮液在载玻片上,干燥后,将载玻片放在OLYMP US BH2-UMA 光学显微镜下观察,经计算得出数均纤维长度L n 及重均纤维长度L w [4]。

L n = N i L i N i ;L w =

N i L 2

i

N i L i

1 5 扫描电镜(SEM)观察 采用日本电子株式会社JSM -5600LV 型扫描电镜观察长纤增强PE T 注塑样条的断面形貌。

2 结果与讨论

2 1 玻纤用量对长玻纤增强PET 复合材料力学性能的影响

图1 玻纤用量对长玻纤增强PE T 复合材料拉伸强度和

弯曲强度的影响

Fig 1Effect of fiber content on tensile strength and

flexural stren gth of LGF/PET composi tes

图1是玻纤用量对长玻纤增强PET 复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响。从图1可看出,随着玻纤用量的增加,其拉伸强度不断增大;当玻纤

用量达50%时,注塑样条的拉伸强度比玻纤用量为20%时的提高了约22%、而且玻纤用量在20%~50%之间时,每增大10%,其拉伸强度平均提高7%。复合材料的弯曲强度也随着玻纤用量的增加而不断增大。当

玻纤用量达50%时,复合材料的弯曲强度可达292MPa,远远高出采用熔融浸渍法生产的同类产品。

图2 玻纤用量对复合材料冲击强度和弯曲弹性模量的影响

Fi g 2Effect of fiber content on impact strength and

flexural modulus of LGF/PET composites

图2是玻纤用量对复合材料冲击强度和弯曲弹性模量的影响。从图2可看出,在玻纤用量为40%时,

长玻纤增强PE T 复合材料的冲击强度最大,但继续增加玻纤用量,冲击强度反而下降。

界面的完整理论认为:一般情况下,当复合材料受到外加载荷时,产生的应力在复合材料中的分布是不均匀的,在界面的某些结合较强的部位常会集中比平均应力高许多的应力、界面的不完整性和缺陷同样也会引起界面的应力集中。界面的应力集中首先会引起应力集中点的破坏,形成新裂纹,并引起新的应力集中,从而使界面传递应力的能力下降。玻纤的大量加入,破坏了PET 树脂的均一性,形成了更多的应力集中区,当材料受到冲击时,应力集中区首先受到破坏;因此,冲击强度不是简单的随着玻纤用量的增加而增大,而是在某一用量时达到最大值。

从图2还可看出,随着玻纤用量的增加,其弯曲弹性模量不断增大。其中,玻纤用量为50%时复合材料的弯曲弹性模量比玻纤用量为20%时提高了一倍多。

众所周知,在纤维增强复合材料中,纤维主要起承载作用;因此,一般来说,基体中纤维的含量越高,其增强效果越显著。综合实验结果及实际材料的制备工艺考虑,玻纤用量介于40%~50%之间较为适宜。

2 2 长玻纤增强PET 复合材料的力学性能比较

表2对自制的长玻纤增强PET 复合材料的力学性能与商品化的采用熔融浸渍法生产的同类产品进行了比较。

由表2可看出,与相同玻纤用量的采用熔融浸渍法生产的长纤增强PE T 商品相比,本实验产品的拉伸强度提高了20%,弯曲强度提高了7%,而冲击强

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度提高了27%,这主要得益于基体树脂与玻纤之间形成的良好的界面粘合。

表2 长玻璃纤维增强PET复合材料的力学性能比较1)

Tab2M echanical properties of long glass fiber reinforced

PE T composites

项目自制LGF/PET

(玻纤质量分

数30%)

LGF/PET

B1030

SGF/PET

B3030ASTM

拉伸强度/MPa171125~145120~125D638断裂伸长率/%2--D638

弯曲强度/MPa235190~220185~195D790弯曲模量/MPa7629--D790冲击强度/J m-117190~13545~50D256热变形温度/ 250242238D1525 注:1)LGF/PET B1030及SGF/PE T B3030分别为采用熔融浸渍法生产的玻纤用量为30%的长纤及短纤增强PE T商品。

2 3 玻纤用量对制品中玻纤长度分布的影响

理论上讲,长纤维的增强效果远远好于短纤维。对界面强度相等、纤维长度不同的增强体系而言,纤维长度越长,纤维与树脂的界面粘结力就越大,树脂所受的负荷就能很好地传递给纤维,因此复合材料的强度也就越高。从复合材料断口形貌也可以看出(见图3),断口拔出的纤维很长,需要消耗越多的拔出功。由于纤维需要承受来自基体的载荷,因此,长度增加,承受的载荷越大。

表3是不同玻纤用量的PE T复合材料注塑样条中纤维的长度及其分布。表3可以看出,随着玻纤用量的增加,纤维的平均长度呈下降的趋势。这主要是由于随着纤维用量增加,纤维之间、纤维与机械及纤维与树脂之间的摩擦增大,纤维的磨损也随之增加。本实验的复合材料注塑样品中的纤维平均长度明显低于文献[5,6]中长纤增强复合材料的纤维平均长度。这有两方面的原因:第一,原始纤维长度较小,仅为6 mm;第二,由于注塑设备限制,注塑采用了短纤增强复合材料的条件。但由本工艺制备的长纤增强PE T 的力学性能仍优于熔融浸渍法制备的长纤增强PE T。

表3 不同玻纤用量的长纤增强PET复合材料

注塑样品中的纤维长度

T ab3Fiber length in LGF/PET composites with di fferent fiber content 玻纤质量分数/%数均长度L n重均长度L w

200 60700 9806

300 68531 3062

400 47280 8087

500 49700 8406

2 4 复合材料的界面性能研究

复合材料要求纤维与基体材料之间能够形成具有

一定结合强度的界面。适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度,更重要的是便于将基体所承受的载荷传递给纤维,以充分发挥其增强作用。

从图3各断面的SEM照片可以看出,包埋在树脂中的单根玻璃纤维表面均覆盖有一层基体树脂,这可能是由于玻纤与树脂间在长玻纤增强PE T制备过程中已发生了化学接枝,形成了良好的界面、从而使应力能够通过界面有效传递,并使材料的力学性能明显提高。

a-冲击断面 b-拉伸断面

c-弯曲断面

图3 长玻纤增强PET注塑样条断面的SE M照片Fig3SE M i mages of fracture surface of LGF/PET composi tes

3 结论

1)采用本文提出的工艺方法能够制备出具有良好的界面粘合性及力学性能优良的长玻纤增强PE T 复合材料。

2)玻纤用量对长玻纤增强PET的力学性能有一定的影响,当玻纤用量在40%~50%之间时,其综合力学性能达到最佳。

3)长玻纤增强PE T注塑样条中,玻纤长度随纤维用量的增加而有所降低。

参考文献

1 Susumu T,Shuji C,Katsuya T Polymer,1996,37(19):4421

2 Hiscock D F,Bigg D M Polym Compos,1989,10(3):145

3 Cho B G,McCarthy S P Polym Compos,1996,17(5):673

4 Yilmazer U,Cansever M Polym Compos,2002,23(1):61

5 赵若飞,周晓东,戴干策 纤维复合材料,2000,(1):19

6 Feng W,Ai-t Kadi A.Polym Compos,2003,24(4):512

(本文于2005-03-31收到)

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第33卷第7期姜润喜等:长玻纤增强PE T复合材料的力学性能研究