隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展，熱塑性復(fù)合材料由于具有較高的環(huán)境穩(wěn)定性、高沖擊強(qiáng)度、可回收性等優(yōu)點(diǎn)受到了日益廣泛的關(guān)注，其中短纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料已商品化且應(yīng)用十分廣泛。但目前商品化的短纖增強(qiáng)復(fù)合材料在抗沖擊性能等方面仍顯不足，因此復(fù)合材料的應(yīng)用范圍受到一定的限制。而長玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的出現(xiàn)，不僅可以提高玻纖含量，而且可以使復(fù)合材料的性能得到大幅提高。但傳統(tǒng)的制備長玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的工藝u' ，如熔融浸漬法、懸浮液浸漬法、溶液浸漬法、流態(tài)化床浸漬法等以及一些新型的生產(chǎn)方法，如反應(yīng)注射拉擠成型法等，都存在一些缺點(diǎn)。本文針對傳統(tǒng)熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)工藝的缺陷，采用新的熔融浸漬法制備了長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料，對注塑樣品的力學(xué)性能及界面性能進(jìn)行了研究。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1．1 長玻纖增強(qiáng)PET切片的制備

　　采用自制的長玻璃纖維浸潤裝置，以PET樹脂浸漬長玻璃纖維，經(jīng)切粒后得到長度為6 mm的長玻璃纖維增強(qiáng)PET預(yù)浸料切片，然后在一定溫度下熱處理。

　　1．2 長玻纖增強(qiáng)PET切片的注塑成型

　　將上述熱處理的切片按表1的工藝條件注塑成型，注塑后的樣條置于干燥器中待用。

　　1．3 長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料性能測試

　　性能測試包括力學(xué)性能測試(拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度)及熱變形溫度測試，其測試方法均按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

　　表1 長玻纖增強(qiáng)PET的注塑條件

　　1．4 纖維長度分布的測定

　　將注塑樣條經(jīng)燒蝕去除基體樹脂后，將纖維分散到1％的丙三醇水溶液中，滴數(shù)滴懸浮液在載玻片上，干燥后，將載玻片放在OLYMPUS BH2一UMA光學(xué)顯微鏡下觀察，經(jīng)計(jì)算得出數(shù)均纖維長度L 及重均纖維長度。

1．5 掃描電鏡(SEM)觀察

　　采用日本電子株式會(huì)社JSM一5600LV型掃描電鏡觀察長纖增強(qiáng)PET注塑樣條的斷面形貌。

2 結(jié)果與討論

　　2．1 玻纖用置對長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
 

　　　　圖1 玻纖用量對長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響

　　圖1是玻纖用量對長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響。從圖1可看出，隨著玻纖用量的增加，其拉伸強(qiáng)度不斷增大；當(dāng)玻纖用量達(dá)50％ 時(shí)，注塑樣條的拉伸強(qiáng)度比玻纖用量為20％ 時(shí)的提高了約22％ 、而且玻纖用量在20％ ～50％ 之間時(shí)，每增大10％ ，其拉伸強(qiáng)度平均提高7％。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度也隨著玻纖用量的增加而不斷增大。當(dāng)玻纖用量達(dá)5O％ 時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度可達(dá)292MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出采用熔融浸漬法生產(chǎn)的同類產(chǎn)品。

 

　　　　　　　　圖2 玻纖用量對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度和彎曲彈性模量的影響

　　圖2是玻纖用量對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度和彎曲彈，陛模量的影響。從圖2可看出，在玻纖用量為40％時(shí)，長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最大，但繼續(xù)增加玻纖用量，沖擊強(qiáng)度反而下降。界面的完整理論認(rèn)為：一般情況下，當(dāng)復(fù)合材料受到外加載荷時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力在復(fù)合材料中的分布是不均勻的，在界面的某些結(jié)合較強(qiáng)的部位常會(huì)集中比平均應(yīng)力高許多的應(yīng)力、界面的不完整性和缺陷同樣也會(huì)引起界面的應(yīng)力集中。界面的應(yīng)力集中首先會(huì)引起應(yīng)力集中點(diǎn)的破壞，形成新裂紋，并引起新的應(yīng)力集中，從而使界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力下降。玻纖的大量加入，破壞了PET樹脂的均一性，形成了更多的應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)材料受到?jīng)_擊時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)首先受到破壞； 因此， 沖擊強(qiáng)度不是簡單的隨著玻纖用量的增加而增大，而是在某一用量時(shí)達(dá)到最大值。

　　從圖2還可看出，隨著玻纖用量的增加，其彎曲彈性模量不斷增大。其中，玻纖用量為50％時(shí)復(fù)合材料的彎曲彈性模量比玻纖用量為20％時(shí)提高了一倍多。

　　眾所周知，在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維主要起承載作用；因此，一般來說，基體中纖維的含量越高，其增強(qiáng)效果越顯著。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際材料的制備工藝考慮，玻纖用量介于40％ ～50％之間較為適宜。

　　2．2 長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料的力學(xué)性能比較

　　表2 長玻璃纖維增強(qiáng)PET復(fù)合材料的力學(xué)性能比較

 

表2對自制的長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料的力學(xué)性能與商品化的采用熔融浸漬法生產(chǎn)的同類產(chǎn)品進(jìn)行了比較。

　　由表2可看出，與相同玻纖用量的采用熔融浸漬法生產(chǎn)的長纖增強(qiáng)PET商品相比，本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度提高了20％，彎曲強(qiáng)度提高了7％ ，而沖擊強(qiáng)度提高了27％ ，這主要得益于基體樹脂與玻纖之間形成的良好的界面粘合。

　　2．3 玻纖用量對制品中玻纖長度分布的影響

　　理論上講，長纖維的增強(qiáng)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于短纖維。對界面強(qiáng)度相等、纖維長度不同的增強(qiáng)體系而言，纖維長度越長，纖維與樹脂的界面粘結(jié)力就越大，樹脂所受的負(fù)荷就能很好地傳遞給纖維，因此復(fù)合材料的強(qiáng)度也就越高。從復(fù)合材料斷口形貌也可以看出(見圖3)，斷口拔出的纖維很長，需要消耗越多的拔出功。由于纖維需要承受來自基體的載荷，因此，長度增加，承受的載荷越大。

　　表3 不同玻纖用量的長纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料注塑樣品中的纖維長度

 

表3是不同玻纖用量的PET復(fù)合材料注塑樣條中纖維的長度及其分布。表3可以看出，隨著玻纖用量的增加，纖維的平均長度呈下降的趨勢。這主要是由于隨著纖維用量增加，纖維之間、纖維與機(jī)械及纖維與樹脂之間的摩擦增大，纖維的磨損也隨之增加。本實(shí)驗(yàn)的復(fù)合材料注塑樣品中的纖維平均長度明顯低于文獻(xiàn)-5’6 J中長纖增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維平均長度。這有兩方面的原因：第一，原始纖維長度較小，僅為6mm；第二，由于注塑設(shè)備限制，注塑采用了短纖增強(qiáng)復(fù)合材料的條件。但由本工藝制備的長纖增強(qiáng)PET的力學(xué)性能仍優(yōu)于熔融浸漬法制備的長纖增強(qiáng)PET。

　    2．4 復(fù)合材料的界面性能研究

　   復(fù)合材料要求纖維與基體材料之間能夠形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面。適當(dāng)?shù)慕缑娼Y(jié)合強(qiáng)度不僅有利于提高材料的整體強(qiáng)度，更重要的是便于將基體所承受的載荷傳遞給纖維，以充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用。從圖3各斷面的SEM照片可以看出，包埋在樹脂中的單根玻璃纖維表面均覆蓋有一層基體樹脂，這可能是由于玻纖與樹脂間在長玻纖增強(qiáng)PET制備過程中已發(fā)生了化學(xué)接枝，形成了良好的界面、從而使應(yīng)力能夠通過界面有效傳遞，并使材料的力學(xué)性能明顯提高。

　　　　　　　　　圖3 長玻纖增強(qiáng)PET注塑樣條斷面的SEM照片

　　3 結(jié)論

　　1)采用本文提出的工藝方法能夠制備出具有良好的界面粘合性及力學(xué)性能優(yōu)良的長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料。

　　2)玻纖用量對長玻纖增強(qiáng)PET的力學(xué)性能有一定的影響， 當(dāng)玻纖用量在40％ ～50％之間時(shí)，其綜合力學(xué)性能達(dá)到最佳。

　　3)長玻纖增強(qiáng)PET注塑樣條中，玻纖長度隨纖維用量的增加而有所降低。