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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料，對(duì)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(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PET切片的制備

       采用自制的長(zhǎng)玻璃纖維浸潤(rùn)裝置，以PET樹(shù)脂浸漬長(zhǎng)玻璃纖維，經(jīng)切粒后得到長(zhǎng)度為6 mm的長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料性能測(cè)試

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

表1 長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PET的注塑條件

1．4 纖維長(zhǎng)度分布的測(cè)定

       將注塑樣條經(jīng)燒蝕去除基體樹(shù)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(zhǎng)度L 及重均纖維長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)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(lèi)產(chǎn)品。

圖2 玻纖用量對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(shù)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(jiǎn)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料的力學(xué)性能比較

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

 

表2對(duì)自制的長(zhǎng)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(lèi)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(zhǎng)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(shù)脂與玻纖之間
形成的良好的界面粘合。

2．3 玻纖用量對(duì)制品中玻纖長(zhǎng)度分布的影響

       理論上講，長(zhǎng)纖維的增強(qiáng)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于短纖維。對(duì)界面強(qiáng)度相等、纖維長(zhǎng)度不同的增強(qiáng)體系而言，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，纖維與樹(shù)脂的界面粘結(jié)力就越大，樹(shù)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(jiàn)圖3)，斷口拔出的纖維很長(zhǎng)，需要消耗越多的拔出功。由于纖維需要承受來(lái)自基體的載荷，因此，長(zhǎng)度增加，承受的載荷越大。

表3 不同玻纖用量的長(zhǎng)纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料注塑樣品中的纖維長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度呈下降的趨勢(shì)。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(shù)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(zhǎng)度明顯低于文獻(xiàn)-5’6 J中長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維平均長(zhǎng)度。這有兩方面的原因：第一，原始纖維長(zhǎng)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(zhǎng)纖增強(qiáng)PET的力學(xué)性能仍優(yōu)于熔融浸漬法制備的長(zhǎng)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(shù)脂中的單根玻璃纖維表面均覆蓋有一層基體樹(shù)脂，這可能是由于玻纖與樹(shù)脂間在長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PET制備過(guò)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(guò)界面有效傳遞，并使材料的力學(xué)性能明顯提高。

圖3 長(zhǎng)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(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料。

        2)玻纖用量對(duì)長(zhǎng)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(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PET注塑樣條中，玻纖長(zhǎng)度隨纖維用量的增加而有所降低。