黃麻纖維增強(qiáng)聚丙烯的力學(xué)性能

1、收稿日期:2003211205作者簡介:張安定(1975- , 男, 在讀碩士。黃麻纖維增強(qiáng)聚丙烯的力學(xué)性能張安定1, 馬勝2丁辛1, 王依民2(11東華大學(xué)紡織學(xué)院, 21東華大學(xué)材料學(xué)院, 上海200051摘要:本文討論了注塑成型黃麻纖維增強(qiáng)聚丙烯的制備方法和力學(xué)性能。將纖維重量含量分別為10%、20%和30%的復(fù)合材料進(jìn)行比較, 分析纖維含量對復(fù)合材料拉伸、彎曲和沖擊性能的影響; 將纖維分別切成約3mm 、5mm 和10mm 長制成復(fù)合材料進(jìn)行比較, 分析纖維長度對復(fù)合材料拉伸、彎曲和沖擊性能的影響。摻入黃麻纖維能使聚丙烯的拉伸和彎曲性能提高, 但使其沖擊強(qiáng)度降低; 隨纖維含量的增加或纖

2、維長度的增加, 復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量是遞增的, 而沖擊強(qiáng)度是遞減的。關(guān)鍵詞:黃麻纖維; 聚丙烯; 纖維含量; 纖維長度; 復(fù)合材料中圖分類號:TQ32711文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-0999(2004 02-0003-031前言黃麻有較高的比強(qiáng)度和比模量, 與熱塑性樹脂(如聚丙烯 結(jié)合, 能開發(fā)出可降解和再生的綠色復(fù)合材料, 因此具有潛在的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。國外很早就開始對黃麻增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品的研制與開發(fā), 其中以黃麻生產(chǎn)大國印度的研究最具有代表性1。在黃麻增強(qiáng)聚丙烯的研究中, 黃麻與聚丙烯界面之間較弱的粘接強(qiáng)度是限制復(fù)合材料機(jī)械性能提高的主要原因, 24學(xué)性能, 能進(jìn)行了探索5,6。最

3、進(jìn)幾年, 國內(nèi)一些研究人員對麻增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)生濃厚的興趣713, 但對黃麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究工作大多數(shù)限于熱固性樹脂。如鄭融等12研究了黃麻線狀單向纖維和隨機(jī)分布短纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能, 并與竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的性能予以比較; 曾竟成等13討論了黃麻有捻纖維束和黃麻布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能, 得出黃麻纖維與通用的熱固性樹脂基體有較好浸潤性; 黃麻纖維單向復(fù)合材料的性能比黃麻布復(fù)合材料高, 與玻璃纖維布增強(qiáng)復(fù)合材料相當(dāng); 黃麻布復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料, 其性能與玻璃纖維布復(fù)合材料相當(dāng)。我國是產(chǎn)黃麻大國, 占世界總產(chǎn)量的20%, 擴(kuò)大黃麻制品的應(yīng)用

4、領(lǐng)域, 特別是開發(fā)黃麻在產(chǎn)業(yè)紡織品中的運(yùn)用是非常必要的。本文探討纖維含量和纖維長度對黃麻纖維增強(qiáng)聚丙烯的拉伸、彎曲和沖擊性能的影響, 為進(jìn)一步的工作做探索。2試驗(yàn)所用的原料為半脫膠的黃麻工藝?yán)w維, 由浙江麻紡織有限責(zé)任公司提供; 聚丙烯粉料由上海石油化工股份公司提供。材料的物理機(jī)械性能如表1所示。表-3 GPa%回潮率%殘膠率%42414. 132. 5412. 64. 24聚丙烯0. 9128. 50. 86710. 34將黃麻工藝?yán)w維分別切成3mm 、5mm 、10mm 不同長度, 洗凈后烘燥, 然后與聚丙烯共混, 冷卻后造粒, 在注塑成型機(jī)上注射成試樣。對于天然纖維復(fù)合材料, 由于目前還

5、沒有統(tǒng)一的性能測試標(biāo)準(zhǔn), 所以在測試其性能時(shí), 常采用高分子材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法或者參照其他復(fù)合材料的測試標(biāo)準(zhǔn)。本文的拉伸試驗(yàn)使用ASTM (D63814 標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴試件, 拉伸速度為5mm min 、鉗距100mm 。彎曲試驗(yàn)采用的三點(diǎn)彎曲法, 使用ASTM (D790 標(biāo)準(zhǔn), 彎曲速度為5mm min 、跨距95mm 。由于彎曲試樣不易斷裂, 所以加載的位移只達(dá)到試樣厚度的1. 5倍, 彎曲試驗(yàn)即終止。沖擊試驗(yàn)采用懸臂梁(Izod 法, 使用ASTM (D256 標(biāo)準(zhǔn)。每種試樣測試5次, 取數(shù)據(jù)的平均值。纖維含量和長度是影響復(fù)合材料的兩個(gè)主要因素。在本研究中, 為了試樣的方便制作并保證穩(wěn)定

6、的性能, 選擇5mm 長的纖維, 制成纖維重量分?jǐn)?shù)為10%、20%和30%的試樣, 以考查纖維含量對復(fù)合材料性能的影響。另外, 選擇纖維長度分別為32004年第2期玻璃鋼復(fù)合材料FRP CM 2004. No. 23mm 、5mm 和10mm 制成纖維重量分?jǐn)?shù)為10%的試樣, 以考查纖維長度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。3結(jié)果和討論311黃麻纖維含量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響性能測試結(jié)果如表2所示。在表中第一個(gè)字母H 表示黃麻纖維, 第二個(gè)字母P 表示聚丙烯; 前兩位數(shù)字表示黃麻纖維的重量百分含量; 第三位以后數(shù)字表示纖維長度。從表中可以看到, 三種不同纖維含量復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比聚丙烯增加4. 5

7、%以上, 但拉伸強(qiáng)度隨著纖維含量增加有小幅減小, 但變化不明顯。復(fù)合材料的拉伸模量與聚丙烯相比都有較大提高, 如HP105的拉伸模量是聚丙烯的2. 4倍, 且復(fù)合材料的拉伸模量隨纖維含量的增加而遞增。表2纖維含量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響試樣種類PP HP105HP205HP305拉伸強(qiáng)度MPa 28. 530. 4830. 1229. 78拉伸模量GPa 1. 1242. 693. 103. 36彎曲強(qiáng)度MPa 30. 1636. 239. 240. 7彎曲模量GPa 0. 7761. 3231. 7682. 5沖擊能量 K J m -26. 4. 4. 18圖1三種纖維增強(qiáng)聚20%以上, H

8、P305的彎曲強(qiáng)度比聚丙烯增加30%多, 且復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著纖維含量增加而增加。復(fù)合材料的彎曲模量比聚丙烯的也大得多, 如HP305的拉伸模量比聚丙烯大3倍多; 同時(shí)復(fù)合材料彎曲模量隨纖維含量增加而遞增。圖1纖維含量對復(fù)合材料拉伸性能的影響表2顯示, 在聚丙烯中摻入黃麻纖維后, 試樣沖擊強(qiáng)度的下降都超過了25%, 且復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而降低, 但降低的幅度不大。圖2顯示了不同纖維含量復(fù)合材料的伸長率(本文用對應(yīng)于最大拉伸應(yīng)力時(shí)的伸長率來表示, 下同 均比聚丙烯低得多, HP205和HP305的伸長率都不到聚丙烯的50%, 且隨纖維含量增加復(fù)合材料的伸長率遞減。在拉伸試驗(yàn)

9、時(shí),HP205和HP305的試樣表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂, 在斷口周圍有少量裂紋;HP105的試樣有“頸縮”現(xiàn)象, 斷口周圍有白色的裂紋, 聚丙烯的試樣則更早出現(xiàn)“頸縮”, 且具有相當(dāng)高的伸長率。圖231, 3. 6%, 且復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨纖維長度的增加而遞增。圖3中顯示復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線比聚丙烯的陡峭得多; 相應(yīng)的拉伸模量比聚丙烯的提高2倍多, 且拉伸模量隨纖維長度的增加而增加。纖維增強(qiáng)聚丙烯的彎曲強(qiáng)度隨著纖維長度增加而增加, 同時(shí)彎曲模量隨纖維增加而遞增。HP1010的彎曲強(qiáng)度和模量是三種復(fù)合材料中最大的, 說明增加黃麻纖維長度對提高復(fù)合材料的機(jī)械性能是有利的。 另外, 不同黃麻纖維長

10、度復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度都比聚丙烯的小, 且復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度隨纖維長度增加而減小。表3纖維長度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響試樣種類PP HP103HP105HP1010拉伸強(qiáng)度MPa 28. 529. 5430. 4830. 9拉伸模量GPa 1. 1242. 472. 692. 86彎曲強(qiáng)度MPa 30. 1635. 836. 237. 7彎曲模量GPa 0. 7761. 2771. 3231. 365沖擊能量K J m -26. 575. 785. 104. 41圖4顯示三種不同纖維長度復(fù)合材料的伸長率比聚丙烯的降低了至少40%, 且隨纖維長度增加復(fù)合材料的伸長率遞減。在拉伸試驗(yàn)中, 試樣都有“頸

11、縮”現(xiàn)象, 斷口周圍有白色的裂紋。42004年3月黃麻纖維增強(qiáng)聚丙烯的力學(xué)性能FRP CM 2004. No. 2 圖3 纖維長度對復(fù)合材料的拉伸性能的影響圖4纖維長度對復(fù)合材料伸長率的影響4結(jié)論通過以上測試分析, (1 , , 但沖擊強(qiáng)度和(最大拉伸力時(shí)的 伸長率都有所下降;(2 黃麻纖維含量對復(fù)合材料的機(jī)械性能起明顯的作用。隨纖維含量的增加, 彎曲強(qiáng)度和模量都是遞增的。當(dāng)纖維含量超過10%后試樣拉伸強(qiáng)度變化不大, 但隨纖維含量的增加, 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和伸長率都是遞減的;(3 黃麻纖維長度對復(fù)合材料的機(jī)械性能影響顯著。隨纖維長度的增加, 復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量是遞增的, 而沖擊強(qiáng)度和伸長率

12、是遞減的。參考文獻(xiàn)1余權(quán)英. 黃麻塑料復(fù)合材料J.高分子通報(bào),1991,2:72-76. 2A C Karmaker , J A Y oungquist. Injection molding polypropylenereinforced with short jute fibers J.Journal of Applied Polymer Science 1996,62(8 :114221151.3A C Karmaker , J P Schneider. Mechanical performance of shortjute fiber reinforced polypropylene J

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16、藝與性能研究J.玻璃鋼復(fù)合材料,2001, (3 :30233.MECHANICAL BEHAVIORS OF JUTE FIBER REINFORCE D POLYPR OPYL ENE COMPOSITEZHAN G An 2ding 1, MA Sheng 2, DIN G Xin 1, WAN G Y i 2min2(11College of Textiles , Donghua University , Shanghai 200051, China ;21College of Material Science and Engineering , Donghua University

17、, Shanghai 200051, China Abstract :In this paper mechanical behaviors of jute fiber reinforced polypropylene composite prepared by injection molding are studied. The tensile strength , flexural and impact strength of samples with different fiber contents are investigated by comparing three kinds of

18、composites with fiber contents of 10, 20and 30wt %.The tensile strength , flexural and impact strength of samples with different fiber length are also investigated by com 2paring three kinds of composites with fibers chopped approximately to 3mm , 5mm and 10mm in length. The re 2sults show that the tensile and flexural properties are improved to some extent after jute fibers added , as com 2pared to pure polypropylene , while its impact strength is lower. The flexural strength and moduli of composites increase with fiber conten