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长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能研究

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塑料工业 ・第45卷第12期 2017年12月 78・ CHINA PLASTICS INDUSTRY 长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能研究 张超 ,徐洪耀 ,夏建盟 ,罗忠富 ,刘纪庆 ,叶士兵 (1.上海金发科技发展有限公司,上海201714;2.东华大学材料学院,上海201620) 摘要:以长玻璃纤维为增强材料,不同聚丙烯(PP)树脂为基体,通过特制的浸渍设备制备长玻璃纤维增强聚 丙烯复合材料(LGF.PP)。考察了PP树脂的熔体质量流动速率、聚合类型(共聚和均聚)及长玻璃纤维的含量对增 强聚丙烯复合材料的力学性能的影响及其机理。结果表明,基体树脂的流动性越好,增强复合材料力学性能越优;复 合材料的力学强度等力学性能随着长玻璃纤维含量的增加而增大;同时,PP的聚合类型(共聚和均聚)对复合材料 影响程度各不相同。 关键词:长玻璃纤维;聚丙烯;玻璃纤维含量;力学性能 doi:10.3969/j.issn.1005—5770.2017.12.019 中图分类号:TQ327.1 文献标识码:A 文章编号:1005-5770(2017)12-0078-05 Study of the Mechanical Properties of Long Glass Fiber Reinforced PP ZHANG Chao ,XU Hong-yao ,XIA Jian-meng ,LUO Zhong—fu ,LIU Ji—qing ,YE Shi—bing (1.Shanghai KINGFA Science and Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201714,China; 2.Department of Materials,Donghua University,Shanghai 201620,China) Abstract:Properties in polymer composites were studied to obtain a long glass fiber(LGF)reinforced polypropylene(PP)using speciifed glass fiber treatment machine.Relations between the mechanical properties of composites and the melt flow rate of PP,types of PP,and the content of LGF were investigated,as well as the undedying mechanism.Results indicate that the higher of melt mobility of PP resin,the better mechanical properties of the composites;the mechanical properties increase commensurately with the content of LGF;the types of PP show different influences on the mechanical properties of the composites. Keywords:Long Glass Fiber;Polypropylene;Fiber Content;Mechanical Properties 长纤维增强热塑性(LFvr)复合材料具有质量 轻、比强度高、抗冲击性和抗疲劳韧性好、低成本及 易于回收和循环利用等优点,在节能减排、可持续发 展的过程中扮演着不可或缺的角色。其中,长玻璃纤 维增强聚丙烯复合材料(LGF—PP)的开发和应用研 究最为广泛。例如:在汽车轻量化进程中已用于其前 1 实验部分 1.1主要原料 相容剂、玻璃纤维、助剂:市售。 表1实验用PP树脂 Tab 1 PP informations 端模块、仪表盘骨架、门模块、天窗框架、护风圈、 电池托架及底护板等;在非汽车领域可用于风扇扇 叶、洗衣机滚筒等有高强度、低质量要求的零部 件 。不同于普通矿物填充PP,LGF.PP多被用作 结构件,对力学性能的要求较高。本文拟以常用的长 玻璃纤维(LGF)为增强改性材料,探讨PP树脂熔 体的流动速率、聚合类型及玻璃纤维含量对LGF.PP 力学性能的影响规律,为新型高强度复合材料的构筑 及应用奠定基础。 作者简介:张超,男,1980年生,博士研究生,主要从事工程塑料研究。zhangchao@kingfa.com.en 第45卷第12期 张超,等:长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能研究 1.2设备及仪器 双螺杆挤出机:TSE-40A,南京瑞亚弗斯特高聚 制备的复合材料(CC体系)力学性能如表2所示。 随着PP熔体流动性增加,复合材料的弯曲强度和弯 曲模量均依次增加。如,高MFR的BX3900作为基 体时,复合材料弯曲强度及模量分别为140.9、5 472 MPa;较低MFR的B8101体系(120.7、5 074 MPa) 分别提高了16.7%和7.84%。CC体系中所有LGF— PP的拉伸强度均维持在100—115 MPa范围内,受 物装备有限公司;注塑机,PL860/290V,无锡海天 机械有限公司;万能试验机:ZIOIO,Zwick/Roell公 司;冲击试验机:B5113.30,Zwick/Roell公司;马 弗炉:XMT,上海雷韵试验仪器制造有限公司;玻纤 保留长度分布仪:FASEP,德国KARG;钨灯扫描电 子显微镜:S-3400N,日本Hitachi公司。 1.3试样制备 (1)30%长玻璃纤维增强PP(GFPP.L30)的 制备 50%长玻璃纤维增强PP母粒(PP.LGF50)的制 备:将共聚PP(或均聚PP)、降温母粒及助剂均匀 混合,由双螺杆塑化后和连续玻璃纤维在特制浸润装 置作用下经过牵引、干燥、切粒获得12 em长的 母粒。 GFPP-L30的制备:将上述PP-LGFS0与PP按质 量比60:40比例混合均匀,经过注塑得到标准的 ISO力学样条,用于力学性能测试。 CC体系(共聚PP):由共聚PP—LGFS0母粒与 共聚PP制备。HH体系(均聚PP):由均聚PP. LGF50母粒与均聚PP制备。HC体系:由均聚PP. LGF50母粒与共聚PP制备。CH体系:由共聚PP— LGF50母粒与均聚PP制备。 (2)不同含量LGF.PP的制备 方法同(1)中50%长玻璃纤维增强PP母粒的 制备方法,按照不同的PP与玻璃纤维比例,由浸润 装置生产。 1.4测试与表征 恒温恒湿环境[(23±2)℃,相对湿度50%]下 进行力学性能测试。拉伸性能按ISO 527-1/2:2012 标准测试,拉伸速率为10 mm/min;悬臂梁冲击性能 按ISO 180:2000标准测试;弯曲性能按ISO 178: 2010标准测试,弯曲速率为2 mm/min;注塑样品经 过马弗炉高温(650℃/30 min)处理,剩下玻璃纤 维灰分,玻璃纤维保留长度使用玻纤长度分布仪分析 表征;冲击样条断面经过喷金处理后,使用SEM观 察分析。 2结果与讨论 2.1 基体树脂流动性对复合材料力学性能的影响 高流动性的改性材料,往往拥有更大的设计空 间,满足实际应用需求,特别是在薄壁制件的注塑成 型应用中。分别选取研究的五种常见共聚PP树脂 B8101、K8003、AW564、AZ564及BX3900为基体所 PP树脂的熔体质量流动速率影响不大。 表2复合材料GFPP-L30(cc体系)的力学性能 Tab 2 Mechanical properties of GFPP—L30(CC) 如图1所示,随着PP基体流动性的提高,复合 材料的缺口冲击强度呈逐渐增大趋势。由于PP树脂 高流动性利于提高其对玻璃纤维的浸润程度,减少玻 璃纤维的团聚现象;同时高流动树脂降低了对玻璃纤 维的剪切作用,从而降低加工过程中玻璃纤维折损程 度,最大程度保持其长度。因此,在高流动性的PP 体系中,玻璃纤维分散更均匀,玻璃纤维保留长度相 对更大,复合材料具有更优异的力学性能。此外,图 1还显示,随着PP树脂的熔体质量流动速率增大, LGF.PP的常温冲击强度和低温冲击强度的差别逐渐 减小。复合材料低温破坏时,冲击强度主要取决于玻 璃纤维保留长度及其与树脂的界面结合强度。基体树 脂的熔体质量流动速率越大,玻璃纤维保留长度越 大,使低温冲击强度与常温差距缩小。 1 3 10 30 60 PP熔体质量流动速率/g・(10 min) 图1 不同熔体流动速率基体树脂的GFPP—L30(CC体系) 冲击性能 Fig 1 Impact strength of GFPP—L30(CC)influenced by PP with diferent melt flow rates 在均聚PP的GFPP—L30体系中(HH体系),其 力学性能随PP树脂流动性的变化趋势类似于共聚体 们第45卷第12期 张超,等:长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能研究 ・81・ 取向的方向扩展,从而改变裂纹扩展方向,增加扩展 质量分数为50%时,增强复合材料GFPP-1_50的拉伸 强度高达138.4 MPa,缺口冲击强度达38.7 kJ/m , 超过GFPP-L20对应强度的2倍,增强效果显著。其 原因可能是因为玻璃纤维在基体中相互交错成网络结 构,纤维之间有很多搭接点甚至相互缠绕,进而构成 路径,使材料消耗更多的冲击能;或使裂纹延垂直玻 璃纤维取向方向扩展,此时冲击应力必须断裂玻璃纤 维或促使玻璃纤维拔出,扩展过程吸收更多冲击能, 才能破坏材料。尤其不可忽略的是,较长的玻璃纤维 在树脂中较易搭桥,形成三维交错的网络结构,更利 于传递应力,从而使能量消散至更大区域,增加其抗 冲击强度。 增强复合材料的三维骨架。当材料受到外力作用时, 三维结构可以更有效传递并扩散应力,更大区域、更 多玻璃纤维承受外力保证复合材料的高拉伸强度。当 表4提供了不同MFR的PP作为混色基体树脂的 长纤维增强复合材料的力学性能。由于均聚PP的结 晶度高,HH体系的弯曲性能最优,其弯曲强度与弯 曲模量分别高达150.4、6 695 MPa;相反,共聚PP 由于含有EPR橡胶相,结晶度相对较低,因此CC体 系的弯曲强度和弯曲模量最低。同时,横向对比发 现,共混使用的PP树脂的流动性越高,对应体系的 弯曲模量和弯曲强度越大。 表4不同熔体流动速率PP作为混色树脂时复合材料的力学性能 Tab 4 Mechanical properties of GFPP—L30 with different combinations of PP 2.3玻璃纤维含量对LGF-PP力学性能的影响 以均聚PP(HJ4045)为基体树脂,与纤维按照 不同比例,经过浸润装置制备了长玻璃纤维质量分数 分另U为1O%、2O%、30%、40%及50%的LGF—PP, 研究不同长玻璃纤维含量对LGF.PP力学性能的影 响,结果如表5和图4所示。随着长玻璃纤维含量的 增加,复合材料的力学强度增大。通常在短玻璃纤维 增强体系中,玻璃纤维含量增大,其拉伸强度逐渐增 大,而冲击强度则会有所下降。长玻璃纤维增强体系 不同于短纤增强树脂体系,LGF—PP的冲击强度和拉 伸强度可同时随着玻璃纤维含量增大而提高。这是因 为在LGF.PP中,玻璃纤维保留长度远远大于短玻璃 纤维增强材料,由此决定LFT的性能优势。 LGF—PP的拉伸强度随玻璃纤维含量的增加而增 大,但增长趋势渐变平缓(图4a);缺口冲击强度与 玻璃纤维含量近似线性关系(图4b)。当长玻璃纤维 玻璃纤维用量较低时,纤维之间距离大,缠结程度 低,因此复合材料的拉伸强度随玻璃纤维含量线性增 大。同时,由冲击应力引起的微裂纹扩展需要更长的 路径、更多的阻力及被更大面积三维玻璃纤维结构分 散,所以不易导致材料失效,复合材料具有较高的冲 击强度。 表5不同玻璃纤维含量LGT.PP的力学性能 Tab 5 Mechanical properties of the LGF—PP with different content of glass fiber 硝 山 羔 {醚 暖 藿 目 ● 爱 柑 薏 Ⅱ 瘩 图4 LGF.PP的拉伸强度及冲击强度与玻璃纤维含量的关系 Fig 4 Relation between the tensile strength,impact strength and the content of glass fiber 为进一步验证长玻璃纤维对增强复合材料性能影 ・82・ 2017链 响的机理,对增强复合材料的形貌进行了表征。 GFPP.L30(基体树脂是PP HJ4045)的冲击断面 SEM照片如图5所示,低倍状态下观察,玻璃纤维 在树脂基体中随机分布,形成三维空问交叉结构,纤 LGF—PP复合材料的力学性能越好,特别是低温冲击 强度越优异。 2)相互比较,GFPP.L30(HH体系)具有优异 的刚性,GFPP—L30(CC体系)具有优异的冲击 性能。 维之间有很多搭接点,有利于应力传递;同时扫描不 同位置的断口形貌,发现拔出纤维表面紧紧包覆树 脂。由此可知,复合材料具有良好的结合界面,从而 达到优异的力学性能。 3)LGF—PP复合材料的整体力学性能随着玻璃 纤维含量的增加而增大。 参考文献 [1]钱伯章.长纤维增强热塑性塑料的发展进展[J].橡塑 技术与装备,2008,34(2):24—27. [2]郭金明,谈述战,于水,等.长纤维增强热塑性塑料制 品技术及应用进展[J].塑料,2013,42(6):24~27. [3]钱松.长纤维增强热塑性塑料发展现状[J].化工文摘, 2003(9):31—31. [4]方鲲,吴丝竹,邓云飞,等.长纤维增强热塑性塑料在 汽车轻量化与节能减排中的应用[J].新材料产业, J 5 GFPP—L30复合材料冲击断面的SEM照片 Fig 5 SEMs of the fracture sections of the LGF—PP 2010(4):14—2O. [5]叶鼎铨。国外纤维增强热塑性塑料发展概况[J].玻璃 纤维,2012(6):36—39. 3结论 主要考察了树脂的聚合类型及其流动性、长玻璃 纤维含量等对LGF.PP增强复合材料力学性能的影响 规律及机理,长玻璃纤维增强改性是提高材料力学性 能的有效途径之一,同时还可以降低成本、提高产品 的性价比。 [6]江镇海.长玻璃纤维增强聚丙烯在汽车前端部件中的开 发应用[J].合成材料老化与应用,2003,32(4):20. [7]MASTUDA T,OHNO H N,SHINMIZU T T.Effects of ifber distribution on elastic-・viscoplastic behavior of long fiber—- reinforced laminates[J].Int J Mech Sci,2003,45 (10):1583—1587. 1)高流动性树脂基体利于其对玻璃纤维的浸润 效果,同时减少加_T过程中玻璃纤维的折损程度, (本文于2017—08—28收到) (上接第69页) [5]ZHUANG Y,SONG W T,NING G et a1.3D—printing of materials with anisotropic heat distribution using conductive [3]XIE G Q.ZHANG Y H,LIN W S.Plasticizer combinations and performance of wood flour—poly(1actic acid)3 D printing polylactic acid composites[J].Mater Des,2017.1 26: 135—140. iflaments[J].Bioresources,2017,12(3):6736—6748. [4]CAROLA E C,FRANCESCA G,FRANCESCA S,el a1. The feasibility of printing polylactie acid—nanohydroxyapatite composites using a low—cost fused deposition modeling 3 D [6]TAO Y B,WANG H L,LI Z L,et a1.Development and application of wood flour-・iflled polylactie acid composite fila-・ ment for 3D pl’inting[J].Materials,2017,10(4):339 —printer[J].J Appl Polym Sci。2017,134(13):44656 344. 44665. (本文于2017—10—09收到) 吃水杯取代塑料杯:丢在泥土会被降解 塑料污染一直是人们关注问题,其中一次性塑料水杯也是塑料污染主要来源之一。美国纽约帕森设计学院 两个大学生设计出一种可以吃的水杯Loliware,解决了塑料杯对环境的污染。Loliware以琼脂代替塑料,可以 配合一些调味香料做出不同颜色和口味,味道吃起来像水果糖,琼脂成分能为植物提供丰富的营养,所以杯子 丢在泥土中很快会被降解,不会对环境造成危害。 

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