长玻纤增强聚丙烯复合材料的力学性能研究

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　　 摘要：采用自行研制的熔体浸渍包覆长玻璃纤维装置,制备了长玻纤增强聚丙烯(LFT-PP)复合材料。研究了玻纤含量、预浸料粒料长度及相容剂聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)含量对长玻纤增强聚丙烯(LFT-PP)复合材料力学性能的影响。结果表明,长玻璃纤维增强聚丙烯(LFT-PP)的力学性能明显优于短玻璃纤维增强聚丙烯,当玻纤含量在30%时,拉伸强度达到50 MP左右,冲击强度达到6kJ/m2左右,相容剂PP-g-MAH的加入增强了界面粘接强度,大幅度地提高了长玻纤增强聚丙烯(LFT-PP)复合材料的力学性能,当相容剂PP-g-MAH含量达到3%左右,其综合力学性能达到最佳值,拉伸强度达到100 MP左右,冲击强度达到10 kJ/m2左右。
　　关键词：熔体浸渍 长玻璃纤维 聚丙烯接枝马来酸酐
　　
　　通过自制的熔体浸渍包覆装置,制备了长玻璃纤维增强聚丙烯(LFT-PP)复合材料,系统地研究了玻纤含量和长度对其力学性能的影响,研究了相容剂PP-G-MAH对PP/GF复合材料力学性能和断面形貌的影响。熔体浸渍装置主要包括浸渍槽、分丝棍、牵引装置和切粒装置。
　　一、实验部分
　　1.实验材料
　　聚丙烯；玻璃纤维；PP-G-MAH。
　　2.实验工艺
　　采用熔体浸渍包覆工艺制备3mm和18mm的LFT-PP粒料,挤出加工温度为150℃~225℃。注塑压力:40Mpa~50Mpa；注射速度:40r/min；背压:3Mpa；冷却时间:40s。
　　二、结果与讨论
　　1.成型过程中玻璃纤维长度及其分布
　　数均长度(ln)和重均长度(lw)分别按照公式(1),(2)进行计算。
　　ln=∑nili/∑li(1)
　　lw=∑nili2/∑nili(2)
　　式中:li――样品中第i根纤维的长度;ni――长度在li与l +1之间的样品出现的频率。
　　玻纤在加工过程中因为断裂而影响其长度,纤维的断裂是由以下三方面的相互作用造成的:纤维/纤维、纤维/机械、纤维/聚合物。预浸料粒料长度和相容剂PP-g-MAH是影响纤维保留长度的主要因素。随着预浸料粒料长度的增加和相容剂PP-g-MAH的加入,纤维保留长度越长,数均长度值和重均长度值越大,分布宽系数越大。
　　2.玻璃纤维含量和长度对玻纤增强PP复合材料力学性能的影响
　　玻纤要起到增强作用,一方面,其长度必须大于临界长度,如公式(3)所示:
　　lfc=σfudf/2τi(3)
　　式中:lfc――临界长度;df――玻纤直径;σfu――纤维的拉伸强度;τi――玻纤/基体界面剪切应力。当低于这个临界长度,玻纤只起到填充作用而起不到增强作用。因此纤维长度并不是决定纤维复合材料性能的唯一因素,纤维的含量、树脂对纤维的浸渍状况、纤维在基体中的分布以及纤维与基体的界面结合强度对复合材料的性能都存在重要的影响。
　　随着玻璃纤维含量的增加,拉伸强度和缺口冲击强度都不断增加,当玻纤含量为30%左右时达到最大值；随着玻纤含量的继续增加,材料的力学性能反而下降。这是因为玻纤增强复合材料吸收能量的方式有三种:纤维断裂、纤维拔出、树脂断裂,当玻纤含量小于30%时,纤维断裂不是十分严重,随着玻纤含量增加,玻纤长度大于临界值lfc的数量增多,且基体和纤维界面接触面积相应增加,从而纤维拔出消耗更多的能量,因此拉伸强度和冲击强度随着玻纤含量的增加而增加。当玻纤含量超过30%时,一方面,在加工过程中,纤维断裂严重,纤维长度小于临界长度lfc数量增多,另一方面,玻纤含量增加,熔体流动性减小,成型工艺变差,造成玻纤分散不均匀,浸渍效果不好,从而力学性能降低。当玻纤含量少于30%时, 18mm长纤维增强LFT-PP的拉伸、冲击强度>3 mm长纤维增强LFT-PP的拉伸强度、冲击强度>短纤维增强SFT-PP的拉伸强度、冲击强度。这是因为浸渍粒料长度的增加,纤维保留长度增加,则纤维拔出消耗更多的能量,故有利于拉伸强度和冲击强度的提高。另外纤维的端部是裂纹增长的引发点,长纤维端部的数量少,也使冲击强度提高。当玻纤含量大于30%时, 18mm长纤维增强LFT-PP的拉伸强度<3 mm长纤维增强LFT-PP的拉伸强度,这是因为玻纤越长,越容易缠结,分散浸渍效果不好,在制品中产生空洞,形成缺陷,从而降低了其力学性能。
　　3.PP-G-MAH对玻纤增强PP复合材料力学性能的影响
　　加入相容剂PP-g-MAH后,改善了界面粘接性能,从而拉伸和冲击强度大幅度提高。相容剂的加入,有利于纤维保留长度的增加,从而使得拉伸强度和冲击强度提高。随着PP-g-MAH含量的增加,复合材料的拉伸强度和冲击强度都有明显的提高,而当PP-g-MAH含量超过2%以后,拉伸强度及冲击强度趋于平衡,这是因为多余的相容剂PP-g-MAH对PP与玻璃纤维之间的界面粘接强度没有明显的改善,且相容剂PP-g-MAH是低分子量物质,在加工过程中过多的相容剂PP-g-MAH容易聚集在界面处,从而降低界面强度,影响拉伸强度。PP-g-MAH的加入能有效地改善纤维与聚丙烯粘接强度,纤维表面粘附较多的树脂,这是因为PP-g-MAH上的马来酸酐基团与GF表面硅羟基作用,发生化学反应,使得GF和PP紧密结合,从而大幅度提高材料的力学性能。
　　三、结论
　　1.预浸料粒料长度的增加可以有效提高LFT-PP复合材料中的纤维保留长度。
　　2.长玻纤增强聚丙烯复合材料性能优于短玻纤增强聚丙烯复合材料。
　　3.PP-g-MAH的加入,纤维保留长度增加。
　　4.PP-g-MAH的加入改善了界面相容性,提高了LFT-PP力学性能。
　　
　　参考文献:
　　[1]张宁、李忠恒、 陶宇、 赖铭、 陶国良, 长玻纤增强聚丙烯复合材料的研究，塑料工业,2006.
　　[2]张伟党，聚丙烯复合材料改性研究，河北理工学院学报，2007.
　　[3]王善元、张汝光，纤维增强复合材料[M]，东华大学出版社，2003
　　 注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”

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