《黄麻纤维毡增强复合材料的力学性能研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《黄麻纤维毡增强复合材料的力学性能研究.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、黄麻纤维毡增强复合材料的力学性能研究赵 磊,俞建勇,刘丽芳,罗永康(东华大学,上海201620)摘 要:文章对黄麻纤维进行表面处理,并制作纯黄麻纤维以及与碳纤维混杂的针刺毡;采用真空辅助树脂传递模塑法制备黄麻纤维毡增强乙烯基树脂复合材料,并测试其力学性能。结果表明:碱处理和双氧水处理后黄麻纤维表面杂质被去除,复合材料的界面性能得到改善,综合力学性能得到提高;黄麻/碳纤维混杂增强复合材料的拉伸性能提高更为显著,拉伸强度和拉伸模量比未处理纤维毡增强复合材料分别增加了14612%和4316%,但其弯曲性能却低于其他两种处理后的黄麻增强复合材料。关键词:黄麻纤维;碳纤维;针刺毡;复合材料;力学性能中图
2、分类号:TS171.92+3.1 文献标识码:A 文章编号:100923028(2008)0520008204 近年来,天然纤维增强复合材料以其优异的性能得到越来越广泛的应用。与碳纤维等高性能纤维相比,天然纤维具有价廉、可回收、可降解、可再生等优点。其中,黄麻纤维是韧皮纤维的一种,具有较高的比强度和比模量,其作为复合材料的增强体具有广阔的应用前景。乙烯基树脂(vinylester resin)是一种新型的低粘度热固性树脂,由环氧树脂和含双键的不饱和一元羧酸加聚而成,兼有不饱和聚酯树脂与环氧树脂两种树脂的优点。印度、巴西等国的一些研究机构已将其作为基体,以玻璃纤维、碳纤维等高性能纤维为增强体收稿
3、日期:2008208218作者简介:赵 磊(1984),男,江苏泰兴人,硕士研究生。制备复合材料,但用于天然纤维增强基体的研究报道在国内外还很少。本文采用真空辅助RTM法(VARTM,vac2uum assisted resin transfer molding),以黄麻纤维针刺毡为增强体、以乙烯基树脂为基体制备复合材料,探讨黄麻纤维表面处理以及黄麻/碳纤维单向混杂对复合材料力学性能的影响。1 试验部分1.1 原材料孟加拉C级黄麻;碳纤维;NaOH;H2O2;乙烯基树脂Atlac580;引发剂环氧酸钴42121型;固参考文献:1 赫淑彩,王 其.竹炭改性涤纶纤维性能及针织物保健功能初探J .山
4、东纺织科技,2007,(3):5153.2 王先锋,潘福奎,罗佳丽,辛玉军.竹炭纤维的性能与应用J.山东纺织科技,2006,(6):5456.3 张济邦.防紫外线织物(二)J.印染,1996,(2):3538.The Study and Test on the Properties of Bamboo Charcoal FabricsL I N ing,S H EN L an2ping(Xian Polytechnic University,Xian 710048,China)Abstract:The bambo charcoal fabrics of different specificat
5、ions were tested on the properties ofantistactic and ultraviot radiation proof,the results show that the content of bamboo charcoal playssome effect on the fabrics of the above properties.Key words:bamboo charcoal fabric;antistatic;ultraviolet radiation proof8 山东纺织科技 2008年第5期 化剂过氧化甲乙酮;离型 型干性脱模剂;树脂分配
6、器及宽胶带等辅助工具。1.2 仪器与设备LL Y206E型电子强力仪;WDW220型微机控制万能试验机;DXS210ACKT型SEM扫描电子显微镜。1.3 黄麻纤维针刺毡及其复合材料的制备采用5%的NaOH对黄麻纤维进行表面处理,其工艺条件为:温度为常温,时间1 h,浴比120。取预处理的黄麻纤维,经2%浓度NaOH处理后再采用浓度为2%的H2O2进行表面处理,工艺条件同上。采用针刺法,分别制备未处理(原麻)、碱处理、双氧水处理及双氧水处理黄麻/碳混杂纤维毡(黄麻与碳纤维的质量比约为31),其中混杂毡的铺层方式如图1所示。以四种纤维毡为增强体,乙烯基树脂为基体,采用真空辅助树脂传递模塑法制备复
7、合材料,乙烯基树脂、过氧化甲乙酮促进剂、环氧酸钴引发剂的用量配比为100115110,纤维与树脂的质量比均为12,板材厚度均为615 mm。图1 麻/碳单向增强混杂方式 夹芯混杂1.4 复合材料的性能测试拉伸性能按照GB/T 144722005测试;弯曲性能按照GB/T 144722005测试。用SEM对纤维表面及其复合材料的断裂面进行观察。2 结果与讨论2.1 处理前后黄麻纤维性能及与碳纤维的性能比较对黄麻纤维进行了回潮率、细度及机械性能测试,并与碳纤维作了如下比较,如表1所示。从表1可以看出,碱处理及双氧水处理后,黄麻纤维细度、回潮率均依次降低。这主要是由于木质素、半纤维素、果胶等杂质的进
8、一步去除,细度的降低可增加纤维与基体接触的比表面积,有利于纤维机械性能的发挥;而纤维若吸附有大量的水分子,基体固化时由于水分子的挥发,复合材料内部将会产生大量的气孔,使复合材料性能恶化。经碱处理后,黄麻纤维的拉伸强度增加了1416%,拉伸模量下降2418%,而经双氧水处理后其拉伸强度下降了512%,拉 伸模量下降319%,原因在于未处理的黄麻纤维,半纤维素分散在纤维素大分子链之间,使得纤维素链分离开来,当经过碱处理后,半纤维素去除,这种束缚若被解除,纤维素可能以更紧凑的方式重新组织,纤维的结晶度增加,因此强度有所提高,而将其经双氧水处理后,由于其氧化作用,对纤维素大分子链表1 黄麻纤维及其与碳
9、纤维的性能比较回潮率(%)细度(dtex)拉伸强度(MPa)拉伸模量(GPa)断裂伸长率(%)未处理10.0532.50343.3411.933.96碱处理8.8320.44393.638.973.86双氧水处理8.3618.46373.278.623.23碳纤维40002302403.21产生一定的破坏,从而对纤维强度产生一定的影响。但与碳纤维相比较,其拉伸强度和拉伸模量仍存在较大的差距。2.2 黄麻纤维SEM微观形貌分析黄麻纤维不同处理前后的SEM表面形貌见图2。从图2可以看出,未经过任何处理的黄麻纤维表面附有大量的胶质,经过碱处理后,黄麻纤维表面的胶质明显减少,表面出现了沟槽,见图2(b
10、)。其原因在于经过碱处理后,表面部分果胶、木质素和半纤维素等低分子杂质被溶解,有利于提高纤维与基体之间的粘结强度。经过双氧水处92008年第5期 山东纺织科技 理后,黄麻束纤维分离状态更为明显,纤维直径变小,可增加纤维与树脂接触的比表面积,如图2(c)所示。图2 不同处理前后黄麻纤维的SEM图片2.3 黄麻纤维不同表面处理和混杂加工对复合材料力学性能的影响将未处理、碱处理、双氧水处理制成的黄麻纤维毡增强乙烯基树脂复合材料分别记为UJVC、TJVC、AJVC,黄麻/碳纤维增强复合材料记为ACJVC。不同表面处理和混杂加工对黄麻纤维毡增强复合材料力学性能的影响如图3和图4所示。从图3可以看出,经过
11、碱处理和双氧水处理后,复合材料的拉伸强度和弯曲强度得到明显的改善,其拉伸强度分别提高2118%和3214%,弯曲强度分别提高8518%和54.7%。这是因为,碱处理及双氧水处理后,黄麻纤维与乙烯基树脂的界面性能发生了变化,而AJVC的拉伸强度相对较高是因为纤维变细增大了纤维与树脂接触的比表面积,足以抵消因双氧水处理给纤维带来的损伤,AJVC的弯曲强度相对较低是因为双氧水处理使复合材料在承受弯曲载荷时,在纤维素大分子断裂处产生弯曲应力集中。而ACJVC中由于处于单向增强的碳纤维在拉伸测试时能很好地承担拉伸应力,其拉伸强度增加了14612%,弯曲强度提高了79133%。从图4可以看出,黄麻纤维经化
12、学改性后,其复合材料的拉伸模量和弯曲模量显著增加。经过碱处理和双氧水处理后,拉伸模量分别增加了1013%和916%,弯曲模量分别增加了7318%和4713%;而ACJVC的拉伸模量却提高了4316%,弯曲模量的增量却不及TJVC和AJVC,只增加了46.1%,其原因在于,单向增强的碳纤维分布在复合材料的中间,在拉伸测试时,受力主体主要集中分布在中间的碳纤维增强乙烯基树脂基体上;在弯曲性能测试时,受力主体主要在最外层的黄麻纤维增强乙烯基树脂基体上,因此其拉伸模量提高显著,而弯曲模量与AJVC接近。2.4 复合材料的界面形态不同处理后黄麻纤维毡增强复合材料拉伸断面的SEM扫描电镜图及混杂纤维毡增强
13、复合材料的的拉伸断裂形貌图见图5。观察图5(a)可以图5 复合材料的拉伸断裂面及拉伸断裂形貌01 山东纺织科技 2008年第5期 发现,未处理黄麻纤维与基体的粘结性较差,纤维根部与树脂有较大的空隙(不利于黄麻纤维强度的有效发挥),且纤维表面基本没有树脂粘附;如图5(b)和(c)经过碱处理与双氧水处理后,纤维与树脂的空隙明显减小,碱处理后的纤维表面有明显被拉伸的折痕;而双氧水处理后的纤维表面附有大量的树脂,且断裂面的纤维是被拉断的,这主要是因为纤维与树脂的界面相容性得到提高。观察图5(d)可以发现,在承受外界拉伸作用力断裂后,黄麻纤维增强树脂体系已明显分裂成两半,而碳纤维依靠与树脂的粘附作用却还
14、存在一定的联系,并没有完全拉断,说明碳纤维在复合材料中起到了很好的增强作用。3 结论3.1 黄麻纤维经过不同处理后,表面胶质明显被去除,黄麻纤维的回潮率、细度降低,拉伸强度提高显著,从而有利于改善黄麻纤维与乙烯基树脂的相容性能,提高复合材料的力学性能。3.2 经过碱处理和双氧水处理后,其纤维毡增强复合材料的综合性能得到较大的改善,拉伸强度分别提高2118%和3214%,弯曲强度可分别提高8518%和5417%。采用碳纤维单向混杂增强后,其复合材料的拉伸性能提高最为显著,拉伸强度和拉伸模量可分别提高14612%和4316%。参考文献:1B.K.Sarkar Dipa Ray.Effect of
15、the defect concentration onthe impact fatigue endurance of untreated and alkali treatedjute2vinylester composites under normal and liquid nitrogenatmosphere J.CompositesScienceandTechnology,2004,(64):22132219.2 Jiang Zhu,Ashraf Imam,Roger Crane,Karen Lozano,Valery N.Khabashesku,Enrique V.Barrera.Pro
16、cessinga glass fiber reinforced vinyl ester composite with nanotubeenhancement of interlaminar shear strengthJ.CompositesScience and Technology,2007,(67):15091517.3T.Munikenche Gowda,A.C.B.Naidu,Rajput Chhaya.Some mechanical properties of untreated jute fabric2rein2forced polyester composites J.comp
17、osites(part A),1999,(30):277284.4 鲁博,张林文等.天然纤维复合材料 M.北京:化学工业出版社,2005.5 刘晓烨,戴干策.黄麻纤维毡的表面处理及其增强聚丙烯复合材料的力学性能J.复合材料学报,2006,23(5):6369.6D.Ray,B.K.Sarkar,A.K.Rana,N.R.Bose.The me2chanical properties of vinylester resin matrix composites re2inforced with alkali2treated jute fibersJ.composites(partA),2001,(
18、32):119127.Research on the Mechanical Properties of JuteFiber Mat Reinfoced CompositesZ HAO Lei,YU J ian2yong,L IU L i2f ang,L UO Yong2kang(Donghua University,Shanghai 201620,China)Abstract:Applying different refined jute,pure jute fiber mat and jute2carbon hybrid needled matwere produced by the non
19、2fabricated method and those reinforced vinyl resin composites were made byRTM method in this research;Stretching test and bending test were conducted to analyze and discussthe stretching and bending mechanical performances.The results shows that the interface propertiesand comprehensive properties
20、of composite are improved because a large amount of lignin,wax andoils covering on the surface of jute fiber were removed by alkali and hydrogen peroxide treatment.Es2pecially,the tensile strength and modulus of jute2carbon unilateral reinforced hybrid composite signifi2cantly are increased by 146.2%and 4316%respectively,but its flexural properties is lower than thosewhich were refined.Key words:jute fiber;carbon fiber;needled mat;composite;mechanical properties112008年第5期 山东纺织科技