玻璃纤维增强聚酰胺性能的研究.pdf

第39卷第2期
化工技术与开发
Vol 39 No.2
2010年2月
Technology &Development of Chemical Industry
Feb.2010
玻璃纤维增强聚酰胺性能的硏究
王艇
(大连海新工程技术有限公司,辽宁大连116021)
摘要:以通用聚酰胺为基体,利用短切玻璃纤维(事先用硅烷偶联剂进行表面处理)对其进行共混改性。研究
了玻纤含量分布对复合材料力学性能的影响,扫描电镜分析了玻璃纤维増强聚酰胺复合材料的断画特征。当玻璃纤
维用量约为30%时,材料的拉伸强度、拉伸模量和弯曲强度、弯曲模量最好,这时的拉伸强度、弹性模量、弯曲强度和
弯曲模量分别增长了45.8%、100.19%、57.1%和110.4%,冲击强度为5.3J·cm2。玻璃纤维改善复合材料的界面
状况,有提高聚酰胺复合材料力学性能的作用,因为玻纤表面能够与聚酰胺之间形成紧密的结合。
关键词:玻璃纤维;聚酰胺;复合材料;增强;力学性能
中图分类号:TQ323.6
文献标识码:A
文章编号:1671-9905(2010)02-0018-03
自20世纪30年代玻璃纤维培强塑料(俗称玻维(长度3.0m,直径10~14gm),3-氨基三乙氧
璃钢)发明以来,因其无毒、质轻、优良的机械强度、基硅烷(KH-550)。
耐磨性及较好的耐腐蚀性、价格低廉和良好的可设1.2主要设备
计性等,在军事、建筑、船舶、汽车、机械、化工、仪表、
高速捏合机GH~10,双螺杆挤出机SFU30A
汽车等工业中用于制造轴承、齿轮、泵叶及其他零(长径比25),注塑机HTB80,AG-20I型电子式万
件,尤其是在耐腐蚀化学领域得到了广泛应用?。能试验机,C-25型摆锤冲击试验机,101C-1型电
由于作为增强成分的玻璃纤维性价比高,尺寸稳定热鼓风干燥箱,JSIM-6380LV型扫描电子显微镜
性好,耐腐蚀、耐热,易加工2,近年来用玻璃纤维(二次电子像分辨率60×10-10m)。
掺混改性工程塑料的研究日益广泛[]。
1.3试样制备
玻璃纤维增强复合材料,是以聚合物为基体,以
用10%偶联剂KH50对玻璃纤维进行表面处
玻璃纤维为增强材料而制成的复合材料,综合了聚理,混合均匀后通过双螺杆挤出机造粒。挤出机各
合物和玻璃纤维的性能。玻璃纤维增强的复合材料段温度为210℃、220℃、225℃、230℃、230℃,机
按纤维的长度分类,可分为长纤维复合材料和短纤头温度为215℃。制备的共混粒料在鼓风干燥箱于
维复合材料。玻璃纤维按化学组分可分为无碱铝硼90℃干燥8h,然后注射成复合材料试样进行性能
硅酸盐(简称无碱纤维)和有碱无硼硅酸盐简称中测试。
碱纤维)。玻璃纤维可用于增强PA、ABS、聚酰胺、1.4性能测试
PET等热塑性塑料,也可用于增强环氧聚酰胺、酚
冲击性能,按GB/T1043-1993进行测试
醛聚酰胺等热固性塑料。玻璃纤维增强塑料具有比
弯曲性能,按GB/T9341-2000进行测试
强度高、耐腐蚀、隔热、成型收缩率小等优点。此外,
拉伸强度,按GB1042-1992进行测试
利用玻璃纤维增强可以使塑料的拉伸性能大幅度提
高。本文以通用聚酰胺为基体,利用短切玻璃纤绘2结果与讨论
(事先用硅烷偶联剂进行表面处理)对其进行共混改2.1玻璃纤维用量对复合材料性能的影响
性,并对复合材料体系中玻璃纤维的含量及各项性
图1、图2和图3分别为玻璃纤维不同含量对
能进行了较详细的研究和讨论。
聚酰胺复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、
1实验部分
弯曲模量和冲击性能的影响关系图。从图1和图2
可以看出,伴随着玻璃纤维加入量的增大,聚酰胺复
1.1主要原料
合材料的拉伸性能和弯曲性能呈先上升后降低趋
聚酰胺6(PA6,相对黏度3,.8),无碱短玻璃纤势,当玻璃纤维用量约为30%时,材料的拉伸强度、
作者简介:王艇,大连海新工程技术有限公司,助理工程师
收稿?期:2009-09-21
第2期
王艇:玻璃纤维增强聚酰胺性能的研究
拉伸模量和弯曲强度、弯曲模量最好,这时的拉伸强
弯曲强度
度、弹性模量、弯曲强度和弯曲模量分别增长了
120
弯出模量
45.8%、100.1%、57.1%和110.4%
在聚酰胺复合材料中,玻璃纤维起着骨架结构
?100
增强作用,以承担应力和载荷。同时,玻璃纤维还可
13
以促进聚酰胺结晶,起成核剂作用,可在一定程度上
租
2
提高材料的强度。图1是玻璃纤维用量对聚酰胺复
合材料拉伸性能的影响。从图1可以看出,随着玻
璃纤维用量的增加,聚酰胺复合材料的断裂伸长率
01020304050
玻璃纤维含量/%
呈下降趋势,拉伸强度先减小后增大。这可能是由
图2玻纤含量对拉伸强度和拉伸模量的影响
于加人少量玻璃纤维时,纤维与纤维之间相互作用
6.0
比较弱,纤维缠结的程度很低,使得分子之间的作用
5.5
力减小,拉伸强度降低4。当玻璃纤维用量增大
时,大量的玻璃纤维在基体中形成三维空间交叉结
构,部分纤维会发生缠结,从而使拉伸强度逐渐提
4.5
高
4.0
拉伸强度
3.5
l60
拉伸模量
3.0
01020304050
玻璃纤维含量/%
120
世100
图
涵世
图3玻璃纤维含量对聚酰胺复合材料冲击强度影响
玻璃纤维增蝨聚酰胺复合材料的缺口冲击强度
随玻璃纤维含量的增加有较大幅度的提高,但当玻
?
璃纤维质量分数高于30%时却出现降低趋势。聚
01020304050
酰胺复合材料吸收冲击能的方式有聚酰胺变形和裂
玻璃纤维含量/%
纹扩展至断裂、纤维抽出、纤维断裂3种5。由于韧
图1玻纤含量对拉伸强度和拉伸模量的影阿
性聚酰胺与刚性纤维在冲击载荷作用下变形能力的
图2是玻璃纤维用量对聚酰胺复合材料弯曲性差异,聚酰胺基体较大的变形导致沿纤维弯曲方向
能的影响。从图2可以看出,随着玻璃纤维用量的产生间隙,因此一方面使纤维抽出时吸收的能量较
增加,复合材料的弯曲强度和弯曲模量均呈上升趙小,另一方面则降低了纤维断裂的可能性。当长玻
势。这是因为当聚酰胺玻璃纤维复合材料受到弯璃纤维质量分数低于30%时,可以认为聚酰胺变形
曲时,聚酰胺会发生塑性屈服,因而玻璃纤维承受的在复合材料缺口冲击强度中的贡献占主导地位;而
应力要比聚酰胺大得多。这时,纤维周围的聚酰胺当玻璃纤维质量分数高于30%时,聚酰胺含量的减
就存在一个应力变小的区域,在这个区域中纤维要少,同时由于螺杆的剪切及其与纤维的相互摩擦使
有一定程度的交迭,才能使其传递外力作用,提高材纤维的长度明显变短,导致纤维从聚酰胺中抽出更
料的强度。因而聚酰胺复合材料的弯曲性能与玻璃加容易。这种情况下,复合材料承载面受压、背面受
纤维含量有直接关系,即弯曲强度和弯曲模量会随拉,弯曲性能对玻璃纤维的依赖关系与拉伸性能的
玻璃纤维用量增加而提高。
情形基本一致。在冲击载荷作用下,玻璃纤维的抽
由图3可以看出,随着玻璃纤维的加入,聚酰胺出或断裂