复合材料工艺设计_复合面料工艺设计

复合材料工艺设计由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“复合面料工艺设计”。

玻璃纤维增强尼龙66功能复合材料

摘要：本文主要介绍了玻璃纤维和尼龙66两种材料，并从设计原理和具体的实验过程介绍了玻璃纤维和尼龙66的复合过程，最后从复合材料中玻璃纤维的长度分布、复合材料力学性能、吸水性能、热稳定性以及耐腐蚀性几个方面对复合材料的性能进行了表征。

关键词：玻璃纤维

尼龙66 复合性能

1、引言

尼龙66，即聚已二酰己二胺，工业简称PA66，为半透明或不透明的乳白色的热塑性结晶树脂，相对密度1.14，熔融温度255℃，热分解温度大于370℃，连续使用温度大于105℃，具有较高的刚性、韧性和优良的耐磨性、自润滑性、耐油性及耐化学药品性和自熄性，其力学强度较高，耐热性优良，耐寒性好，使用温度范围宽等优点，是一种用途广泛的工程塑料，因其较高的结晶性，较优异的力学性能，低温性能优良、化学性能稳定被广泛应用于汽车、电子电器、化工、机械仪器仪表、建筑等行业[1-3]。但它吸水性大、耐酸性差、干态和低温冲击强度低以及吸水后易变形，影响了制品的尺寸稳定性，使其应用范围受到了一定的限制[4-5]。

玻璃纤维(GF)是一种性能优异的无机非金属材料，主要成份为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。它是将高温状态下的玻璃液经拉丝冷却固化而成，一般单丝的直径为5～30µm，每束纤维原丝均由数百根甚至上千根单丝组成，目前已经成为非常好的金属替代材料[6-7]，广泛用于建筑、交通运输、石油化工、电子电器、机械、冶金、环境保护、航空航天、核能、兵器等传统产业部门和国防、高技术部门。玻璃纤维具有成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀性、拉伸强度和冲击强度高、断裂延伸率小、绝热性及绝缘性好等优点，可作为有机高聚物或无机非金属及复合材料的增强材料[8]。

玻璃纤维增强尼龙66复合材料，是以尼龙66为基体，以纤维为增强材料制成的复合材料，可以在很大程度上改善PA66的刚性，提高PA66的拉伸强度和弯曲强度，同时对PA66的冲击性能的影响也不是很大。复合材料综合了PA66基体与纤维的性能，具有优越性能和广泛的用途，其特性优于任一单一组分的特性[9]。

2、设计原理

玻璃纤维是二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等为主要玻璃组分，在高温熔融状态下，玻璃液经拉丝冷却固化形成直径为5～30µm的玻璃丝；尼龙66的制备主要是指对其的配方设计，是在对高分子材料结构与性能关系充分研究的基础上，各种原料之间进行组合制备；复合材料的成型加工方法是根据材料的外形、结构与使用要求并结合材料的工艺性能来确定的。玻璃纤维在基体PA66树脂中的分散问题会直接影响到复合材料的增强效果，因为玻璃纤维的加入，使PA66原有的光滑表面变的很粗糙，进而影响到产品的表面质量，同时由于玻璃纤维和PA66的界面结合比较差，以致于制品的物理力学强度较低，因而制备PA66/GF复合材料前必须对玻璃纤维表面进行处理，确保有效的应力传递和获得较好的综合力学性能，以及良好的界面粘结[10-12]。

对玻纤增强热固性树脂或极性热塑性树脂复合材料，可采用偶联剂对玻纤表面进行表面处理，使树脂与玻纤表面形成化学键，从而获得有效的界面粘结[13]，常用的偶联剂为硅烷类物质，如KH-550，它能促进无机物与有机高聚物分子粘合，在两者之间起着“桥梁”的作用，其特点是分子中具有两种亲和基团，一种能和无机物相亲和，另一种能与高聚物相亲和，即能使原来不相容的两种组份以一定形式实现化学结合，从根本上增强两者之间的粘合力，进而提高复合材料的综合性能[14]。经偶联剂处理后的玻纤与PA66基体间具有较好的界面粘结力，使得PA66基体对玻纤的包容性较好，最终复合材料的综合性能更加优异。目前文献介绍的主要的制备方法是采用熔体浸渍的方法对玻纤进行表面处理，之后选用熔融共混法制备了PA66/GF复合材料。

3、制备过程[15]

3.1 主要原料

E-长玻璃纤维：直径10µm 硅烷偶联剂(KH-550)：纯度≥97．0％ 无水乙醇：分析纯 丙酮：分析纯 PA66：EPR27型 玻纤表面分散润滑剂：TAF，熔点≥135℃ 抗氧剂：自制 热稳定剂：自制 3.2 实验仪器

真空干燥箱：DZF-6050型 高速混合机：SHR-5A型

双螺杆挤出机：同向排气式，TE-34型 注射成型机：HTF80-W2型 马弗炉 3.3 实验步骤

3.3.1 玻璃纤维的表面处理

(1)将硅烷偶联剂(KH-550)、无水乙醇和去离子水按照1：0.3：2.7配制成玻纤表面处理剂，然后将该处理剂用丙酮稀释成1.0％的溶液。

(2)称取一定量的长玻纤，然后将其在自制的实验装备依次通过上述配制好的溶液中，使玻纤充分浸渍。

(3)将浸泡过的玻纤在自然条件下晾干，然后置于80℃的烘箱中干燥4 h以上后取出，即可得到表面涂覆有处理剂的玻璃纤维，放入密封袋中待用。具体工艺流程简图如下：

3.3.2 玻纤含量不同的PA66/GF复合材料的制备

(1)将适量的PA66、玻纤表面分散润滑剂、抗氧剂、热稳定剂等按照一定配比在高速混合机中混合均匀，然后置于80℃的真空干燥箱中干燥24h至恒重。具体工艺流程简图如下：

(2)分别将玻纤和PA66按照质量百分含量为20％、25％、30％、35％和40％的复合材料标记为PA66GF20、PA66GF25、PA66GF30、PA66GF35和PA66GF40。在双螺杆挤出机加纤口中加入经过表面处理的玻璃纤维，主料口中加入干燥恒重的混合物，然后两种样品在挤出机中熔融共混后挤出造粒。挤出机各段温度分别为255℃、270℃、275℃、275℃、270℃和265℃，料筒转速固定为15r/min时，根据玻纤含量不同螺杆转速分别为150r/min、165r/min、180r/min、195 r/min和210r/min。

(3)将挤出、切粒后得到的复合材料粒子在80℃下真空烘箱中干燥24 h直至恒重，然后在注射成型机中注射成标准试条，注射机各段温度分别为275℃、280℃、275℃和265℃，模温为70℃。具体工艺流程简图如下：

4、设计参数和结论

4.1 复合材料中玻璃纤维的长度分布

在马弗炉中放入玻纤含量不同的样条，当温度升至650℃后，保温约30min，然后冷却至室温后取出得到的玻纤，并将其置于水中使其分散均匀，用胶头滴管吸取少量样品滴到干净的载玻片上，自然干燥之后放到光学显微镜下观察并测量玻纤的直径和长度(放大倍数为100倍)，并计算数均纤维长度Ln及重均纤维长度Lw[16]，其计算公式如下：

其中Li指的是纤维的长度，mm；Ni是长度为Li的纤维根数。

由公式计算得到的玻纤含量不同的复合材料的数均纤维长度Ln分别为0.6128 mm、0.595 mm、0.5769mm、0.5538 mm和0.5267 mm。

对PA66/GF复合材料中玻纤的长度分布进行了统计，如下图一所示：

图一：PA66/GF复合材料中玻纤的长度分布

由图可以看出，随着玻纤含量的增加，复合材料样品中的玻纤平均长度逐渐降低。这可能是因为，玻璃纤维增加后，物料熔体的流动性下降，熔体所受的摩擦阻力上升，从而使玻璃纤维受到更大的剪切。4.2 复合材料的力学性能测试

力学性能是判断复合材料使用性能的主要指标之一。PA66/GF复合材料的力学性能详细的实验数据如表1所示： 表一：PA66/GF复合材料的物理力学性能

具体情况如下图二、三、四所示：

图二：PA66/GF复合材料的拉伸强度和弹性模量与玻纤含量的关系曲线

图三：PA66/GF复合材料的弯曲强度和弹性模量与玻纤含量的关系曲线

图四：PA66/GF复合材料的缺口冲击强度和弹性模量与玻纤含量的关系曲线 由表1可以看出，玻纤的加入，显著地提高了复合材料的刚性和韧性，而且随着玻纤含量的增加，复合材料的弹性模量、弯曲模量、拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度均有较大幅度的提高。玻纤含量为40％时，复合材料的弹性模量和弯曲模量分别提高了273％和272％；拉伸强度和弯曲强度分别增加了173％和186％；缺口冲击强度增加了283％。

复合材料的力学性能有了如此大的提高可能是因为，在复合材料中玻纤和尼龙基体界面粘结良好并且在其中分散均匀，以随机取向的单丝存在，以致于基本上每根玻纤都能充分发挥其增强作用，因此，当复合材料在受到外界拉力作用时，拉力通过界面层被传递到玻纤上，任一截面上的玻纤都承受了大部分的拉力。另外，随着玻纤含量的增加，在复合材料任一截面上都有更多数量的玻纤承担，这些经过KH-550处理后的玻纤与PA66的界面粘结强度较强，因而在复合材料断裂时，玻纤无论是拔出还是拉断都需要施加更多的载荷，消耗更高的能量，所以复合材料的拉伸强度和缺口冲击强度显著提高。而且玻纤可以作为应力集中中心，诱发银纹或剪切带，银纹或剪切带的产生和发展需要消耗能量，因而也提高了体系的冲击强度[17]。此外，随着玻纤用量的增加，玻纤长度大于临界值的数量增多，并且PA66和纤维界面接触面积相应的增加，从而玻纤拔出消耗更多的能量，因此，拉伸强度和缺口冲击强度随着玻纤用量的增加而增加。4.3 复合材料的吸水性能

PA66由于分子间存在很强的氢键作用，所以其吸水率较大，这就导致了材料的尺寸稳定性差，对成型加工带来了不便之处。玻纤作为一种无机填料，具有良好的气液阻隔性能，吸水率接近于零，能在很大程度上降低复合材料的吸水率，提高其尺寸稳定性能。其吸水性能测试如下图五所示：

图五：PA66/GF复合材料的吸水率与玻纤含量的关系曲线 从图五可以看出，复合材料的吸水率与PA66原样相比，有明显的降低，并且随着玻纤含量的增加，其吸水性逐渐减弱。当玻纤含量为40％时，吸水率比PA66原样下降了55.9％。这是由玻纤的结构决定的，玻纤均匀的分散在PA66中，一定程度上阻碍了水分的进入，导致吸水率下降，提高了复合材料的阻隔性能。4.4 复合材料的热稳定性

聚合物的耐热性是指聚合物在环境下的热变形性和热稳定性。聚合物的软化温度低，分解温度低，容易燃烧、老化，这使聚合物的应用领域受到极大的限制。因此一个耐热聚合物应具有高的抗热形变能力，并且在各种物理和化学的刺激下能够保持良好的结构和性能的稳定性能。聚合物材料的热降解可以分为两个阶段：第一阶段是在材料的加工过程中，聚合物短时间内处于较高温度下所发生的降解和某些化学反应；第二阶段是指材料在存储和使用过程中，在相对较低的温度下热能引起的性能劣化。通常使用热重分析法(TGA)来表征聚合物材料在较高温度下的热稳定性能。PA66/GF复合材料的TG和DTG曲线如下图六所示：

图六：PA66/GF复合材料的TG(a)和DTG(b)曲线

由TG(a)曲线可知，PA66和各复合材料在400℃～500℃之间有一个明显的热分解峰，复合材料在此温段分解完全。热分解温度参数列于表二中：

表二：PA66／GF复合材料的热分解温度

从表中可以看出玻纤的加入，使复合材料的起始热分解温度Tdi、最快热分解温度Td和终止热分解温度Tdf均比PA66有明显的提高。与PA66原样相比，复合材料的Tdi提高了7～30℃；Td提高了20～50℃；Tdf提高了25～60℃左右。因此，玻纤显著地提高了复合材料的热稳定性能。4.5 不同腐蚀介质对复合材料力学性能的影响 4.5.1 不同腐蚀介质对复合材料拉伸性能的影响

图七和图八是四种不同腐蚀介质对PA66和玻纤含量为25%的复合材料拉伸强度与处理天数的关系曲线：

图七：不同腐蚀介质中PA66的拉伸强度与处理天数的关系曲线

图八：不同腐蚀介质中复合材料的拉伸强度与处理天数的关系曲线 从图中可以发现，PA66原样与加入玻纤含量25%的复合材料的耐腐蚀性是明显不同的，加入玻纤后，复合材料的介质腐蚀效应明显减少，有助于提高复合材料在介质腐蚀后的拉伸强度的保持率。4.5.2 不同腐蚀介质对复合材料弯曲强度的影响

图九和图十分别为四种不同腐蚀介质对PA66和玻纤含量为25％的复合材料弯曲强度与处理天数的关系曲线：

图九：不同腐蚀介质中PA66的弯曲强度与处理天数的关系曲线

图十：不同腐蚀介质中复合材料的弯曲强度与处理天数的关系曲线

从图中可以发现，PA66原样和加入25％玻纤的PA66复合材料的耐化学腐蚀性能明显不同，加入玻纤后，复合材料的介质腐蚀效应明显减少，有助于提高复合材料在介质腐蚀后的弯曲强度的保持率。

参考文献：

[1]邱丽.碳纳米管/尼龙66复合材料的制备及性能研究[D].太原理工大学,2013.[2] Christian Hopmann,Walter Michaeli,Florian Puch.Experimental investigation on the influence of the composition on the morphology and the mechanical properties of short gla fiberreinforced polypropylene nanocomposites[J].Poly Compos.2012(12)[3]汪多仁.尼龙66的生产与应用[A].中国工程塑料工业协会加工应用专委会、第四届中国塑料博览会组委会.2002年中国工程塑料加工应用技术研讨会论文集[C].中国工程塑料工业协会加工应用专委会、第四届中国塑料博览会组委会:2002:4.[4]崔峰波.长玻璃纤维增强尼龙复合材料的制备及性能研究[D].浙江大学,2011.[5] Norman DA,Robertson RE.The Effect of Fiber Orientation on the Toughening of Short Fiber-Reinforced Polymers.Journal of Applied Polymer Science.2003 [6]张耀明，李巨白，姜肇中．玻璃纤维与矿物棉全书[M]．北京：化学工业出版社，2000：147～233 [7]赵玉庭，姚希曾．复合材料聚合物基体[M]．武汉：武汉工业大学出版社，1992：64 [8]张士华,陈光,崔崇,米成,顾金萍,于静静.偶联剂处理对玻璃纤维/尼龙复合材料力学性能的影响[J].复合材料学报,2006,03:31-36.[9] Baljinder K.Kandola,Rana Toqueer‐Ul‐Haq.The effect of fibre content on the thermal and fire performance of polypropylene–gla composites[J].Fire Mater..2011(8)[10]周祖福．复合材料学[M]．武汉：武汉工业大学出版社，2002，122~150 [11]崔周平，盖雨聆，李国禄．玻璃纤维增强MC尼龙复合材料的力学性能[J]．北京机械工业学院学报，1999，14(1)：11～15 [12]翁永华，马满珍．玻纤表面处理对于玻纤增强PET复合材料断裂韧性的影响[J]．玻璃钢/复合材料，1998。6：9～12 [13]Stanford.J,L.Love.P.A.Thongpin,C.Young,R.J.Experimental studies on the inter-facial shear-transfer mechanism in discontinuous gla-fiber composites.Composites Science and Technology.2000 [14]田水．钛酸酯偶联剂[J]．现在塑料，1989，11：33～34 [15]孙红玲.玻璃纤维增强尼龙66复合材料的制备与性能研究[D].郑州大学,2012.DOI:10.7666/d.y2103008.[16]Ulku Y，Murat C，Effects of proceing Conditions on the Fiber Length Distribution and Mechanical Properties of Gla Fiber Reinforced Nylon6[J]．Polymer Composites，2002，23：61～71．

[17]庄辉，刘学习，任璞等．长玻纤增强聚丙烯复合材料的力学性能比较[J]．塑料工业，2007，35(4)：24～26