玻纤增强型PC

玻纤增强型PC（共4篇）

玻纤增强型PC 篇1

0 引言

玻纤增强型PC (聚碳酸酯) 具有良好的机械性能, 被广泛应用于机械设备。但由于熔体粘度较大, 流动性差, 充填困难, 容易引起短射、翘曲以及制品应力开裂等缺陷[1]。

超声波的机械效应、热效应和空化效应均有使熔体粘度下降的作用[2]。熔体粘度的降低会使得熔体的充填流动性得到改善, 因而理论上施加超声波后熔体的型腔填充率相比未施加超声波熔体的型腔填充率要好。

本研究在注塑成型过程中借助超声波对熔体的场能作用, 来研究超声波是否有利于改善玻纤增强型PC的充模流动性, 提高该熔体的型腔填充率。

1 实验部分

1.1 原料

玻纤增强型PC, 玻璃纤维填充物比例20%。

1.2 仪器与设备

TMC注塑机 (厂商:台湾江门庆优机电有限公司, 型号:30H-SE) 一台 (如图1所示) 。

自制超声波辅助注塑成型模具系统, 包含注塑模具一套 (如图2所示) 、超声波发生器 (如图3所示) 一台、超声振子 (超声波换能器和超声波变幅杆一体式, 如图4所示) 一个, 模温机一台。

电子精密分析天平一台 (厂商:DENVER, 型号:SI-224, 如图5所示) 。

1.3 实验设计

以流动方向上压力损失较大的玻纤增强型PC伞钩状塑件为研究对象, 进行超声波辅助注塑成型实验。为比较未施加超声波作用和施加超声波作用下塑件的成型性能, 以及不同超声波功率和注塑工艺参数条件下塑件的型腔填充率, 本实验设计如下:

(1) 未施加超声波注塑实验:在注射压力分别为100MPa、110MPa和120MPa, 料筒前段温度290℃, 冷却液温度90℃, 保压压力45MPa, 保压时间15s, 冷却时间5s, 恒压保压方式的条件下不施加超声波进行注塑成型实验, 每组工艺参数分别采样5个样品;

(2) 施加超声波注塑实验:在注射压力为100MPa, 料筒前段温度290℃, 冷却液温度90℃, 保压压力45MPa, 保压时间15s, 冷却时间5s, 恒压保压方式, 超声波输出功率分别为30W、80W、130W、180W条件下, 施加超声波作用进行注塑实验, 每组工艺参数分别采样2个样品。

注塑过程中, 为避免工艺不稳定对实验产生影响, 在同一组工艺参数下, 待连续10次注射成型的制品外形无太大区别才开始采集样品。

2 样品质量测试

采用电子精密分析天平 (如图5所示) 称量样品质量。

3 结果与讨论

3.1 相同超声波功率, 不同注射压力作用下施加与未施加超声波对比

注射压力100MPa, 将未施加和施加超声波功率为180W的样品分别命名为A、B组, 进行对比, 如图6所示 (从左往右, 分别为样品1~5) 。

注射压力110MPa, 将未施加和施加超声波功率为180W的样品分别命名为C、D组, 进行对比, 如图7所示 (从左往右, 分别为样品1~5) 。

注射压力120MPa, 将未施加和施加超声波功率为180W的样品分别命名为C、D组, 进行对比, 如图8所示 (从左往右, 分别为样品1~5) 。

使用电子精密分析天平分别对A、B、C、D、E、F组的1~5个样品进行称量质量所得数据如表1所示。

为便于分析比较, 将表1中A~F组样品质量的平均值绘制成柱状图如图9所示。

由图9可以看出, 施加超声波作用成型的B、D、F组样品分别对应于未施加超声波的A、C、E组来说, 平均质量显然要大, 说明施加超声波作用下, 塑件的型腔充效果要好于未施加超声波作用下的充填效果。验证了超声波可以提高玻纤增强型PC熔体的型腔填充率。

3.2 相同注射压力, 施加不同功率的超声波作用下对比

分别选取不同输出功率下的注塑样品进行对比, 如图10所示, 称量质量并记录数据如表2所示 (同一功率下, 左边样品为1, 右边样品为2) 。

为便于分析比较, 将表2数据绘制成柱状图如图11所示。

由图11可以看出, 随着超声波功率的增加, 样品质量整体呈上升趋势。说明在振子辐射面面积一定的情况下, 超声波输出功率越高, 提升玻纤增强型PC熔体的填充率的效果越显著, 且最佳超声波作用功率为180W。

4结论

超声波有利于改善玻纤增强型PC的充模流动性, 提高该熔体的型腔填充率, 与前述理论分析结果一致。

摘要：文章以流动方向上压力损失较大的玻纤增强型PC伞钩状扁平塑件为成型目标, 利用自主研发的超声波辅助注塑成型装置, 研究了超声波对玻纤增强型PC熔体流动性能的影响。结果表明:施加超声波作用下, 塑件的型腔填充率要好于未施加超声波作用下的充填, 且在超声波变幅杆辐射面面积一定的情况下, 超声波输出功率越高, 提高熔体型腔填充率的效果越显著。

关键词：超声波,玻纤增强型PC,注塑成型,流动性

参考文献

[1]胡盛财.超声波辅助玻纤增强型PC注塑成型的研究[D].厦门:集美大学, 2015.

[2]郑辉.超声波辅助微注塑方法及工艺研究[D].天津:天津大学, 2012.

[3]祝思龙.超声外场作用对精密注塑制品质量影响的研究[D].大连:大连理工大学, 2009.

[4]胡玉勇.超声变幅器的设计理论及其性能参数的实验研究[D].山西:太原理工大学, 2010.

[5]SATO A, ITO H, K0YAMA K.Study of Application of Ultrasonic Wave to Injection Molding[J].Polym Eng Sci, 2009, 49 (4) :768-773.

和氏璧化工推出高玻纤增强尼龙6 篇2

PA6广泛应用于汽车制造、机械设备生产、电子电器行业等方面。汽车制造业中广泛应用于进气歧管、散热箱器、发动机盖等;在机械设备行业中广泛用于制造齿轮、轴承、涡轮等各类零件, 而在电子电器行业广泛用于接插件、各类开关等。

纯PA6由于在强度、刚性、耐温性能上有一定的局限性, 所以在实际应用当中, 经常针对某些特殊要求的场合, 会对PA6进行改性。尼龙的填充增强改性是最常用的方法之一, 通过添加纤维和填料, 提高材料的强度和耐温性能。而其中玻纤增强尼龙是最常规改性方法。

玻纤 (GF) 的比强度和杨氏模量比尼龙大10～20倍, 线膨胀系数为尼龙的1/20, 吸水率接近于零, 具有耐热和耐药品性好的特点。玻纤增强的PA6, 不但起到增加强度和刚性的目的, 而且可以提高耐热性, 改善尺寸稳定性、硬度和抗蠕变性等。特别是高玻纤含量的增强PA6 (以下简称高玻纤PA6) , 由于其具有突出的强度和刚性, 良好的加工性能, 使得在某些需要突出力学性能以及以塑代钢的应用领域, 日益得到人们的关注。

和氏璧化工为适应市场需求, 推出了高玻纤PA6材料, 玻纤含量达到50%, 商品名:汇邦牌 (英文名:HIPOLYMER) 。和氏璧化工采用优质的PA6切片原料和优质的玻璃纤维原料, 尼龙改性专用的进口双螺杆挤出设备, 克服了传统高玻纤尼龙材料玻璃纤维分散不均的难题, 并配备精良的检测设备, 对原材料及成品料进行严格把关, 保证了材料品质稳定可靠。

高玻纤PA6有着突出的强度和刚性、优秀的抗冲性能以及良好的耐高温性能, 广泛应用于支架类、箱体箱盖、工具手柄等产品, 并可用于替代部分金属产品, 如替代铝合金及钢材部件等。

PA6+50%GF (汇邦牌高玻纤PA6) 、PA66+50%GF、45#钢、铝镁合金的单位重量抗拉强度 (抗拉强度/密度) 简单分析对比如图1。

由图1可知, 单位重量抗拉强度数据显示, PA6+50%GF的数据接近于铝镁合金, 高于铝锌合金和45#钢;而如果采用高玻纤增强的PA6替代金属制造零件时, 可以提高设计的自由度, 省去金属复杂的加工工序, 可以将几个零件组合到一个部件中, 并且部件不需要额外的防锈防腐蚀处理。

(1.PA66+50%GF数据取自Basf公司的牌号A3EG10;2.PA6+50%GF及PA66+50%GF采用材料调节后的数据)

PA6+50%GF的单位重量抗拉强度略低于PA66+50%GF, 但PA6+50%GF的加工性能优于PA66+50%GF, 流动性更好, 能够获得更好的产品表面质量, 表面浮纤更少;PA6熔点220℃, 而PA66熔点260℃, 采用PA6+50%GF更有利于节省能耗。

综上所述, PA6+50%GF在以塑代钢及替代PA66+50%GF方面的应用, 有着更高的性价比。

目前汇邦牌高玻纤PA6已成功应用于园林工具手柄, 替代30%玻纤增强PA6, 获得更高强度及抗冲击性能;成功应用于阻尼器转轴, 提供给产品高刚性及高韧性, 替代了玻纤增强PPS。

高玻纤PA6也广泛应用于汽车行业中, 如发动机罩、变速箱箱体、汽车前端车架横梁、横梁连接件及汽车前头灯等。

玻纤增强型PC 篇3

高分子材料在使用或存储过程中, 常会受到自然环境里诸如光照、氧气、水、温度等环境因素的作用, 出现材料性能随时间延长而衰减的老化现象。有研究发现光照是限制塑料材料户外使用的关键因素之一, 制约着其发展和应用[4,5]。本研究以氙弧灯耐气候试验仪为主要试验手段, 模拟并强化自然环境中太阳光的辐射, 考察光照对于玻纤增强尼龙66复合材料微观形貌、结构及力学等性能的影响, 对其光老化的机理进行初步探索。

1 试验部分

1.1 材料

尼龙66树脂, 宜兴港欣尼龙厂;玻纤增强尼龙66材料, 自制。

1.2 试验仪器

氙弧灯耐气候试验仪 (Ci65/DMCA) , 美国Atlas Electric Devices公司;万能电子拉伸试验机 (Sintech 2/DL型) , 美国MTS公司;冲击试验机 (XCJ-40型) , 承德材料试验机厂;傅里叶变换红外光谱仪 (Magna 750FT-IR型) , 美国Nicolet公司;X射线光电子能谱分析仪 (PHI5300型) , 美国Perkin Elmer公司;扫描电子显微镜 (QUANTA 200型) , 荷兰FEI公司。

1.3 试样制备

试验所需标准试样按照挤出、造粒、注塑等工艺进行。

1.4 试验条件

光老化试验:试验方法及过程按照国标GB/T 16422.2-1999《塑料实验室光源暴露试验方法第2部分:氙弧灯》进行, 试验条件如下所示: (1) 试验光源:氙弧灯; (2) 辐照强度:340nm, 0.5W/m2; (3) 黑板温度: (65±3) ℃; (4) 相对湿度: (50±5) %; (5) 喷水周期:喷水时间18min, 2次喷水之间时间间隔102min。

1.5 性能测试

力学性能:弯曲强度按照GB/T 9341-2000测试, 试验尺寸80mm×10mm×4mm, 弯曲跨距公称长度64mm, 试验速度2mm/min;缺口冲击强度按照GB/T 1043-1993测试, Ⅰ型试样, C型缺口, 冲击速度2.9m/s;拉伸强度按照GB/T 1040-1992测试, Ⅰ型试样, 拉伸速度20mm/min。

FTIR测试:采用KBr压片法制样, 检测器为DTGS KBr, 分束器为KBr, 扫描次数:8, 分辨率4.00cm-1。

XPS测试:非单色化X射线源, MgKα1253.6eV;半球型能量分析器X射线枪, 250V, 12.5kV;真空压力室低于6.7×10-6Pa, 通能35.75eV, X射线入射角:45°。

SEM测试:试验结束后, 试样表面经喷金处理, 再进行测试。

2 结果与讨论

2.1 玻纤增强尼龙66复合材料外观变化

从图1的样品外观可以看出随着光老化试验时间延长, 复合材料外观较试验前颜色逐渐加深, 光老化720h后表面呈现为深褐色, 同时伴随有纤维裸露;老化960h后样品表面颜色变化已不明显, 此时样品表面的树脂发生脱落, 并逐渐暴露出了玻璃纤维;光照1800h后, 表面玻璃纤维严重暴露, 材料表面发生了严重的光老化现象。

2.2 玻纤增强尼龙66复合材料力学性能的变化

人工加速光老化试验中玻纤增强尼龙66复合材料力学性能变化如图2所示。

从图2可以发现复合材料的拉伸强度、冲击强度及弯曲强度等力学性能保留率随光老化时间的增加均表现出了一定的波动性。但就光加速老化前后材料的总体性能变化来看, 复合材料的拉伸强度在加速老化试验过程中基本呈现先上升后下降的趋势。在光老化初期 (0~250h) 复合材料的拉伸强度有所增加, 这可能是基体在光照下发生了光固化, 引起材料性能较光老化前有所提高, 而材料的冲击强度、弯曲强度则出现了一定程度的下降;当老化时间增加到500h后, 材料的力学性能保留率已开始下降, 说明在此阶段过程中材料已表现出了一定程度的光老化现象, 如表层基体树脂的粉化、分子链的断裂、玻纤的脱落、拔出等。然而即使经过2000h光加速老化试验后, 材料的各项力学性能保留率仍大于90%, 说明玻纤增强尼龙66复合材料光老化现象主要发生在材料的表面, 内部还未表现出明显的老化现象。

2.3 玻纤增强尼龙66复合材料微观形貌变化

人工加速光老化试验中玻纤增强尼龙66复合材料的力学性能变化如图3所示。

从图3玻纤增强尼龙66复合材料的表面扫描电镜照片可以看出, 未老化试样的表面形貌较为平整光滑, 光老化500h后, 材料表面出现了明显的裂纹, 原本包覆于树脂基体内部的玻纤也裸露了出来, 同时还可能伴随部分玻纤的脱落;光老化1000h后, 光照形成的裂纹相互贯穿、交织, 出现了块状小颗粒, 这可能是在氙弧灯照射下, 树脂基体表面发生了不同程度粉化和脱落, 致使树脂与纤维之间的粘附、桥接作用下降, 出现纤维的裸露、剥离等现象, 如图3 (c) 所示;光老化时间增加到2000h后, 树脂基体表面粉化程度加剧, 出现了较大面积脱落。长时间氙弧灯照射下, 树脂基体分子链发生断裂, 产生许多小分子产物, 在降水的冲刷下发生脱落, 随着光老化的深入, 会使更多的玻纤暴露出来, 宏观上表现为材料力学性能的下降, 而光老化过程中复合材料表面发生的光老化现象最为严重。

图4为复合材料断面形貌, 其中图4 (a) 为原始材料断面, 可以看出断面十分不规整, 玻纤表面粘附有大量树脂, 玻纤的存在对于基体起到了一定的增强效果, 提高了材料的力学性能;老化500h后, 断裂纤维表面仍粘附有一定量的树脂, 如图4 (b) 所示, 表明此时光老化还只出现在材料表层;老化1000h后, 断面纤维上粘附的树脂明显减少, 出现块状树脂脱落;老化2000h后, 视野内断面纤维表面上已基本没有树脂基体, 出现了少量纤维拔出后留下的孔洞, 说明光老化现象由表及里已逐渐向复合材料的内部扩展。

2.4 玻纤增强尼龙66复合材料红外光谱分析

本实验利用红外光谱[6,7]对光老化过程中复合材料微观结构变化进行了分析表征, 结果如图5所示。

从图5可以发现, 光老化过程中, 不同老化时间段内材料红外谱图基本相似, 只是某些特征吸收峰的强度在老化前后有所变化。如3303cm-1处代表酰胺基N-H键的不对称特征吸收峰和1538cm-1处代表N-H键的弯曲振动特征吸收峰 (酰胺Ⅱ谱带) 随光老化时间增加, 谱峰强度不断增加;3081、2922和2857cm-1处亚甲基上C-H键的特征吸收峰在光老化前后其强度也出现了一定的增加[8], 1644cm-1处C=O键的伸缩振动特征吸收峰 (酰胺Ⅰ谱带) 也表现了相同的变化趋势, 1370cm-1处C-N伸缩振动的特征吸收峰强度先增加后减小, 分析原因可能是, 老化初始阶段部分化学键断裂, 使C-N键谱峰强度有所增加, 随老化时间延长, 致使C-N发生断裂, 因而其特征吸收峰的强度有所降低;728cm-1代表C-C骨架振动的特征吸收峰随老化时间增加衰减程度相对较小, 这可能是由于C-C骨架振动由于受到临近C=O键和N-H键伸缩振动影响, 致使其特征吸收峰在红外谱图上表现的并不明显, 从红外谱图的变化来看, 相对于未老化的试样, 老化2000h后, C-C骨架的特征吸收峰基本消失, 说明光老化过程中有可能出现了C-C键的断裂。

2.5 玻纤增强尼龙66复合材料表面元素XPS谱图

光老化过程中复合材料表面元素的变化如图6所示。

尼龙66光老化过程一般表现为两方面:一方面是树脂分子结构中的羰基等基团, 能吸收具有一定波长光子的能量, 被激发到电子激发态, 随后会以光物理或光化学过程消耗掉激发的能量, 实现稳态转变, 此过程中如果有氧参与, 就会导致光氧化反应发生;另一方面本次实验中采用的是峰值为340nm的氙弧灯, 其产生的光线还包含有部分紫外光, 这些光线具有很高的能量, 可以引起某些化学键的活化、断裂和重组等, 甚至还可能破坏尼龙66与玻纤之间的桥接作用, 出现玻纤拨出、脱落等现象, 造成复合材料的光老化。

通过对未光老化和经2000h光加速老化后试样的XPS谱图对比分析可以发现, 光老化前后O1s、N1s、C1s、Si2s和Si2p谱峰的强度均发生了较为明显的变化, 其中O1s、C1s、Si2s和Si2p谱峰强度有所减弱, 而N1s峰强度有所增加。分析上述各元素变化趋势, 其原因可能是:在紫外光的照射下, 树脂基体中的C-C、C-N化学键发生了断裂, 形成自由基活性中心, 这些自由基与氧气结合, 生成烷氧基、氢基等过氧化物;由于稳定性较差, 这些过氧化物进一步分解, 产生新自由基和小分子产物, 如水、二氧化碳、一氧化碳等。光老化现象的发生, 一方面造成材料表面C、O元素相对含量降低;另一方面也导致材料表面出现粉化、龟裂以及纤维裸露等现象;同时由于N元素比较稳定, 在光老化过程中并未参与小分子产物的生成, 加之分子中C、O两种元素的减小, 致使N元素相对含量较未老化试样有所增加;谱图中所测Si元素可能主要来自于玻璃纤维, 光老化前Si2s和Si2p相对强度均明显强于老化2000h后试样, 这可能是因为光老化后期材料表面规整性发生破坏, 表现出树脂的脱落及裂纹, 光老化后期还可能伴随有纤维增强相从树脂基体的剥离等, 由于XPS分析技术仅局限在对材料表面元素的分析, 因此当表面纤维发生脱离后, 就有可能造成Si元素相对含量降低, 出现图6所示的情况。

3 结论

(1) 人工光加速老化初期 (0~250h) , 材料的拉伸强度增加, 冲击强度、弯曲强度有所下降;老化中期 (250~1000h) , 材料表面开始出现龟裂、粉化, 伴随有纤维裸露、剥离等;老化后期 (1000~2000h) , 光老化进一步加深, 材料内部出现少量纤维拔出后留下的孔洞, 断面纤维表面黏附的树脂逐渐减少。

(2) 光老化过程中, 尼龙66分子链中C-C、C-N键有可能发生了断裂产生活性自由基, 在氧气参与下发生自由基光氧化反应, 表现为光老化现象。

(3) 玻纤增强尼龙66的光老化现象主要发生于材料表面, 对于材料内部而言, 由于受光辐射的影响较小, 因此经过2000h光照后, 从材料的力学性能分析, 并未表现出明显的光老化现象。

摘要：采用扫描电子显微镜、傅里叶变化红外光谱和X射线光电子能谱仪对人工光加速老化过程中玻纤增强尼龙66复合材料的光老化性能进行了初步分析研究, 结合材料力学性能变化规律, 分析认为光加速老化过程中材料发生了自由基光氧化反应, 导致分子链结构中C-C、C-N等化学键的断裂, 材料表面出现了龟裂、粉化以及纤维的剥离和脱落等光老化现象, 材料内部由于受光照影响较小, 并未出现明显的光老化现象。

关键词：玻纤增强尼龙66,加速光老化,光氧化,机理

参考文献

[1]邓如生, 魏运方, 陈步宁.聚酰胺树脂及其应用[M].北京:化学工业出版, 2002, 534-650.

[2]段召华, 周乐, 陈弦, 等.长玻璃纤维增强尼龙66力学性能的研究[J].塑料工业, 2009, 37 (4) :32-34.

[3]陈现景, 岳云龙, 祝一民, 等.浸润剂对短切玻纤增强尼龙66性能影响的研究[J].玻璃钢/复合材料, 2010, (1) :70-72.

[4]张琦, 黄故.紫外线对玻璃纤维增强复合材料力学性能的老化研究[J].湖南科技大学学报, 2009, 24 (4) :35-38.

[5]李晖, 张霞, 付建农, 等.尼龙66人工光老化性能研究[J].工程塑料应用, 2010, 38 (12) :65-68.

[6]李思东, 彭政, 余和平, 等.用红外差谱表征橡胶的热老化[J].橡胶工业, 1998, 45 (8) :494-498.

[7]蓝磊, 文习山, 刘辉.用红外光谱研究室温硫化硅橡胶电晕老化及寿命估计[J].高电压技术, 2009, 35 (11) :2652-2656.

玻纤增强型PC 篇4

1实验部分

1.1原料

环氧树脂E-51(EP),上海树脂厂;4,4′-二氨基二苯砜(DDS),上海试剂三厂;环己酮,天津市化学试剂一厂;增韧剂和增粘剂自制;无碱E玻纤(GF),直径0.5～1.5μm,南京玻纤研究院。

1.2设备

电子万能拉伸机,英国INSTRON公司;动态热机械分析仪(DMA),美国TA公司;电热恒温鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;旋转涂膜机,型号KW-4A,上海凯美特仪器有限公司。

1.3实验方法

1.3.1 玻纤的预处理

球磨机或陶瓷研钵将玻纤磨碎,用读数显微镜观察其长度,控制研磨时间得到长径比为15左右,平均长度为10～15μm的磨碎纤维。将一定质量的磨碎玻纤置于反应器中,按比例加入硅烷偶联剂KH-550,然后加入少量乙醇溶液,使偶联剂恰好浸润玻璃纤维,对其进行表面改性。

1.3.2 EP胶粘剂的配制

将EP与自制增韧剂、增粘剂以质量比为3∶1∶1混合均匀,然后加入10%(质量分数,下同)EP质量的固化剂DDS,再加入稀释剂环己酮,将胶粘剂稀释至固体含量为35%,放置稳定后使用。

1.3.3 制样

将表面改性的磨碎玻纤加入到配制好的EP胶粘剂中,使用加热磁力搅拌器在50℃下搅拌适当时间,使玻纤与胶粘剂混合均匀。将适当大小的康铜箔材依次用三氯乙烯、丙酮、乙醇清洗后粘于剥离框架上,将混合均匀的胶粘剂滴在箔材表面,采用旋转涂膜机在经聚乙烯膜处理过的玻璃板表面成膜,将膜放入鼓风干燥箱,于80℃、130℃、160℃下分别固化1、1、2h。将固化后的基底材料制备成厚度90～190μm的薄膜,然后切割成80×10mm2的矩形用于拉伸性能测试;将厚度约110～150μm的薄膜切成50×10mm2的矩形用于动态热机械分析(DMA)测试。

2结果与讨论

2.1玻纤的表面改性及填充量对材料性能的影响

磨碎玻纤的填充量固定为5%,改变硅烷KH-550的用量制得试样的力学性能如图1a所示。可见,玻纤的表面改性对材料的力学性能有明显改善,随着偶联剂用量的增加材料的力学强度先增加后减小,当偶联剂用量为1%时达到最大值,拉伸强度为63.01MPa,拉伸模量为3740MPa,分别比未改性的玻纤增强材料提高34%和18%。其原因是硅烷偶联剂使得树脂基体与玻纤之间形成化学结合,良好的浸润性提高了两者的界面粘结能力,当加入量为1%时,恰好与玻纤表面的化学反应达到饱和,形成单分子层排布;而当偶联剂量大于1%时,多余的偶联剂在玻纤表面产生物理吸附,形成粘结性较弱的界面层,产生润滑效应,使材料的力学性能下降。

除了表面改性之外,玻纤的填充量也会对材料性能有很大影响,本实验选用1%的KH-550偶联剂改性的磨碎玻纤,填充量为0～30%,测得试样力学性能如图1b所示,材料的力学强度随玻纤含量的增加而先增大后减小,当含量为20%时拉伸强度和拉伸模量均出现最大值,分别为69.77MPa和3876MPa,分别比纯环氧树脂提高了83.0%和46.2%。玻纤增强复合材料的基础在于利用高性能纤维的强度和刚性使基体有效的将应力通过纤维和基体间的界面进行传递。材料拉伸时,基体树脂会发生“塑性”屈服,由于纤维的变形小其承受的应力要比树脂大的多。为得到良好的增强效果,纤维周围应力减小的区域要有一定的交叠,才能使纤维承担外力并传递外力,因此要求纤维的含量不能低于某个值[7]。当纤维的含量过大时,基体树脂的流动性变小,材料制备困难,纤维和基体之间粘结变差,缺陷增多,界面强度下降而使复合材料容易断裂。因此,玻纤填充量的最佳为20%。

2.2玻纤增强材料微观结构分析

为了观察玻纤在基体树脂中的分散情况,选择了1.0% KH-550改性的玻纤且填充量分别为5%、10%和20%,在样品表面真空喷金后用扫描电镜放大450倍进行观察,如图2所示。

图2 a为玻纤填充5 wt%样品的表面微结构,其中黑色暗区为树脂基体,白色亮线条为短玻纤。由于加入玻纤量过少,玻纤在树脂基体中分散不太均匀;当玻纤填充到10 wt%时,如图2 b所示,玻纤在基体中的数量明显增多,具有较好的分散性;当玻纤填充20 wt%时,如图2 c所示,玻纤在基体树脂中具有很好的分散性,考虑到薄膜材料有一定的厚度,玻纤在材料内部比较集中的区域能够互相交叠,从而起到主承载作用,对环氧树脂基体起到增强作用,使得纤维增强环氧树脂材料具有更高的强度与模量。

2.3玻纤增强材料的耐热性及抗蠕变性能研究

对于应变片基底材料来说,材料的耐热性对其应用具有重大意义,因此,玻纤增强材料的玻璃化温度(Tg)的测定是非常必要的。本实验采用动态力学分析(DMA)法测定了包括纯环氧树脂在内的5种不同薄膜材料的Tg,结果如表1所示。纯环氧树脂的Tg为87.9℃,采用未改性玻纤填充量为5 wt%时的试样Tg为100.3℃,采用1% KH-550改性玻纤且填充量为5%时试样的Tg提高到107.5℃;当玻纤含量为20%时,未改性玻纤增强的试样Tg为127.9℃,经1% KH-550改性的玻纤增强试样Tg提高到132.8℃。纯环氧树脂的Tg较低,玻纤增强环氧树脂材料的Tg随玻纤添加量的增加而提高;当玻纤添加量相同时,经偶联剂表面改性的比未改性的玻纤增强材料的Tg有一定的提高,当填充量为5%时改性玻纤增强薄膜的Tg可提高7.2℃,填充量为20%时改性玻纤增强薄膜的Tg可提高4.9℃;与纯环氧树脂相比,填充20%的表面改性玻纤的薄膜材料的Tg提高了45℃。

除了耐热性以外,应变片基底材料的抗蠕变性能也会影响到实际应用,由此,采用动态力学分析(DMA)方法对以上5种薄膜材料的蠕变性能进行了测试,分别测定了80℃和120℃下2MPa应力作用30min时的蠕变,如图3所示。可以看出,同一温度和应力作用的整个过程中,纯环氧树脂(a)的蠕变最大,在应力作用30min时,80℃、120℃条件下蠕变分别达到91.90%、1343.19%;与纯环氧树脂相比,玻纤的加入能显著改善薄膜材料的抗蠕变性能,而且随着玻纤用量的增加材料的蠕变曲线斜率逐渐降低,玻纤填充量为5%的薄膜材料(b)的蠕变分别为57.36%、1192.16%,较纯环氧树脂分别降低了38%、11%;而玻纤填充量为20%的薄膜材料(d)在相同条件下的蠕变分别为37.06%、830.79%,较纯环氧树脂分别降低了59.7%、38.1%。当玻纤填充量为5%时,相比于未改性的薄膜材料(b),表面改性的玻纤增强材料(c)蠕变曲线并无明显差异;而当玻纤填充量为20%时,相比于未改性的薄膜材料(d),经1% KH-550改性的玻纤增强薄膜材料(e)的蠕变值明显下降,蠕变分别为34.32%、757%。由此得出,环氧树脂薄膜材料的抗蠕变性能随着玻纤加入量的增加显著提高,在高填充量时玻纤的表面改性能够明显改善材料的抗蠕变性能。

3结论

玻纤的表面改性及添加量对增强环氧树脂应变片基底材料的力学性能有很大影响,当KH-550偶联剂用量为1%且添加量为20%时制得增强材料的拉伸强度和拉伸模量最佳。玻纤增强材料微结构表明,填充量为20%的玻纤增强环氧树脂材料中纤维在基体中具有很好的分散性,在比较集中的区域纤维能够交叠,从而对环氧树脂材料起到增强作用。采用DMA法测得了不同玻纤含量对材料的玻璃化温度和蠕变的影响,结果表明,纯环氧树脂的玻璃化温度最低为87.90℃,80℃和120℃下2MPa应力作用30min时的蠕变分别为91.90%、1343.19%,随着玻纤含量的增加环氧树脂增强材料的玻璃化温度大大提高且蠕变显著降低,当添加20wt%的表面改性玻纤时,增强材料Tg为132.82℃,80℃和120℃下2MPa应力作用30min时的蠕变分别为34.32%、757%。环氧树脂中通过加入改性的磨碎玻纤大大提高了材料的力学性能、耐热性和抗蠕变性能,使其更适于作为传感器应变片的基底材料。

参考文献

[1]尹福炎.传感器用金属箔式应变片[J].传感器世界,1996,2(9):20-25.

[2]王云章.应变式传感器胶封技术的研究[J].自动化仪表,1999,20(10):36-46.

[3]尹福炎.电阻应变计在传感器技术中的应用(上)[J].传感器世界,1999,3:11-19.

[4]郭云竹,孙远君.玻璃纤维/环氧树脂复合材料的热性能[J].纤维复合材料,2011,42(2):32-35.

[5]廖子龙,乌云其其格.环氧树脂/玻璃纤维复合材料性能研究与应用[J].工程塑料应用,2008,36(9):47-50.