纤维增强聚合物粒料的制备.docVIP

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 纤维增强聚合物粒料的制备 聚合物的增强即在树脂中加入纤维状或其他形状的材料,使力学性能大大提高的过 程。前面提到的云母、高纵横比的滑石粉以及一些纳米级填料都可以起到增强作用,但 惯常称为增强聚合物的是树脂与纤维结合形成的改性材料。其中的纤维叫做增强材料。 纤维增强聚合物能够改进材料的力学性能、热性能和尺寸稳定性等。对于力学性能 方面,拉伸强度、冲击强度、耐疲劳性、耐蠕变性、刚性的提高是显著的,尤其是拉伸 强度,与未增强材料相比,可成倍或成几倍提高,与金属材料相比,比强度 (按单位重 量计算的强度值) 优于一般金属材料,见表4 -17 。 表4- 17 几种材料的强度 一、增强材料的种类及性能 纤维类增强材料的种类很多,其中无机纤维主要有:玻璃纤维、石棉纤维、碳纤 维、晶须、石英纤维、石墨纤维及陶瓷纤维等;有机纤维有:PA N 纤维、聚乙烯纤维、 PA 纤维、PC 纤维、PV A 纤维及聚酯纤维等;金属纤维有:硼纤维、铝晶须、钛晶须、 钙晶须等。 1.玻璃纤维 玻璃纤维是熔融的玻璃通过喷孔以极高的速率牵伸而得到的连续长纤维,一般直径 为5 ~13μ m 左右。 做为增强材料使用的玻璃纤维为无碱玻璃纤维,其拉伸强度可达2000 M Pa。玻璃纤 维是常用的增强材料,早期主要用干热固性塑料的增强,如制作玻璃钢等,现可用于各 种热塑性塑料的增强,如PC 、PA 、PO M 、PPO 、F4 等。 2.碳纤维 碳纤维按结构可分为石墨纤维和无定型碳纤维。碳纤维由沥青、聚丙烯腈、人造丝 PV A 、芳香族聚酰胺等有机原料,在300 ℃以下空气中预氧化,然后在惰性气体保护下 高温碳化。碳化温度为1500 ~2000 ℃时,得到无定形碳纤维;碳化温度为2500 ~3000 ℃ 时,得到石墨纤维。 碳纤维是一种高强度纤维,其通用型的拉伸强度为834 ~1177 M Pa,高性能型的拉 伸强度可高达3432 M Pa。碳纤维密度小,耐高温,防辐射、耐水、耐腐蚀性能好,是一 种新兴高增强材料,应用很广泛,可用于所有热固及热塑性树脂。 3.硼纤维 硼纤维是最先出现的质轻的高强度材料,其组成为硼沉积于钨丝上。硼纤维的拉伸 强度为玻璃纤维的5 倍,密度小,常用于轻质、高强度的增强聚合物中,但因纤维较 粗,伸长率小,且价格高,使应用受到限制。 4.晶须 晶须为针状和毛发状结晶物质,外观看像短纤维的直径极小的丝,其直径很小,约 为0. 05 ~10μ m ,100 根晶须相当于一根玻璃纤维,10000 根晶须相当于一根硼纤维。长 径比较大,如氧化铝晶须的长径比为 ( 500 ~5000):1 。 由于晶须近乎完全结晶,且是一种不含晶格缺陷的完全结晶,直径又极细,故力学 强度极高,接近原子间的力,拉伸强度为6894 M Pa,是一种极高强度的增强材料,用于 制造质轻高强度的增强聚合物。 5.有机纤维 可用于增强的有机纤维有:PC 、PA 、PV A 、PA N 、F4、PE 、聚酯及芳香族聚酰胺 等。有机纤维中的芳香族聚酰胺纤维和超级PE 纤维的力学性能超过玻璃纤维。 二、聚合物增强机理 当纤维增强聚合物材料受外力作用时,由于基体与纤维在模量上的差距,顺着纤维 轴向拉伸复合物的拉应力使基体与纤维的纵向变形不同,在纤维两端的界面上产生相对 最大的剪应力,因界面结合不牢而首先发生一端或两端脱粘,继而滑动。 对于静负荷或高温场合,随后的断裂过程是延时断裂、纤维的一端从基体中拉出以 及纤维之间的基体屈服和断裂。其中纤维拉出与基体屈服这两种机制哪个为主,与基体模量和界面结合牢度有关。 对于高速负荷或低温场合,脱粘-滑动后的断裂过程是脆性断裂,其基本上是垂直 于横跨基体裂纹的纤维的一端从基体中拉出,基本不发生屈服。对于脆性断裂,当纤维 两端埋人裂纹两边基体中都超过一定长度且界面结合牢度足够的情况下,纤维将会断 裂。由于纤维断裂耗能比其他形成的断裂耗能都大,如连续纤维增强的那样,因此希望 断裂时纤维被拉断而不是从基体中拉出。 在此断裂过程中,增强作用主要依赖纤维材料与树脂的牢固粘接,使基体承受的负 荷或能量转移到支承的强力纤维上,并将负荷由局部传递到较大范围,甚至于整个物 体。树脂与纤维结合强度越高,增强越高,因此,纤维的表面处理可提高增强效果。 三、增强材料的表面处理 从以上增强机理可以看出,增强材料与树脂的结合强度直接影响增强效果。有效的 方法是通过增强材料表面处理的方法,使之与树脂牢固结合。 1.偶联处理 用偶联剂对增强材料进行预处理,可提高增强材料的增强效果。 一般玻璃纤维常用的偶联剂是硅烷类偶联剂,其他类型增强材料多用钛酸酯偶联剂 或其他表面处理剂和处理方法。 不同的处理剂,处理效果不相同,例如,用20 %CaSO 4 晶须增强PP ,分别用20 % 钦酸酯 K

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