玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能

玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能摘要：本文論述了玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能，主要包括材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和缺口沖擊強(qiáng)度。并分析了復(fù)合材料力學(xué)性能與玻璃纖維含量之間的關(guān)系，最后將復(fù)合材料與ABS的力學(xué)性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)的聚丙烯復(fù)合材料可以替代ABS應(yīng)用于一些受力領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：玻璃纖維；聚丙烯；力學(xué)性能；ABS引言聚丙烯是一種綜合性能十分優(yōu)異的熱塑性通用塑料，其具有易加工、密度小、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，所以聚丙烯在家用電器、日常用品包裝材料、汽車工業(yè)等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，成為近些年來(lái)增長(zhǎng)速度最快的塑料之一。然而聚丙烯也有一些缺點(diǎn)，比如：抗蠕變性差、熔點(diǎn)較低、尺寸穩(wěn)定性不好、熱變形溫度低、低溫脆性等，制約了其作為工程受力材料的應(yīng)用。聚丙烯的一般性能如表1所示［1］。如果想提高聚丙烯的耐熱性和沖擊強(qiáng)度，拓寬其應(yīng)用范圍，就應(yīng)對(duì)聚丙烯進(jìn)行改性［2,3］。表1聚丙烯的一般性能[1]Tab.1Thepropertiesofpolypropylene性能數(shù)據(jù)拉伸強(qiáng)度/Mpa29斷裂伸長(zhǎng)率/%200~700彎曲強(qiáng)度/Mpa50~58.8壓縮強(qiáng)度/Mpa45缺口沖擊強(qiáng)度/(KJ/m2)5~10洛氏硬度80~110彈性模量/Mpa980~9800玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料(GFRPP)是以熱塑性樹脂聚丙烯為基體，以長(zhǎng)玻璃纖維為增強(qiáng)骨架的材料［4］，其性能與ABS接近，但價(jià)格低于ABS塑料。目前，國(guó)內(nèi)外已對(duì)GF增強(qiáng)PP做了大量研究［5,6］。玻璃纖維增強(qiáng)聚丙稀己廣泛應(yīng)用于汽車零部件、家電行業(yè)、飛機(jī)制造業(yè)等。玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能拉伸性能材料的拉伸性能主要包括拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。拉伸實(shí)驗(yàn)中，試樣直至斷裂時(shí)所承受的最大拉伸應(yīng)力稱為拉伸強(qiáng)度。拉伸模量是指材料在拉伸時(shí)的彈性。在PP/GF復(fù)合材料中，GF起著骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用，以承擔(dān)應(yīng)力和載荷。同時(shí)，GF還可以促進(jìn)PP結(jié)晶，起成核劑作用，可在一定程度上提高材料的強(qiáng)度。J.L.Thomason等人［7］將長(zhǎng)度為3mm的玻璃纖維加入到聚丙烯中，當(dāng)纖維含量不同時(shí)增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能如表2所示?？梢钥闯?，隨著玻璃纖維含量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量均明顯提高。表2玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的拉伸性能Tab2Tensilepropertiesofglassfiberreinforcedpolypropylenecomposites玻璃纖維含量/%拉伸強(qiáng)度/Mpa拉伸模量/Gpa1036.12.452549.64.113056.84.86復(fù)合材料中，玻璃纖維在基體中形成三維空間交叉結(jié)構(gòu)，纖維與纖維之間有很多搭接點(diǎn)（如圖1所示），這種交叉結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)合材料的骨架。復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，這種骨架結(jié)構(gòu)能有效傳遞應(yīng)力，使較大的區(qū)域承受外力，提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量。圖1試樣斷面的SEM照片（玻璃纖維含量為25%）Fig1SEMfractographofGF/PPcomposite

彎曲性能連榮炳等人［8］制備的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的彎曲性能如圖2所示。從圖2可以看出，隨著GF用量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均呈上升趨勢(shì)。FuSY等人［9］的研究也得到相似的結(jié)果。這是因?yàn)楫?dāng)PP/GF復(fù)合材料受到彎曲時(shí)，PP樹脂會(huì)發(fā)生塑性屈服，因而GF承受的應(yīng)力要比PP樹脂大得多。這時(shí)，纖維周圍的樹脂就存在一個(gè)應(yīng)力變小的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中纖維要有一定程度的交迭，才能使其傳遞外力作用，提高材料的強(qiáng)度。因而PP復(fù)合材料的彎曲性能與GF含量有直接關(guān)系，即彎曲強(qiáng)度和彎曲模量會(huì)隨GF用量增加而提高［10］?！鲭姟鯤『■電■H『電I54525048464442403836￡5F一匸-_二-i.三一嚴(yán)-20 25 30 35 4QGFfflt/%圖2GF用量對(duì)PP復(fù)合材料彎曲性能的影響Fig2EffectofglassfibercontentonpropertyofPPcomposite沖擊強(qiáng)度KumarKS等人［11］制備的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度如圖3所示。從圖3可見，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著GF用量的增加是先增大后減小。這是因?yàn)镚F在復(fù)合材料中起骨架作用，能吸收主要的沖擊能量。當(dāng)GF用量較低時(shí)，隨著GF用量的增加，這個(gè)骨架越牢固，沖擊性能越好，且當(dāng)材料受到?jīng)_擊時(shí)，GF起能量傳遞作用，從而使復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度明顯提高。但當(dāng)GF用量繼續(xù)增加時(shí)，其沖擊性能反而降低，這可能是由于GF的用量過(guò)高，材料的流動(dòng)性變差，在成型中GF斷裂造成的，StadeKg、ChiuWYg、FisaB［14］等的

研究都得出同樣的結(jié)論。而且GF的用量進(jìn)一步增加后，GF之間的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致其平均長(zhǎng)度下降，降低了GF的增強(qiáng)效果［15］。同時(shí)GF用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致部分纖維得不到充分浸漬，基體與纖維界面結(jié)合性能變差［16］。從而導(dǎo)致復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度下降。圖3圖3GF用量對(duì)PP復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度的影響(E^r邑￡6ugw￡mu巴toloealu-PHIPONFig3EffectofglassfibercontentonnotchedimpactstrengthofPPcomposite玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料與ABS的力學(xué)性能比較綜上所述，GF對(duì)PP有增強(qiáng)作用，可在一定程度上提高PP的力學(xué)性能，但用量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能的破壞。將玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料與ABS的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3。表3GF/PP復(fù)合材料與ABS的力學(xué)性能對(duì)比Tab4ThemechanicalpropertiescomparisionofGF/PPcompositesandABS性能30%玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯ABS拉伸強(qiáng)度/Mpa55.142?62拉伸模量/Gpa6.22.3~3.0彎曲強(qiáng)度/Mpa72.369?92彎曲模量/Gpa4.52.1?3.1壓縮強(qiáng)度/Mpa48.272?88缺口沖擊強(qiáng)度/KJ/m262.860?220從表中可以看出，GF/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能與ABS相當(dāng)，但其成本相對(duì)ABS較低。因此，在一些領(lǐng)域，GF/PP復(fù)合材料可以替代ABS工程塑料作為結(jié)構(gòu)件使用。結(jié)論隨著復(fù)合材料中GF含量的增加，玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均呈上升的趨勢(shì)，而缺口沖擊強(qiáng)度隨GF含量的增加先上升后下降，當(dāng)GF含量為30%時(shí)，復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度最大。將30%玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的機(jī)械性能與ABS比較發(fā)現(xiàn)GF/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能與ABS相當(dāng)。參考文獻(xiàn)徐同考.塑料填充改性實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，2011.KopplmayrT,MilosavljevicI,AignerM,etal.Influenceoffiberorientationandlengthdistributionontherheologicalcharacterizationofglass-fiber-filledpolypropylene[J].PolymerTesting,2013,32(3):535-544.LiuY,DengCL,ZhaoJ,etal.Anefficientlyhalogen-freeflame-retardantlong-glass-fiber-reinforcedpolypropylenesystem[J].Polymerdegradationandstability,2011,96(3):363-370.ZhouSH,XuZY,LiuX,GaoY,DongQZ.Effectoftetradecylmethylacrylate-maleicanhydridecopolymeronthemechanicalpropertiesofglassmatreinforcedpolypropylenecomposites[J],Polymers&PolymerComposites.2005,13(4):403-413.張寧，李忠恒，陶宇，等．長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的研究[J]．塑料工業(yè)，2006，34(12):29－32．LiQ,ZhengG,DaiK,et-bhnsCTystallinitydevelopedfromthenovelringednucleiintheglassfiber/isotacticpolypropylenecomposite[J].MaterialsLetters,2011,65(14):2274-2277.ThomasonJL,VlugMA.Influenceoffibrelengthandconcentrationonthepropertiesofglassfibre-reinforcedpolypropylene:4.Impactproperties[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,1997,28(3):277-288.⑻連榮炳，徐名智，李強(qiáng)，等.玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料性能研究J].塑料科技,2008,36(8):40-44.FuSY,LaukeB,MaderE,etal.Tensilepropertiesofshort-glass-fiber-andshort-carbon-fiber-reinforcedpolypropylenecomposites[J].CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2000,31(10):1117-1125.TahaI,AbdinYF.Modelingofstrengthandstiffnessofshortrandomlyorientedglassfiber—polypropylenecomposites[J].JournalofCompositeMaterials,2011,45(17):1805-1821.KumarKS,BhatnagarN,GhoshAK.Developmentoflongglassfiberreinforcedpolypropylenecomposites:mechanicalandmorphologicalcharacteristics[J].Journalofreinforcedplasticsandcomposites,2007,26(3):239-249.StadeK.Techniquesforcompoundingglassfiber-reinforcedthermoplastics[J].PolymerEngineering&Science,1977,17(1):50-57.ChiuWY,ShyuGD.Thestudyondieswell,fiberlengthdistribution,andcrystallinityofPPcompositethroughextrusion[J].JournalofAppliedPolymerScience,1987,34(4):1493-1501.[14]Vu-KhanhT,FisaB.FactorsAffecti