聚合物共混與改性第八章 聚合物填充劑增強改性2.ppt

1、第八章 聚合物的填充與增強改性（2）,纖維增強改性聚合物,一、增強改性的定義：,增強改性往往是通過使用玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維以及云母、硅灰石等具有較大長徑比或徑厚比的填料，這些填料加入到塑料中后對材料的力學性能和耐熱性能有顯著貢獻，這種改性方法稱之為增強改性。,第一節(jié) 纖維增強改性聚合物的基本原理,二、增強改性的目的及其類型,1.增強改性目的,在聚合物基體中加入增強材料改進聚合物性能。,2.增強材料的定義,在復合材料中，粘結(jié)在基體內(nèi)以改進其機械性能的高強度材料稱為增強材料。增強材料有時也稱作增強體、增強劑等。,（1）按基體材料劃分,纖維增強塑料（樹脂基） 纖維增強彈性體（橡膠基）,FRP：

2、酚醛樹脂；環(huán)氧樹脂；不飽和聚酯樹脂 FRTP：PA66；PA6；聚丙烯；聚乙烯；聚苯乙烯,3.纖維增強聚合物基復合材料的類型,基體材料，增強材料，復合方式,（3）按復合方式劃分,預混復合；浸漬復合；層疊混合；骨架復合,按纖維的排列：單向、雙向和三向； 按纖維的形態(tài)：長纖維、短纖維和磨碎纖維； 按纖維的種類：玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維等。,（2）按增強材料劃分,4.纖維增強聚合物復合材料的基本特征,（1）比強度和比模量高,比強度：指材料的強度與材料相對密度之比 比模量：指材料的模量與材料的相對密度之比,（2）抗疲勞性提高,聚合物基復合材料中的纖維與基體的界面能阻止裂紋擴展，使得材料抗疲勞性能優(yōu)于

3、金屬,（3）耐熱性高 PA6,（5）線膨脹系數(shù)小,（4）抗震性好, 聚合物基體的黏彈性 纖維與基體的界面具有吸振能力,三、增強纖維,用途：提高聚合物的強度，模量和硬度,無機纖維、有機纖維和天然纖維,纖維在復合材料中起增強作用，是主要承力組分。 纖維不僅能使材料顯示出較高的抗張強度和剛度，而且能減少收縮，提高熱變形溫度和低溫沖擊強度等。 復合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。 如聚苯乙烯塑料，加入玻璃纖維后，拉伸強度可從600 MPa提高到1000 MPa，彈性模量可從3000 MPa提高到8000 MPa，其熱變形溫度可從85提高到105 ，使-40 以下的沖擊強度可提高

4、10倍。,1.無機纖維,（1）玻璃纖維,優(yōu)點：拉伸強度高、柔性好。 玻璃纖維的抗拉強度比普通玻璃高幾十倍，而且直徑越小，抗拉強度越高。 缺點：耐堿性差，彈性模量不足 有堿玻璃纖維的耐水性很差，這是因為含堿硅酸鹽在水或空氣中的水分作用下，容易發(fā)生水解之故。,（2）陶瓷纖維（碳化硅纖維）,組成：以碳和硅為組成的多晶陶瓷纖維,燒結(jié)法和氣相法,（3）硼纖維,特點：輕質(zhì)高強 缺點：價格高，可彎性不良,用硼鋁復合材料制成的航天飛機主艙框架強度高、剛性好，代替鋁合金骨架節(jié)省重量44，取得了十分顯著的效果，也有力地促進了硼纖維金屬基復合材料的發(fā)展。,1959年美國TELLY首先發(fā)表了用化學氣相沉積法制造高性能

5、硼纖維的論文，并受到了美國空軍材料實驗室的高度重視，積極推進硼纖維及其復合材料的研制。美國AVCO、TEXFROU公司是硼纖維的主要生產(chǎn)廠家。,2.有機聚合物纖維,（1）碳纖維,按原料:聚丙烯腈，瀝青系，粘膠系碳纖維 按性能：高強度，高模，普通碳纖維,按碳化溫度：碳纖維，石墨纖維,圖6-2 碳纖維制備過程,優(yōu)點：高模量；低密度；優(yōu)異的導熱和導電性能、較低的蠕變 性能；耐化學腐蝕性與耐磨性 缺點：斷裂伸長率低，脆性大,（2）納米碳纖維,制備方法：基體法；噴淋法和流動催化法,優(yōu)異的力學、電學和熱學性能,介于碳納米管和普通纖維之間,三種類型的碳納米管,單臂,鋸齒,手性,（3）超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖

6、維,凝膠紡絲工藝流程制備,聚乙烯纖維作為目前國際上最新的一種有機纖維，它具有以下四個特點： 超輕、高比強度、高比模量、成本較低。,通常情況下，聚乙烯纖維的分子量大于106，纖維的拉伸強度為3.5 GPa，彈性模量為116 GPa，延伸率為3.4%，密度為0.97 g / cm 3?？捎糜谥谱鑫淦餮b甲、防彈背心、航天航空部件等。,相比于其它各種纖維材料，聚乙烯纖維具有許多種優(yōu)點。 如：高比強度、高比模量以及耐沖擊、耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐紫外線、耐低溫、電絕緣等。,聚乙烯纖維的不足之處： (1)熔點較低（約135） (2)高溫容易蠕變。 因此僅能在100以下使用。,芳綸纖維是指日前巳工業(yè)化生產(chǎn)并

7、廣泛應用的聚芳酰胺纖維。 國外商品牌號叫凱芙拉(Kevlar)纖維，我國暫命名為芳綸纖維，有時也稱有機纖維。 優(yōu)點 ：力學性能高、耐熱性能好和耐化學腐蝕性好,（4）芳綸纖維,目前，芳綸纖維的總產(chǎn)量43用于輪胎的簾子線(芳綸-29)，31用于復合材料，17.5用于繩索類和防彈衣，8.5用于其他。,以樹脂作為基體，芳綸纖維作為增強相所形成的增強塑料，簡稱KFRP，它在航空航天方面的應用，僅次于碳纖維，成為必不可少的材料。,木粉、木屑、稻殼、杏殼、花生殼、核桃殼、椰子殼、棉、羊毛、蠶絲等等,3.天然纖維,四.增強材料的表面處理,1.無機纖維的表面處理,（1）玻璃纖維表面的偶聯(lián)劑處理,硅烷偶聯(lián)劑處理：

8、硅烷偶聯(lián)劑的水解產(chǎn)物通過氫鍵和玻璃纖 維表面作用，在玻璃纖維表面形成具有一定結(jié)構(gòu)的膜。 在加熱的情況下，吸附于玻璃纖維表面的偶聯(lián)劑與玻璃纖維 表面的羥基發(fā)生縮合，形成牢固的化學鍵。,偶聯(lián)劑和其他助劑協(xié)同表面處理,含氨基的偶聯(lián)劑,2.有機聚合物纖維的表面處理,（1）碳纖維表面處理,碳纖維表面惰性大，表面能低，缺乏有化學活性的官能團， 反應活性低，與基體的黏結(jié)性低。,氧化處理：主要包括氣相氧化法，液相氧化法和電化學氧 化法 主要目的是使纖維表面帶上氧的極性基團，從而改善碳纖維 與基體黏合，以提高復合材料的性能。,表面涂層處理：主要的方法有氣相沉淀法，表面電聚合， 偶聯(lián)劑涂層，聚合物涂層，表面生成晶

9、須法等。 在碳纖維表面通過各種方法涂覆一層雙親性物質(zhì)，使聚合物 基體與纖維之間按形成橋架，從而達到提高復合材料性能作 用。,等離子體處理：,射線輻射法,圖6-5 碳纖維在硝酸中的氧化,（2）超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維表面處理,處理方法：化學接枝法，涂層法和等離子體處理,物理處理法和化學處理法,3.天然纖維的表面處理,表5-8 化學處理方法,短纖維增強熱塑性聚合物復合材料,短纖維增強熱塑性復合材料最早出現(xiàn)于1951年，但是直到20世紀60年代中期螺桿注塑機被廣泛使用后，短纖維復合材料才得以批量生產(chǎn)。 短纖維增強熱塑性塑料與作為基體的熱塑性塑料相比，具有明顯的性能優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：(1)沿纖維取向

10、方向的強度、比強度有顯著提高；(2)高溫下強度高；(3)抗蠕變性能顯著提高；(4)耐特殊環(huán)境如高溫、紫外光等性能顯著提高；(5)抗沖擊性及抗熱沖擊性好；(6)耐疲勞性改善。 與熱固性增強塑料相比又具有易加工，可進行一體化制品設計及便于回收利用等。,短纖維增強聚合物基復合材料的增強機理,應力傳遞理論,單根纖維埋入基體模型受力前后變形示意圖 (a)受力前 b)受力后,復合材料受到平行于纖維方向上的拉力時，由于纖維的彈性模量一般大于基體的彈性模量，基體應變將會大于纖維應變但因基體與纖維是緊密結(jié)合在一起的，纖維將限制基體過大的變形，于是在基體與纖維之間的界面部分便產(chǎn)生了剪應力和剪應變，并將所承受的載荷

11、合理分配到纖維和基體這兩種組分上。纖維通過界面沿纖維軸向的剪應力傳遞載荷，會受到比基體中更大的應力，這就是纖維能增強基體的原因。,剪切滯后理論,能夠達到最大纖維應力(即纖維的強度極限 )的最小長度稱為臨界長度Lc。它與施加應力的大小無關。 ，df為纖維直徑 ，s是基體剪切屈服應力。 臨界纖維長度(Lc)是載荷傳遞長度的最大值，是短纖維增強復合材料的一個重要參數(shù)，它將影響復合材料的力學性能。 當LLc時，由于一般情況下 ，纖維比基體先破壞，纖維能充分發(fā)揮增強效果。所以短纖維復合材料中纖維長度L應大于Lc，同時基體延伸率 也應大于 ，以利于短纖維在復合材料中充分承載。從理論上講，當LLc時，增大纖

12、維與基體間的剪切應力會降低臨界長徑比，但復合材料的斷裂模式仍為纖維斷裂，復合材料的強度應變化不大。,短纖維增強聚合物基復合材料的制備工藝,填充型增強 首先由短切纖維與熱塑性聚合物樹脂及添加劑利用捏合機混合均勻，然后通過開煉機，密煉機或螺桿擠出機混煉造粒而得。 優(yōu)點：可以利用連續(xù)纖維生產(chǎn)中的邊角余料。 缺點： 1、聚合物熔融之前與短纖維的混合過程中對纖維施加了過大的機械剪切與摩擦作用，導致短纖維部分斷裂，使纖維的長度分布變寬。 2、尤其重要的是，相對脆性的纖維表面在機械摩擦的作用下產(chǎn)生裂紋，從而使得纖維的強度下降，增強效應減弱。 3、裸露的纖維對混合設備的巨大磨損也是這種制備工藝的重要缺點。,短

13、纖維增強熱塑性復合材料的包復型增強法,包復型增強,優(yōu)點：對設備的磨損小，短纖維的長度可以隨意控制。 缺點：生產(chǎn)效率較低，短纖維在聚合物中達不到充分浸透及均勻分散，對增強效率有一定的影響。同時，要達到較好的增強作用，短纖維的長度一般達到2-3，這對熱塑性聚合物的成型加工性能有一定的影響，并導致由此成型的熱塑性復合材料制品表面纖維外露，從而影響制品外觀。,雙螺桿剪切混煉法制備短纖維增強聚合物復合材料工藝流程,雙螺桿剪切混煉法,與傳統(tǒng)材料(如金屬、木材、水泥等)相比，復合材料是一種新型材料。它具有許多優(yōu)良的性能，并且其成本在逐漸地下降，成型工藝的機械化、白動化程度也在不斷地提高。因此，復合材料的應用

14、領域日益廣泛。,復合材料的應用,氮化硅結(jié)構(gòu)陶瓷被用作航天飛機的防熱瓦,硼纖維金屬基復合材料制成的火箭履軸的管道輸送部件,美國B-2隱形轟炸機表面為具有良好吸波性能的碳纖維復合材料,由光導纖維構(gòu)成的光纜,先進橡膠輪胎使汽車成為交通主宰,賽車上使用的特殊輪胎,人工合成的金剛石,高分子分離膜已被用來制造高效家庭凈水器,人工腎臟,生物陶瓷人造關節(jié),可調(diào)節(jié)的太陽鏡,耐高溫纖維制成的消防人員的服裝,(1)在航空、航天方面的應用 由于復合材料的輕質(zhì)高強持性，使其在航空航天領域得到廣泛的應用。在航空方面，主要用作戰(zhàn)斗機的機冀蒙皮、機身、垂尾、副翼、水平尾冀、雷達罩、側(cè)壁板、隔框、翼肋和加強筋等主承力構(gòu)件。,(

15、2)在交通運輸方面的應用 由復合材料制成的汽車質(zhì)量減輕，在相同條件下的耗油量只有鋼制汽車的14，而且在受到撞擊時復合材料能大幅度吸收沖擊能量，保護人員的安全。,用復合材料制造的汽車部件較多，如車體、駕駛室、擋泥板、保險杠、引擎罩、儀表盤、驅(qū)動軸、板黃等。 隨著列車速度的不斷提高，火車部件用復合材料來制造是最好的選擇。復合材料常被用于制造高速列車的車箱外殼、內(nèi)裝飾材料、整體衛(wèi)生間、車門窗、水箱等。,(3)在化學工業(yè)方面的應用 在化學工業(yè)方面，復合材料主要被用于制造防腐蝕制品。聚合物基復合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。例如，在酸性介質(zhì)中，聚合物基復合材料的耐腐蝕性能比不銹鋼優(yōu)異得多。,(4)在電氣工業(yè)方面的應用 聚合物基復合材料是一種優(yōu)異的電絕緣材料，被廣泛地用于電機、電工器材的制造，如絕緣板、絕緣管、印刷線路板、電機護環(huán)、槽楔、高壓絕緣子、帶電操作工具等。,(5)在建筑工業(yè)方面的應用 玻璃纖維增強的聚合物基復合材料(玻璃鋼)具有力學性能優(yōu)異，隔熱、隔聲性