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短玻纖含量對尼龍66復合材料性能的影響

文章出處:徐州騰飛工程塑料有限公司   發布時間:2017-07-31 09:53:00    點擊數:-   【

玻璃纖維增強尼龍66是一種新型的復合材料,它保持了尼龍66的材料的力學性能、耐化學藥品性、加工性能等固有優點,而且可以提高復合材料的彈性模量、剛度和熱變性溫度,降低了材料的線膨脹系數和成型收縮率,增強了制品的尺寸穩定性和耐水解性。但是,復合材料的性能與玻璃纖維的含量、長度和直徑具有密切的關系。

試驗表明,基體中短玻纖的含量越高,其增強效果越明顯。

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從表3-3中可以看出,隨著玻璃纖維質量份數的增加,PA66復合材料的拉伸強度、彎曲強度都有大幅度的提高。當玻纖質量份數達到60%時,拉伸強度和彎曲強度是純PA66的2倍多。

短玻纖含量對復合材料的沖擊性能的影響則較復雜,由圖3-5可知,短玻纖增強PA66復合材料的簡支梁缺口沖擊強度隨玻纖含量的增加先增加后降低,且增加比較緩慢。且當短玻纖含量達到一定值時,復合材料的缺口沖擊強度出現一最大值,用玻纖在樹脂中分散性對強度的影響理論解釋為:玻纖含量較低時,玻纖能完全均勻分散,以隨機取向的單絲存在,致使每根玻纖都能發揮其增強作用,且復合材料性能是各向同性,低玻纖含量時強度增加明顯與此理論相符;但當玻纖含量超過其飽和分散量時,就有一部分玻纖不能均勻分散,而使成束存在,成束的纖維好比是一根粗纖維,其強度遠低于單根細纖維,這樣,纖維的強度不但不能全部發揮,粗纖維還會作為雜質,進一步影響強度,這樣復合材料的強度提高就受到限制。

由此可見,玻纖增強PA66復合材料要獲得良好的耐沖擊性能,必須控制玻纖含量在一個合適的水平,使復合材料即獲得較高的缺口沖擊強度,同時又具有較高的拉伸強度、彎曲強度。

用復合材料的短纖維增強理論解釋為:樹脂、玻纖及玻纖和樹脂的兩相界面是復合材料的主要組成部分,其中樹脂漆橋梁作用,把零散的玻纖連接起來,玻纖是主要的承載者,界面起傳遞應力作用,而這種傳遞作用的強弱是由界面的粘結強度決定的。如果,界面強度足夠大,應力的傳遞效率很高,那么,復合材料的強度提高很大,但如果界面強度很弱,甚至低于樹脂的強度,那么,復合材料的強度還不如純樹脂的強度。

纖維的增強機理如圖3-5所示,這里主要討論短纖維單向增強塑料軸向拉伸的情況。增強塑料在受力前,纖維和基體中沒有應變。如圖3-5(1)顯示當對基體外加拉伸載荷時,在絲的兩端有高的應力集中,并且在絲主要長度范圍內的橢圓形區域有比平均應力小的現象,使通過減小基體中的平均應力而增強了基體。如圖3-5(2)當基體受縱向拉伸時,基體表面受到外載荷的作用使基體變形。由于基體和纖維彈性模量不同,一般纖維>基體,且纖維與基體又是牢固的粘合在一起,所以基體的變形受到纖維的約束(纖維就是通過抑制它所影響的區域內的變形從而增大剛度),并且在界面處產生沿纖維軸向的剪切力?;w施加到纖維上的界面剪切力使纖維產生縱向拉伸變形,從而使纖維產生拉伸應力。外載荷就是這樣從基體傳到纖維上來,并由纖維和基體共同承擔。

因為纖維的強度和模量都比基體大的多,所以纖維的引入既是提高了材料的彈性模量,又增加了材料的強度。也就是說短玻纖在塑料中起到了增強作用。圖3-5(3)顯示使用很多纖維絲時,影響區域的搭接效應使負荷和應力均勻分布在短纖維之間,實際上,由于多數纖維絲的搭接效應,消除了基體中纖維端部的應力集中。

用偶聯劑的作用機理解釋為:偶聯劑的兩個官能團與尼龍66和玻纖表面的作用力的強弱,直接決定著界面強度,進而決定著復合材料的性能。本實驗復合材料強度比純樹脂有明顯提高,說明已有一定的界面強度,進而也說明玻纖表面所用偶聯劑效果不錯,但要使強度繼續增加,就必須進一步提高界面強度,選用更合適的偶聯劑。

界面的完整性理論認為:一般情況下,復合材料受到外加載荷時,產生的應力在復合材料中的分布是不均勻的,在界面的某些結合較強的部位,常會集中比平均應力高許多的應力。界面的不完整性和缺陷也會引起界面的應力集中,界面的應力集中首先會引起應力集中點的破壞,形成新裂紋,并引起新的應力集中,從而使界面傳遞應力的能力下降。因此,在復合材料成型過程中,應盡量在增強材料與基體之間形成均勻、完整的界面。有人基于此理論通過加入成膜劑很好的改善了界面完整性,提高了界面強度,收到很好的效果。本實驗中,隨玻纖含量的增加,界面的完整性受到一定的影響,進而影響到復合材料的強度,與理論相符。

表3-4表明隨著玻璃纖維含量的增加,復合材料的熱變形溫度明顯的增加。表征集集合物基體耐熱性的物理量時玻璃化溫度,玻璃纖維的加入改變了尼龍66樹脂中的分子間的作用力,在界面層由于玻璃纖維和尼龍66樹脂中的分子間作用力的存在,使聚合物大分子鏈段運動受到阻礙,因而材料的玻璃化溫度提高,從而宏觀上表現為熱變形溫度提高。

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