亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的冲击性能.pdf

《亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的冲击性能.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的冲击性能.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第2 8 卷第3 期 2 0 0 7 年3 月 纺织学报 J o I l 兀l a lo f7 r e x m eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 3 M a r 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 3 0 0 3 8 0 4 亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的冲击性能 刘丽妍，黄故，王瑞 ( 天津工业大学纺织学院，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要以亚麻纤维为增强体，与聚丙烯( P P ) 树脂长丝进行丝柬级混合，形成P P 包覆亚麻的纱线结构，利用机织 工艺织成二维机织布，作为复合材料的预制件。采用层合热压的方法制备亚麻

2、，P P 复合材料薄板。通过对板材冲 击性能的测试以及破坏形貌的分析，研究了亚麻P P 薄板的冲击破坏机制以及影响板材冲击性能的因素。结果表 明：斜纹组织板材的冲击性能优于相同制备工艺的平纹组织板材；树脂、纤维、铺层数、冲击速度等因素对板材的冲 击性能均有影响。 关键词亚麻纤维；聚丙烯；复合材料薄板；冲击性能 中图分类号：1 8 3 3 2文献标识码：A I l l l p a c tr e s i s t a n c eo fn a xr e i l l 】F o r c e dp o l y p r o 哩脚e n el a l l l i n a t e s L I UL i y a n

3、 ，H U A N GG u ，W A N GR u i ( s c b o Z 旷溉，狮P 嘶础n 站觇船毋，咖3 0 0 1 6 0 ，醌姚) A b s t r a c tn a ) 【f i b e rw a su s e da st h er e i n f o r c i n gm a t e r i a lt oc o m m i n 出e 稍t hp 0 1 y p r o p y l e n e ( P P ) f i l a I n e n t s ， p m d u c i n gac o r e - s p u ny 踟埘t ht l l en a ) 【a sc o

4、r ea n dP P6 l a m e n ta so u t e rs h e a t h T h ec o m I I l i n d e dy 锄sw e r e w o V e ni n t o2 - Df a b d cw h j c hw a su s e da st h e p 玎e f a b 而e a t e d瑚b 痢a 1 B yh o t p I e s s i n gt e c h n o l o g y t h e p r e f a b r i c a t e dm a t e 矗a lw a ss h 印e di n t ol a m i n a t e s

5、T h ef h c t u r em e c h a n i s m sa n dt h ef a c t o r sa f k c t i n gt h ei m p a c t r e s i s t a n c eo ft h e1 a m i n a t e sw e r es t u d i e dt h r o u g ha n a l y z i n gt 1 1 et e s tr e s u l t sa n df r a c t u r ep h o t o g r a p h s I ts h o w e d t h a tt h ei m p a c tr e s i

6、 s t a n c eo ft h e1 a I I l i n a t e sw i t ht w i l lw e a V ei sp r i o rt ot h a t w i t hp l a i nw e a v em a d eb yt h es a m e t e c h n o l o g i c a lp a m m e t e r s A tt h es a m et i l e ，t h er e s i n ， r e i n f o r c i n gf l b e r ， t h en u m b e r “l a y e r sa n di m p a c t

7、v e l o c i t ya 1 1e x e r te f 玷c t so nt h ei m p a c tr e s i s t a n c e K e yw o r d sn a ) ( f i b e r ；p o l y p m p y l e n e ；1 a I I l i n a t e s ；i m p a c tp r o p e n y 在提倡生态环保的大背景下，人们致力于谋求 人与环境的和谐共存。复合材料的环保问题自然 引起了人们的重视。麻、竹、秸秆、椰壳等作为增强 材料，以其质轻、价廉、可再生和可生物降解等特点， 充分体现了环境友好性和人类亲和性心。1 ，从而倍

8、 受国内外研究人员的青睐。 本文选取密度较小、纤维连续长度较长、力学性 能较优的亚麻纤维作为复合材料的增强体，利用其 可纺性与聚丙烯( P P ) 长丝进行丝束级共混，通过机 织的方法加工复合材料预制件，制备亚麻，P P 复合 材料薄板，并对板材的冲击性能进行测试与分析，以 探讨其冲击破坏机制及影响板材冲击性能的因素。 1 试验部分 1 1 原料 亚麻纱线，6 6 7t e x ，半漂，黑龙江佳木斯佳鹏亚 麻有限责任公司；P P 长丝，1 2 5t e x ，北京涤纶实 验厂。 1 2 设备与仪器 花式捻线机，O N l 0 0 0 3 0 ，日本O z E K IN O B O R u 有限

9、公司；I N s T R O N 材料试验机，D y n a t u p9 2 5 0 H v ， 美国I N s T R O N 公司；电脑织样机，z s w 0 3 ，天津工业 大学自行研制；热压机，Y T D 7 l 一4 5 A ，天津市锻压机 收稿日期：2 0 0 5 1 1 一O l修回日期：2 0 0 6 一0 2 0 2 作者简介：刘丽妍( 1 9 7 8 一) ，女，讲师，博士。主要研究领域为纺织复合材料的研究与开发。E m a i l ：l i u l i y a I l 2 0 0 l s i n a c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover

10、DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期潮磊妍等：迸麻增强聚丙烯复合橱糕薄板的；孛壹性熊 3 9 床厂。 1 3 亚麻，P P 层合板材的制备 1 3 1 包覆纱线的翩备 采用包覆法( 啪p p i n g ) 将亚麻纱线和P P 长丝混 合。即在花式捻线机上让业麻纱线通过空心锭子， 保持不魏捻的状态，羚长丝缘匀她以一定捻度缠绕 在皿麻纱线表麟。包覆工艺原理及过程详见参考文 献 6 7 】。裁餐亚麻纤维体积分数分别为霹5 、 5 0 和6 0 的3 种混合纱线。 l 。3 2 纛维杌织布的织遣 用皿麻

11、纤维体积分数分别为4 5 、5 0 和6 0 的3 种监麻P P 包覆纱线，织得经密为1 3 5 根， l Oe m ，纬密为l 根，l Oc m ，纬缭为4 ，峨宽为 2 8c m 的平纹织物。 嚣时采蔫照麻绎维体积分数隽5 0 酶亚麻，糟 包覆纱线，在经密为1 6 7 根l Oc m ，纬密分别为7 0 、 8 5 、l o o 根，l oc m ，其它工艺不变的条件下织造平纹 布；在经密和其它工艺不变，纬密为1 0 0 根l Oc m 的 条件下织造2 ，2 和3 ，l 组织的斜纹布。 l 。3 3 鼷金板的制餐 将织得的机织布裁成尺寸为2 8e mx2 3c m 的样 片，铸层数分别为

12、5 朦、l O 层，镰层时各层经纬方趣 一致，在热压机上进行热压。热压工艺：室温下放层 合视织布子平板模中，零压时舞灏至l ，加疰至 5M P a ，升温至1 6 0 ，再加压至1 0M P a ，保温1 5m i n ， 然詹升溢至1 9 5 后船压至1 5M 糯，保漩2 0 赫n ，保 压降至室温。脱模后进行板材修整并按标准裁制试 样，得到厚度分别为0 8 6 、1 7 5m m 的5 层、1 0 层 扳材。 一 1 4 冲击性能测试 试验采用A S 秘转3 7 6 3 标准，在蛰y n a 嘲) 9 2 5 珏V 型材料冲击试验机上，对不同的皿麻P P 板材进行 平头冲击测试。试样尺寸为

13、9 0m m 9 0m m ，夹持在 中阅开圆孔的两钢板之间。冲头形状为长方形，冲 头与板平面垂直哺。，冲击物的质量固定为 5 8 1 27 妇。为使试验具有可比性，控制基本洚击速 度为2 5m s 。每种工艺板材均测试5 次取平均值。 2 结果与讨论 2 。l 不嗣密度与组织的板材冲击性能 由于冲头形状为长方形，为比较复合材料层合 板的经、纬囱差异，使冲头鹩长边分裹平行予织物经 向和纬向进行冲击试验。纤维体积分数为5 0 的 不同缝织与密爱的5 瑟层合板材；孛击性麓测试结聚 见表1 。 表l纤缭体积余数受鞠麓缀糖摔拳试验黧莱 T a b 1 胂c tr e s l l l 招0 f I 锄l

14、 i n 魏t e sw i t I 重鲫a 舣 翕b e rv o l H m ef a c t 毒o n 注：经向+ 即为冲头的长边平行于织物经纱纛向；纬向为冲* 的长边乎褥于织物纬纱走向；试榉平纹l 、平纹2 、乎纹3 的经密姻 弼，纬密分射为7 0 、8 5 、l o o 根，l O 。 从裘l 可敬看恕，程圈工艺板材的经、纬淘；孛击 性能差异不是很明显。对于3 种平纹织物，最大冲 击载荷及髓量相差不大。隧着纬密的增加，一方嚣 由于纤维数量的增加，会提高板材的承载能力；另一 方面会使经纬纱线交织频率加大，屈懿程度提高从 磷减弱纤维的承载熊力，二者共同作用的结果造成 板材性能变化不大。2

15、 种斜纹织物的板材冲击载荷 瞵显高予平纹织物，在最大冲击载荷处的位移以及 能量值均有一定幅度的增加。遮说明斜纹组织板材 麓韧性稿对较好，撬冲击麓力较强。 图1 分别为平纹3 试样在经、纬向的冲击载荷 位移魏线，萁他工艺的板榜睦线与其类似。出于冲 击力作朋在试样上并与试样有棚互作用力，在载荷 位移信号的叠加过程会产生振荡旧，形成图中的曲 线形式。可看出，在达到最大载旖之前塑性变形的 范围很小，基本属于弹性变形的范畴，曲线呈线性增 鸯羹，此詹孳| 离初始破坏。越线达到最大载蓊之后急 剧下降并产生不稳定裂纹扩展，最终造成基体分裂， 纤维拔蹬、分离和鳜裘。对于初始麓量( 表l 中所刭 的最大载荷处的能

16、量) 的吸收机制，包括材料的压 缩、弯曲、内耗和裂缝引发的能量，裂缝增长阶段和 最终阶段的能量是榉品已经发生破裂之后吸收的， 因而又被称为伪能量吸收。在图l ( a ) 中，产生不稳 定裂纹扩展磊出现2 次波峰，毒芟甓在裂纹扩震过程 中，基体开裂后增强纤维起到阻止裂纹扩展的作用。 2 2 檄材抗冲击性能的影晌因素 2 2 1 树脂篡体 树脂基体对复合材料的抗碰撞性能有一定影 响，但树脂基体破坏吸收的毙量穗对予分层、纤维破 坏所吸收的能量仍然较小【10 | ，特别在冲击能量较低 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWate

17、rmarkR to remove the watermark 4 0 纺织学报第2 8 卷 堇 柱 酃 位移m m f a ) 经向 图1平纹3 试样的冲击载荷一位移曲线 F j g 1 C u n r eo fi m p a c tl o a d d e n e c t i o ni n w a r p ( a ) a n dw e f t ( b ) d i I c t i o no fp l a i nl 舢i n a t e 时，树脂基体的韧性对复合材料的吸收能量作用 很小。 2 2 2 纤维增强体 增强纤维是影响复合材料抗碰撞性能的主要因 素。在冲击能量小于初始破坏的阈值时，纤维损伤

18、 小，主要存储应变能。复合材料本身吸收能量主要 是分层吸收能量和树脂基体损伤吸收能量，纤维的 作用主要是提供较高的刚性，增大复合材料的形变 范围；在冲击能量较高时，纤维剪出和拉伸断裂是复 合材料进一步吸收能量的主要因素，纤维对复合材 料吸收碰撞能量有明显作用。 表2 是不同亚麻纤维体积含量的1 0 层层合板 材纬向冲击试验结果。从中不难看出，载荷峰值随 着亚麻纤维体积分数的增加而增加，在最大载荷处 吸收的能量值也随之增加；同时由于材料弹性性能 的提高，使得达到最大冲击载荷之前的位移相应 增大。 表2 不同亚麻纤维体积含量的板材冲击试验结果 T a b 2 I m p a c tr e 妯t s

19、o f l a l l l i m t e sw i t h d i f f e r e n tn a xn b e rv O l 砌ef t a c t i o n 2 2 3 织物组织 从表1 冲击试验结果可以看出，斜纹组织与平 纹组织板材抗冲击性能有明显的差别。织物结构中 纱线间的交织点越少，纱线伸直性相对越好，承载能 力越强。 2 2 4 铺层数 铺层数增加，板材的抗碰撞性能提高。在冲击 能量不超过初始破坏能量阈值时，层数的增加，复合 材料可能产生分层的层数增加；在冲击能量较高时， 层数的增加，意味着板材参与受力纤维的数量增加， 使最终的能量极限增加。表2 与表1 中亚麻纤维体 积分数

20、均为5 0 的平纹织物板材，1 0 层的冲击载荷 要明显高于5 层的。 2 2 5冲击速度 复合材料的抗冲击性能对冲击速度很敏感，在 不同的冲击速度下，其抗冲击能力是不一样的。这 是因为纤维的应变率效应1 I ，冲击速度提高，纤维 的应变速率提高，断裂强度提高，抗碰撞的能力提 高。但在冲击速度范围较小的情况下，其影响较小。 在低速冲击( 2 8m s ) 的速度范围内，对亚麻纤维 体积分数为6 0 ，制作工艺相同的1 0 层层合板材， 改变冲击速度，分别进行试验，结果见表3 。从中可 以看出，随着冲击速度的增加，最大冲击载荷以及能 量值均增加。 表3 不同冲击速度下板材冲击试验结果 T a b

21、 3h I l p a c tr e s l l l bo fl a I I l i 岫t e sa td 甜f e r e n ti m p a c tv e l o c i t y 2 2 6 界面 界面强度是影响复合材料冲击性能的重要因 素，它对复合材料的破坏模式有显著影响。在某层 剪切强度的极限值以上，纤维破坏为主要破坏模式， 在极限值以下，分层是主要破坏模式，在本文试验中 均以纤维破坏为主。 2 3 冲击损伤形貌 图2 为冲击断口的s E M 照片，图3 为不同冲击 速度下的破坏面积。 由于所测板材厚度较小，在本文冲击测试条件 下，复合材料的冲击损伤主要为板材的穿透性破坏， 形成永久

22、变形。冲击面产生凹陷并形成以冲头形状 为起始的孔洞，在孔洞周边有向四周扩散的裂纹。 6 5 4 3 2 1 0 O O O 0 0 O O 蚤撂獬 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第3 期刘丽妍等：亚麻增强聚丙烯复合材料薄板的冲击性能 4 1 f a l 6 0 f b ) 2 5 0 图2冲击断口S E M 形貌照片 F i g 2 S E Mm i c r o g r a p h so fi m p a c tf r a c t u I es

23、u d a c e 图3不同冲击速度下的破坏面积 F i g 3P h o t o g r a p h so ff r a c t u r ea r e aa td i f f b r e n ti m p a c tV e l o c i t y 在冲击损伤的初期，树脂基体受压破裂；树脂破 裂造成应力集中，分层起始于树脂破裂的临界点；随 着分层的增加会产生大量的微观破裂；复合材料板 材的变形量增大，部分纤维受剪切作用，从树脂基体 中脱出；当复合材料的变形量超过纤维的拉伸断裂 极限，纤维出现断裂。 分层、纤维剪出、纤维拉伸断裂是冲击破坏的主 要形式，并且随冲击能量的增加按顺序发生。随着 冲击速

24、度的增加，板材的破坏面积也随之增加。 3结论 1 ) 对于亚麻纤维体积分数为5 0 的相同制备 工艺参数的板材，各平纹织物板材冲击性能相差不 大；斜纹织物板材冲击性能优于平纹织物。 2 ) 板材冲击性能随着亚麻纤维体积分数、铺层 数、冲击速度的增加而增加。鞠 参考文献： 1 前川善一郎纤维在复合材料中的应用 J 纤维复 合材料，2 0 0 l ，1 8 ( 1 ) ：5 1 5 6 2 姚穆，周锦芳，黄淑珍，等纺织材料学 M 北京：纺 织工业出版社，1 9 8 8 ：6 4 6 6 3 B o sHL ，V a nD e n0 e v e rMJA ，P e t e r sA T 00cJJ

25、r e n s i l ea n dc o m p r e s s i v ep m p e n i e so f a x6 b e r sf o rn a t u r a l f i b e rr e i n f b r c e dc o m p o s i t e slJj J o u m a l o f M a t e r i a l s S c i e n c e 2 0 0 2 ( 3 7 ) ：1 6 8 3 1 6 9 2 4 s p r i n g e rGs E n v i m n m e n t a lE 雎c t so n c o m p o s i t e M a t

26、e r i a l s M w e s t p o r t ， C T ：T e c h n o m i cP u b l i s h i n gC o ， 1 9 8 1 ：7 5 7 6 5 H o m s b yPR ，H i n r i c h s e nE ，T a r v e r d iK P r e p a r a t i o na n d p r o p e r t i e so fp o l y p m p y l e n ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e dw i t hw h e a t a n dn a xs t m w6 b

27、e r s J M a t e rs c i ，1 9 9 7 ( 2 ) ：4 4 3 4 4 9 6 s h i s h o oR E 色c to fp m c e s s i n gp a r a m e t e r so nc o n s o l i d a t i o n q u a l i t yo fG F P Pc o m m i n g l e dy a mb a s e dc o m p o s i t e s J J o u r n a lo fT h e 瑚0 p l a s t i cC o m p o s i t eM a t e r i a l s ，2 0 0

28、0 ( 7 ) ： 2 9 2 3 1 3 7 刘丽妍，黄故制备工艺对亚麻增强聚丙烯复合材料 拉伸性能的影响 J 工程塑料应用，2 0 0 5 ，3 3 ( 1 0 ) ：2 4 2 7 8 程小全，张子龙，吴学仁小尺寸试件层合板低速冲 击后的剩余压缩强度 J 复合材料学报，2 0 0 2 ，1 9 ( 6 ) ：8 1 2 9 唐振廷，刘培英，张钰彦冲机试验的新发展 J 物 理测试，2 0 0 3 ( 6 ) ：1 3 1 0 蒋海滨，魏伯荣，李名琦薄层芳纶复合材料( 内衬吸 能垫) 的平头冲击性能研究 J 纤维复合材料，2 0 0 0 ( 4 ) ：2 9 3 2 1 1 J a n gBz ，c h e nLc T h er e s p o n eo f6 b r o u sc o r n p o s i t e st o i m p a c tl o a d i n g J P 0 l y m e rc o m p o s i t e ，1 9 9 0 ，1 1 ( 3 ) ：1 4 4 一1 5 7 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark