長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（LFRTP）相對于短纖維增強(qiáng)的熱塑性樹脂基復(fù)合材料其最大的特點(diǎn)是具有高的剛度和更好的韌性, 可重復(fù)加工和再生利用,因此被稱為世紀(jì)綠色材料, 符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。制造長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料視其材料用途可選用玻璃纖維、碳纖維、合成纖維、麻纖維等,其關(guān)鍵在于纖維能否在樹脂中獲得良好的浸漬。目前常用的熔融浸漬方法是通過擠出機(jī)將高粘度聚合物熔融再與玻纖混合擠出造粒, 因?yàn)槿垠w粘度高而不易達(dá)到良好的浸漬效果, 且擠出機(jī)螺桿的剪切作用將會對玻纖造成損傷和切斷變短, 從而降低復(fù)合材料的性能。

       本工作采用一種新的方法制備長玻璃纖維增強(qiáng)PET復(fù)合材料, 并研究了采用該工藝方法制取的長玻璃纖維增強(qiáng)PET復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1·1 長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料的制備

       以精對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）為原料, 制備熔體, 同長玻纖一起引入自制的浸漬裝置, 料條經(jīng)水冷后切成希望長度的粒料, 經(jīng)特殊熱處理后制取要求特性粘度的復(fù)合粒料。

1·2長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料的注塑樣條制備

      將熱處理好的粒料按照下述條件進(jìn)行注塑, 制取樣條用于性能測試表征。

表1 長纖增強(qiáng)PET切片的注塑成型工藝

2 結(jié)果與討論

2·1熱處理?xiàng)l件對復(fù)合材料特性粘度的影響

2·1·1熱處理溫度對特性粘度的影響

        溫度是熱處理過程中需要控制的重要因素之一。隨著溫度的提高, 預(yù)浸粒料特性粘度增大。當(dāng)溫度低于200℃時(shí), 縮聚反應(yīng)速度增長緩慢, 溫度高于200℃后, 反應(yīng)速度明顯加快, 但溫度過高將導(dǎo)致預(yù)浸料熔融并發(fā)生熱降解。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出預(yù)浸料的最佳熱處理溫度為220~230℃。

2·1·2熱處理時(shí)間及玻纖含量對特性粘度的影響

圖1為熱處理時(shí)間及不同玻纖含量對預(yù)浸料特性粘度的影響。如圖1所示, 隨著熱處理時(shí)間的增加,不同玻纖含量P增強(qiáng)的相對特性粘度的增長有所不同。當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為時(shí), 預(yù)浸料的特性粘度增長較快, 而玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51%時(shí)粘度增長則相對緩慢, 這可能是由于在熱處理過程中, 末端的梭基與經(jīng)基不斷地接枝到玻纖表面, 從而造成末端官能團(tuán)的減少, 而玻纖含量越多,PET剩余的官能團(tuán)越少, 在一定程度上抑制了反應(yīng)過程中相對特性粘度的增長, 造成了玻纖含量高的復(fù)合材料粘度增長趨勢低于玻纖含量低的復(fù)合材料。

2·2長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料的斷面形貌

       將經(jīng)過熱處理后的長玻纖增強(qiáng)PET粒料按照注塑條件制取樣條并按ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn), 采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷面觀察。

       復(fù)合材料要求纖維與基體樹脂之間能夠形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度的界面, 這不僅有利于提高材料的整體強(qiáng)度, 更重要的是便于將基體所承受的載荷通過界面?zhèn)鬟f給纖維, 以充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用。從以上各斷口電鏡照片中可以看到, 包埋在樹脂中的單根玻璃纖維表面橙蓋有一層基體樹脂, 形成了良好的界面, 增強(qiáng)玻纖與基體樹脂可以成功實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的傳遞, 從而使得材料的力學(xué)性能得到明顯提高。

2·3長玻纖增強(qiáng)PET的力學(xué)性能

       在長玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料中玻璃纖維作為材料中的骨架, 其對復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能的影響起決定性作用。表2列出了不同玻纖含量的長玻纖增強(qiáng)PET復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

 

從表2可以看出, 隨著玻纖含量的增加, 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度不斷增大。當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí),長玻纖/PET復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度是玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)的122%。玻纖含量從20%~50%每增大10%，其拉伸強(qiáng)度平均增大7%。長玻纖增PET復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度也隨著玻纖含量的增加而不斷增大, 當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí), 復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度是玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%為時(shí)的138%。玻纖含量從20%~50%每增大10%, 其彎曲強(qiáng)度平均增大12.7%。

       隨著玻纖含量的增加, 其彎曲模量不斷提高。玻纖含量從20%~50%每增大10%, 其彎曲模量平均增大。在玻纖含量為40%時(shí), 長玻纖PET增強(qiáng)復(fù)合材料獲得最大的沖擊強(qiáng)度, 當(dāng)玻纖含量達(dá)到50%時(shí), 沖擊強(qiáng)度反而下降。這是由于玻纖的大量加人, 破壞了復(fù)合材料的均一性, 形成了應(yīng)力集中區(qū),當(dāng)材料受到?jīng)_擊時(shí), 應(yīng)力集中區(qū)首先受到破壞。可見, 沖擊強(qiáng)度不是簡單的隨著玻纖含量的增加而增大, 而是在某一值時(shí)達(dá)到最大。
在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中, 承受載荷的主要是纖維。因此一般來說基體中纖維的含量越高, 其增強(qiáng)效果越顯著。此次實(shí)驗(yàn)中玻纖含量為的復(fù)合材料相比玻纖含量為的拉伸強(qiáng)度增大22%, 彎曲強(qiáng)度增大38%, 彎曲彈性模量增大了105%, 沖擊強(qiáng)度增大37%。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際材料的制備工藝考慮, 玻纖含量應(yīng)介于30%~50%之間為宜。

3 結(jié)論

       1）采用自行研制的浸潤裝置制得的長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料, 通過熱處理試驗(yàn)表明熱處理溫度、時(shí)間對復(fù)合材料的特性粘度有顯著的影響, 玻纖含量的變化對復(fù)合材料的特性粘度也有一定的影響。

       2）玻璃纖維的含量對復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著的影響, 在研究的玻璃纖維含量一范圍內(nèi), 拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量隨玻纖含量的增加而提高, 沖擊強(qiáng)度在玻纖含量為時(shí)最大。