（纺织工程专业论文）亚麻增强热塑性树脂基复合材料的开发和力学性能的研究.pdf

亚麻增强热塑性树脂基复合材料的开发和力学性能的研究 摘要 随着全球能源问题和环境问题的出现，对生态复合材料的开发与 研究产生了重要的意义。人们逐渐关注于天然植物纤维在复合材料中 的应用，尤其是具有众多优点的麻纤维，它的优点在于：耐磨、断裂 强度高，完全可以替代玻璃等纤维生产出性能较好的复合材料；麻纤 维属可再生资源，且资源广阔；废弃以后麻纤维可在自然条件下降解。 近年来国内外对麻纤维增强热塑性树脂基复合材料的发展较快，产品 可用于汽车、建筑、交通运输等各方面，尤其是用于汽车的内饰件。 虽然麻纤维增强热塑性树脂基复合材料在国内外都已有研究，但 对麻纤维连续状增强体及其制作方法的研究却很少。本课题将以亚麻 纱线作为连续状增强体，聚丙烯复丝作为基体；采用包覆纱的浸渍工 艺，制作了p p 亚麻包覆纱后浸料；再将包覆纱制成机织平纹布作为 预成型件；通过热压成型工艺制作成复合材料板材；同时还制作了对 亚麻纱线进行碱处理和偶联剂处理的复合材料板材。研究了包覆纱和 机织平纹布的制作工艺及热压成型工艺，还考察麻含量和预成型织物 密度和亚麻纱线前处理对复合材料拉伸性能的影响，对生产中出现的 问题提出了解决方案。 在包覆纱制作过程中找到了中空捻度和空心锭转速两个工艺参 数对包覆纱麻含量和包覆紧密度的影响，并在麻含量和两个工艺参数 之间建立了回归方程，为生产提高了方便。 在机织平纹布织造时，由于包覆纱表面光滑和纱线刚性大使织物 纬纱实际密度达不到设计值，通过多次试验得出使设计纬纱密度和实 际纬纱密度达到一致的方法。 在热压工艺研究中对热压时间、温度和压力三因素进行了单因子 和正交实验，以复合材料板材拉伸强度作为指标找到了最佳的热压工 艺。 对不同制作方法生产的麻纤维增强热塑性树脂基复合材料板材 的比较，证明了本课题采用的包覆纱法能生产出性能较好的复合材 料。 对不同麻含量和织物密度的复合材料板材进行拉伸性能测试，研 究麻含量和织物密度对复合材料板材拉伸性能的影响。 在对亚麻纱线进行碱处理和偶联剂处理后，发现纱线性能发生变 化，碱处理纱线性能变化更大；处理后复合材料拉伸强度变大，弹性 模量变小，碱处理的复合材料改变程度更大。 本课题开发了连续状的麻纤维作为增强体的热塑性树脂基复合 材料，解决了生产中的一系列问题，提高了麻纤维增强热塑性树脂基 复合材料的性能，这对绿色复合材料的发展具有重大的意义。 关键词：亚麻，热塑性树脂，包覆纱，机织平纹布，热压成型，前处 理 d e v e l o p 匝n ta n d 【e c h a n i c a lp r o p e r t y i 之e s e a r c ho ft h e r m o 。p l a s t i ci 己e s i nc o 卫仰o s i t e s r e n 师o r c e dw i t hf l a xf i b e r s a b s t r a c t w i t ht h ep r o b l e mo fe n e 玛ys o u r c e sa n de n v i r o r m l e n t ，i tb e c o m e s i r n p o r t a n tt od e v e l o pg r e e nc o i n p o s i t e sa n ds t u d yo ni t p e o p l ea 1 eg e t t i n g t op a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ea p p l i c a t i o no fc e l l u l o s i cf i b e ri nc o m p o s i t e s ， e s p e c i a l l yt ot h ef i b e r sl i k en a x ，r a m i e ，j u t e ，s i s a l t h e s e sf i b e r sh a v e m a n y e x c e l l e n c e s f i r s to fa l lt h e yh a v eg o o da b r a s i o nr e s i s t a n c ea n dh i 曲 t e n a c i t yw h i c hm a k et h e mt os u b s t i t u t et h eg l a s sf i b e r si nc o m p o s i t e s s e c o n d l yt h e yb e l o n gt or e g e n e r a t i v es o u r c e ，a n dt h e ya r ea l s oa b u n d a n c e l a s t l yt h e yc a nd e g r a d ei n n a t u r ec o n d i t i o na r e rb e i n ga ：_ b a n d o n e d r e c e n t l y t h e m o p l a s t i cr e s i nc o m p o s i t e sr e i n f o r c e dw i m f i b e r s1 i k en a x ， r a m i e ，j u t e ，s i s a lg o td e v e l o p m e n tq u i c k l ya n dp r o d u c t sh a v eb e e n 印p l i e d t oa u t o ，a r c h i t e c t u r e ，t r a 伍c ，e s p e c i a l l yi ni n n e rd e c o r a t i o no fa u t o a l t h o u g ht h e r eh a v eb e e nm a n ys t u d i e so nf i b e r sl i k ef l a x ，r a m i e ， j u t e ， s i s a lr e i n f o r c e d t h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t e s i nh o m ea n do u t ， 5 d e v e l o p m e n t o fc o n t i n u o u s肋e r sa n dr e s e a r c ho fi t s p r o d u c i n g t e c h n i q u e sa r es o1 i t t l e i nt h i sp a p e r t h ef l a xy a mw i l lb eu s e da st h e c o n t i n u o u sr e i n f o r c e m e n ta n dt h ep o l y p r o p y l e n em u l t i f i l a m e n tw i l lb e u s e da st h e n n o p l a s t i cr e s i nm a t r i x t h e 觚ot h i n g sw i l lb em a d ei n t oa p n a xc o v e r e dy 乏l m ，w h i c ha r er e a d y t ob ew o v e ni n t oap l a i nf a b r i c t h e n a 咖c o i n p o s i t eb o a r di sa c c o m p l i s h e db yh o t - p r e s s i n gm 0 1 d i n g s o m e o t h e r c o m p o s i t eb o a r d sa r ea l s om a d e ， w h o s en a xy a mh a v e nb e e n p r e t r e a t e d t e c h n i q u e so fc o v e r e dy a ms p i n n i n ga n dp l a i nw e a v i n ga n d h o t - p r e s s i n ga r es t u d i e d t h ee f r e c tt h a tf l a xq u a n t i t ya n df a b r i cd e n s i t y a n dp r e t r e a t m e n th a v eo nc o m p o s i t e s t e n s i l ep r o p e r t yi sa l s or e s e a r c h e d a n d m a n yp r o b l e m si np r o d u c i n gp r o c e s sa r es 0 1 v e d d u n n gt h es p i n n i n go fc o v e r e dy a mt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ef l a x ( 1 u a n t i t y ，c o v e r e dt i g h t n e s sa i l dt h eh o l l o wt w i s t ，h o l l o w s p i n d l er o t a t e s p e e di sf o u n d ，w h i c hp r o v i d e sc o n v e n i e n c ei n1 a t e rm a n u f a c t u r e i nw e a v i n gt h ea c t u a lw e rd e n s i t yc a nn o ta c c o r dw i t ht h ed e s i g n e d w e rd e n s i t yb e c a u s eo fc o v e r e dy a m ss l i p p e 巧s u r f a c e ，l o wf l e x i b i l i 毗 a n dt h i sp r o b l e mh a sb e e ns o l v e d i nh o t - p r e s s i n gs i n g l ee x p e r i m e n ta n do r t h o g o n a le x p e r i m e n to f t e m p e r a t u r e ， t i m ea n d p r e s s u r e a r e d e s i g n e d t ol o o kf o rab e s t h o t - p r e s s i n gc o n d i t i o n t h ec o m p o s i t em a d eb yt h em e a n so fc o v e r e dy a mi sb e t t e rm a n c o m p o s i t e sm a d eb yo t h e rm e t h o d s 6 t e n s i l ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sw i t hd i 虢r e n tf l a xq u a n t i t ya n d f l a b r i cd e n s i t yh a v e b e e nt e s t e da 1 1 dc o i n p a r e d t h ef l a xy a mi st r e a t e db ya l k a l ia n dc o u p l i n ga g e n t ，a r e rw h i c ht h e p r o p e r t i e so ff l a ) 【y a ma r ec h a n g e d ，e s p e c i a l l yt h ea l k a l i n et r e a t e dy a m t h et e n s i l ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sw e r et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h et e n s i l es t r e n g t hi si n c r e a s e dw h i l et h et e n s i l em o d u l u si sd e c r e a s e d ， e s p e c i a l l yt h ec o m p o s i t e sb ya l k a l i n et r e a t m e n t i nt h i sp a p e rt h ec o n t i n u o u sf l a ) 【肋e rr e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n e c o i n p o s i t ei sa c c o m p l i s h e da 1 1 dm a n yp r o b l e m sh a v eb e e n s o l v e dt o i m p r o v ec o i l l p o s i t e sp r o p e i t i e s ，w h i c hi ss i g n i f i c a n tf o rt h ed e v e l o p m e n t o fg r e e nc o m p o s i t e s w 订t t e nb yx i 堑塾g ( 墅墨! i ! 曼星坠g i n 曼曼丑垒g ) k e yw o r d s ：f l a xf i b e r t h e r m o p l a s t i cr e s i n ，c o v e r e dy a m ，p l a i nw o v e n f a b r i c ，h o t - p r e s s i n gm o l d i n g ，p r e t r e a t m e n t 7 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我洛守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：景芬 日期：啊) 7 年，2 月2 垆日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 。 不保密口。 学位论文作者签名：骆 日期：枷7 年1 2 月2 u 扫 指导教师签名：e 新右久 日期：岬年i 月佣 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题研究的背景 由于全球能源和环境问题的日益突出，国际上众多的环境材料科学工作者在 研究具有净化环境、防止污染、替代有害物质、减少废弃物、利用自然能源和材 料的再生资源等方面作了大量工作，并取得了重大进展。 对于纤维增强复合材料也应该向生态纺织品发展。有关绿色( 生态) 纺织 品的定义目前尚无统一的说法，从完整意义上看应包括下列几方面的含义：( 1 ) 原料资源的可再生利用和可重复利用；( 2 ) 在生产加工过程中对环境不会造成 不利的影响；( 3 ) 在使用过程中，消费者的安全和健康以及环境不会受到损害； ( 4 ) 废弃以后能在自然条件下降解或对环境不造成新的污染。 对于开发新材料应注意到环境和资源的相协调性，努力走绿色的道路，因此 天然可再生的植物原料受到了人们的高度重视。天然植物纤维，如亚麻、剑麻、 椰子壳、黄麻、棕榈叶、木材和一些废弃的植物余料，如植物外壳粉末、木材粉 末、木浆等由于可生物降解、容易种植、机械性能优良，而保持着他们的天然性 被用于热固性和热塑性的树脂基复合材料中乜1 。 第二节麻纤维的概述 在纤维增强复合材料中增强纤维一般包括麻、玻璃、碳、芳纶、超高模聚 乙烯、陶瓷和金属纤维或纤维束口1 。这些高性能的纤维除了麻以外都是人造纤 维，只有麻是天然绿色纤维。 2 1 麻纤维的组成和性质 麻纤维具有独特的微观结构，它的横截面是中空腔的腰圆形或多角形， 这影响了麻纤维的性能，而麻纤维的主要性能由它的物质组成所决定。麻纤 维的主要组成物质为纤维素、半纤维素、木质素、果胶、脂肪和蜡质等n 1 。 ( 1 ) 纤维素属多糖类高分子化合物，化学分子为c 。h ，。0 5 ，从化学角度讲属 第一章绪论 聚合物，聚合度大约为2 1 9 0 2 4 2 0 ；纤维素在高温、高压的浓碱液作用下生成 碱化纤维素或氧化纤维素，遇稀酸水解成水解纤维素，故耐碱不耐酸。 ( 2 ) 半纤维素属高分子的多种糖物质，大多与纤维素共存，半纤维素在结 构上基本与纤维素相似；半纤维素含量愈高，吸湿性愈强；半纤维素含量愈低， 纤维品质愈高；半纤维素不耐碱，也易与酸起水解反应。 ( 3 ) 木质素是一种无定型的高分子化合物，木质素在植物中主要使茎具有 一定的机械强度；木质素的化学性质不稳定，很容易氧化。 ( 4 ) 果胶是多糖类化合物，被认为是生成纤维素、半纤维素、木质素的营 养物质。 ( 5 ) 脂肪和蜡质，蜡质覆盖于纤维表面，其中2 0 可皂化，能溶于有机溶 剂中；脂肪是植物中贮备养料的物质。亚麻纤维含有脂肪和蜡质，使纤维有光 泽和柔软感，如果失去这些物质，亚麻纤维将会变得粗硬且失去光泽。 ( 6 ) 其他物质为蛋白质、植物色素、柔质和灰分等。 2 2 麻纤维的力学性能 纤维素的聚合度和结晶度是决定植物纤维力学性能的重要因素1 。纤维素 是d 一吡喃葡萄糖酐彼此以b l ，4 苷键连接形成的线形高分子，其重复单元中 每一基环含有3 个羟基，这些羟基在分子内或分子间形成氢键，所以纤维素具 有很高的结晶度。麻纤维主要组成是纤维素，所以麻纤维具有很高的强度和模 量。w 硼b u ap 随1 对几种天然纤维复合材料进行了力学性能的测试，其中就有剑 麻、洋麻、大麻、黄麻，结果说明植物纤维特殊的性能在某些情况下优于玻璃 纤维，它们具有替代玻璃纤维的潜力。表卜1 对亚麻纤维和e 一玻璃纤维的性能 进行了比较，表中的比较再次说明了麻纤维具备了纤维增强复合材料中增强纤 维高强高模的特征。 表卜1 亚麻纤维和e 一玻璃纤维的性能比较吲 2 3 结论 2 第一章绪论 麻纤维具有吸湿和散湿快、耐磨、断裂强度高和湿强更高的特点，它完全可 以替代玻璃纤维用于热塑性树脂基的复合材料中；并且麻纤维可以生物降解，它 是追求绿色环保复合材料的首选原料。 第三节热塑性树脂的概述 复合材料基体的主要作用是连接、支撑和保护增强件，使增强件保持在设计 的方向和位置，具有刚性和稳定性，最后形成纺织材料在各方向的整体性能。复 合材料的不同应用要求不同的基体材料。热固性树脂基复合材料存在一些固有的 缺点，如断裂韧性、损伤容限比较低；吸湿、环境适应性不佳；加工周期长；难 以回收等。与热固性复合材料相比，热塑性树脂的线型分子结构使其韧性提高， 是热固性树脂的十倍以上，耐冲击性能好；吸湿性小；由于热塑性树脂在浸渍前 聚合反应已经完成，因此在成型加工中纯粹是物理过程，无化学反应，所以成型 速度快；其预浸料稳定，无贮存期限制，存放也无特殊要求；可回收再加工，无 环境污染问题。其应用领域不断扩大，热塑性树脂为树脂基复合材料的发展开辟 了广阔的空间，被称为2 l 世纪的绿色工业材料。 热塑性树脂基体包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰亚 胺( p i ) 、聚芳醚酮( p e e k ) 、聚丙烯腈一丁二烯一苯乙烯( a b s ) 、聚苯硫醚( p p s ) 等。 第四节麻纤维增强热塑性复合材料的国内外研究 为了更好地充分地利用麻纤维这种可再生资源，不少复合材料的开发者对各 种麻纤维增强热塑性复合材料有了不少研究，从不同预成型方法、浸渍方法和成 型方法到各种制备过程中工艺等方面进行了研究，而最多的还是在麻纤维改性方 面的研究，对麻短切纤维长度和含量以及耐水耐热方面的研究也有一定的成果。 4 1 预成型方式的研究 预成型工艺的方法因浸渍工艺和成型工艺的不同而不同。不同的预成型方式 第一章绪论 形成的不同的增强体状态： 一维预成型短纤维：纤维在基体中自由分散，没有固定的结构。短纤维 复合材料的研究在国内外是最成熟的。张长安陋1 等研究了：把短切烘干后的苎麻 落麻纤维按1 5 的重量比与p p 混合，用单螺杆挤出机控制机头温度1 7 0 1 8 0 、机 尾温度1 8 0 2 0 0 挤出。挤出的初混料冷却后在塑料碎机上破碎造粒，再单螺杆 挤出机造粒备用。以制备好的苎麻落麻纤维增强p p 粒料为原料，塑料注射成型机 上成型制品和测试件。 一维预成型纱线：分为单股短纤纱，双股短纤纱，无捻单丝，加粘单丝， 无捻复丝，加捻复丝。 二维预成型二维织物：分为机织物、两轴向编织物、针织物、非织造织 物。 三维预成型三维织物：分为3 一d 机织物、3 一d 编织物、3 一d 针织物。 4 2 浸渍方法的研究 纤维增强热塑性复合材料的浸渍方法归纳起来有两大类方法：一是预浸渍 法，它是使纤维都被树脂充分浸渍，形成硬挺的预浸料；另一方法是将增强纤维 和树脂在成型前结合在一起，但纤维没有被充分浸渍，在成型时借助于一定的温 度和压力使树脂熔融、流动并充分浸渍纤维然后冷却固结成型，这种浸渍形式的 产品相对于预浸料称为后浸料口1 。 4 2 1 预浸渍法 预浸渍法加工的预浸料，都硬挺并且铺覆性差、无粘性，给成型加工等带来 一些困难。预浸渍法通常分为两类：溶液浸渍法和熔体浸渍法。 溶液浸渍法是将热塑性树脂溶解于适当溶剂中制得低粘度的溶液，并以此浸 渍纤维，然后将溶剂挥发制得预浸料。溶液浸渍法有利于克服热塑性树脂熔体粘 度大的缺点，可以很好地浸渍纤维。但这种方法有三个缺点：一是溶剂的蒸发和 回收较为昂贵且有环境污染的问题，并且如果溶剂不完全清除，会在复合材料中 形成气泡和孔隙；二是可以用这种方法加工的复合材料在使用中耐溶剂性会产生 一些问题；三是一些热塑性树脂没有合适的溶剂可以溶解。 熔体浸渍法既是一种最具吸引力的方法，又是一种最困难的方法。因为熔体 粘度高，将树脂压入丝束很困难，实际的办法是在一定张力下将开纤的丝束从树 4 第一章绪论 脂熔体中拉过而浸渍纤维。为了得到好的浸渍效果，熔体粘度不能太大。 4 2 2 后浸渍法 对一些熔体粘度很大的热塑性树脂，无法通过熔体法加工预浸料，并且当熔 点与分解温度接近时通过提高加工温度来降低熔体粘度也会有分解树脂的危险， 在这种情况下，采用后浸料的加工工艺具有重要的意义。后浸料法可形成铺覆性 好的后浸料，它含有几种方法。 薄膜叠层法一般采用增强纤维织物和热塑性树脂薄膜一层层铺叠。为了使树 脂熔融后能渗透到每根纤维之间使每根纤维都被浸渍，必须在很充分的工作压力 下，经过长时间的加工才能达到。梁小波n 们等研究了：将剑麻纤维分别被切短成 1 0 咖、2 0 咖和3 0 姗长的短纤维，并置于8 0 的烘箱中干燥；p p 基体为p p 无纺布。 将含p v a 的水溶液和短切剑麻搅拌均匀后制成纤维毡，然后置于油压机上热压定 型。取5 块剑麻纤维毡，隔层夹入等量的p p 无纺布，在油压机上加压成型，成型 温度1 7 0 1 7 5 ，压力3 5m p a 。结果表明当s f 长度为2 0 唧，s f p p 复合材料的冲 击性能最好。 混织法是采用增强纤维丝束作经纱和( 或) 纬纱，热塑性树脂纤维丝束作纬纱 和( 或) 经纱进行织造形成织物，要使树脂熔融后充分浸渍纤维，必须采取一些技 术措施。 混纤法是将增强纤维和热塑性树脂纤维以连续纤维的形式均匀混和在一起， 并尽可能保持增强纤维伸直平行。当树脂熔融时，浸渍每根增强纤维。尽管希望 混纤纱中增强纤维和树脂纤维均匀混合，但统计数据表明当树脂刚熔融时只有 5 0 的增强纤维表面与树脂直接接触。混纤纱必须有较高温度和压力以及较长的 压实时间才能使纤维充分浸渍。 包缠纱法是将增强纤维外包热塑性树脂短纤维。纱线是包缠结构，增强纤维 居中，树脂在外层，增强纤维平行伸直无捻，纤维和树脂比例可方便调节。9 0 年代初，w u l f h o r s t 等提出用摩擦纺纱原理将连续增强纤维和树脂短纤维结合在 一起形成摩擦纺包芯纱，然后利用包芯纱进行复合材料加工，试验表明这种工艺 路线是可行的n 。吴学东n 门等采用聚酯纤维和聚丙烯纤维作为热塑性树脂，玻璃 纤维和碳纤维作为增强纤维加工了几种包芯纱并对其结构进行了分析。与其它纤 维和树脂结合方法相比，这种摩擦纺混纤纱除了可以降低加工成本外，还具有以 下优点：由于混纤纱加工中增强纤维没有被加捻，因此纤维强度充分利用，平行 第一章绪论 于纱线轴向的纤维数越多，复合材料沿着纤维方向上的增强效果越好n 射；纱线呈 皮芯结构，外层的短纤维可保护增强纤维；可方便地调节纤维体积含量，得到预 定的复合材料性能。 包覆纱法是将热塑性树脂长丝均匀地螺旋缠绕在增强纤维上，包覆纱可在一 定范围内方便地控制树脂含量。刘丽妍n 3 1 等研究了：以聚丙烯长丝作为基体，亚 麻纱线为增强体，选取了1 2 5 t e x 的聚丙烯长丝与6 6 7 t e x 的亚麻纱线按纤维体积 含量为5 0 ：5 0 的比例进行捻合，形成的合股纱，采用机织的方法织造成二维平 纹布。选取5 层平纹布进行叠合，在热压机上模压成型，制备出亚麻增强聚丙烯 热塑性复合材料薄板。对其拉伸性能进行测试表明纤维和树脂结合较均匀。 混纺法与混纤纱类似，只不过这罩增强纤维和热塑性树脂纤维均是中长纤 维。将连续长丝拉断形成中长条子，再利用传统纺纱原理特增强纤维与树脂纤维 混纺形成具有一定捻度的纱线，这种混纺法的增强纤维可以是混杂纤维：方便控 制和调节树脂含量；纤维和树脂混合均匀；适于加工成复杂几何形状；但这种混 纺纱的缺点是纤维为非连续纤维以及纱线有一定捻度。 粉末浸渍法先将热塑性树脂加工成粉末。当被化纤的丝束通过粉末进入丝束 中间，可以直接卷绕，或者经热管加热使树脂熔融并部分浸渍纤维再卷绕，还可 采用粉末悬浮液使粉末进入丝束中间。但是细的粉末制备一般比较困难并且成本 高。 4 3 成型工艺的研究 成型工艺主要有热压成型工艺、隔膜成型工艺、缠绕成型工艺、压挤成型工 艺、树脂注入成型工艺阳川。 热压成型也叫模压成型，是利用平板压机成型平板是一种最基本的成型加工 方法。热压成型可在一台压机上完成加热至冷却的整个过程，成型时间长，采用 一台加热压机和一台冷却压机配合使用可解决这一问题，模压成型时必须注意有 效地排除空气，使材料空隙减少。 隔膜成型是制造具有双曲面大型热塑性树脂复合材料制品的一种最有希望 的成型方法。它是将未固结的热塑性预浸料和后浸料平辅在两个可以变形的隔膜 之间，放置在热压罐内，然后在隔膜之间抽真空，在其中形成加工所需的温度和 压力。隔膜成型特别适用于成型纺织结构复合材料，原因有三：一是抽真空可有 6 第一章绪论 效排除纺织结构中的空气；二是气压压力均匀；三是适于成型复杂形状。 缠绕成型是在缠绕时将预浸料或后浸料加热至树脂溶点以上，并借助纤维张 力，或者借助其他装置给缠绕在芯模上的预浸料或后浸料施加一定的压力。 压挤成型是一种连续制造复合材料型材的工艺方法，也是一种制造恒定截面 型材的工艺方法。压挤成型是将预浸料或后浸料在一组压挤模具中固结，预浸料 和后浸料或是边压挤边预浸，或是另外浸渍。 树脂注入成型也称为“树脂传递模塑( r t m ) ，首先将树脂粉末在室温下 放入不锈钢压力容器中，绝热的容器逐渐加热到达注入温度时，加入引发剂粉末， 搅拌均匀，再用氮气给压力容器充压，树脂通过底部开口和加热管道注入纤维层 状物或预成型物的模腔中，当树脂充满模腔后，将模具温度提高到聚合温度，树 脂进一步聚合，聚合完成后，将模具按要求降温、开模即得到最终制品。 4 4 麻纤维增强热塑性复合材料前处理的研究 植物纤维中由于含有大量的羟基而呈现亲水性，而大部分聚合物是憎水的， 因而不利于两者的界面粘合，因此在制备复合材料前通常需要对纤维进行改性处 理。目前改性的方法有物理方法和化学方法两种1 。物理方法：不改变纤维的化 学成分，通过影响纤维的结构和表面特性，由此改变纤维和基体的亲和力。已研 究的方法有热处理等。化学方法：由于纤维存在着大量的活性羟基基团，可通过 适当的化学改性，改变纤维表面性质和结构，或在其表面引入新的官能团，增加 纤维与基体的相容性，改善界面性能，从而改善材料的力学性能和吸湿性能。 碱处理是最为常用的化学改性方法，通过适度的碱处理，可以溶去表面的半 纤维素和木素及其它杂质，降低纤维密度，纤维变得松散，这些都增加了纤维与 基体浸润的有效接触面积，从而有利于增强界面的粘合，提高复合材料的力学性 能；另一方面，碱处理可以导致麻中部分原纤解旋，使原纤更贴近纤维轴向，有 利于提高纤维的弹性模量，因此对复合材料的性能改善也有所帮助。 周兴平n 副等研究了：将长度8 姗左右的剑麻纤维在室温下用1 0 的n a o h 溶液浸 泡并持续搅拌1 小时后用水冲洗至中性，充分干燥至恒重。结果表明，碱处理的 s f 对复合材料的热稳定性影响较小，但提高了p p 相的结晶速率和结晶度，诱导了 口晶型p p 的生成，提高了复合材料的弹性模量，对p p 有显著的增韧效果；但弱的 界面键合降低了复合材料的拉伸强度。才红n 6 1 等即将s f 浸泡于2 的n a o h 溶液中， 7 第一章绪论 常温下处理2 h ，再用去离子水冲洗呈中性，于烘箱中8 0 烘干恒重，实验表明冲 击强度和弯曲强度耐水性有所改善。 化学偶联是另一类重要的化学改性方法。当纤维和基体两组分不相容时，可 通过引入第三组分的方法以改善纤维和基体的界面来提高材料的性能，包括接枝 共聚、涂敷偶联剂( 如有机硅烷、异氰酸酯) 等。 j o s e p hpv n 7 1 等研究了：先对剑麻纤维用聚丙烯乙二醇的衍生物尿烷和马来 酸酐( m a p p ) 和高锰酸钾来改善纤维和集体间的界面相容性。结果说明了化学处 理过的增强纤维的复合材料比起没有处理过的复合材料的性能具有优越性。 周兴平n 踟等研究了：分别用碱处理和甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 接枝聚合的方 法对剑麻进行表面改性。测试结果表明剑麻表面处理改善了p p 与s f 间的界面相容 性，提高了p p s f 共混物的热稳定性和复合材料的损耗因子强度，增加了晶型p p 的含量，降低了p p 相的结晶度。同时提高了p p s f 复合材料的强度和韧性。s f 表 面接枝p m m a 比表面碱处理对p p s f 复合材料结构和性能的影响更为显著。 c a n c h 6 一e s c 硼i l l ag n 引等对纤维素经过改性处理后的力学性能的测试，纤维 素纤维经过p m m a 处理后弯曲强度性能比用p b a 处理的要好，从冲击试验后所拍摄 的图片来看p m m a 与基体有很好的相容性。 黄丽啪1 等研究了：采用不同的表面改性剂( 苯甲酸、硬脂酸、有机硅烷) 对植 物纤维聚丙烯复合体系进行了处理。研究结果表明苯甲酸的加入可以使复合材 料的拉伸强度有较大提高，但冲击强度下降；经硬脂酸处理的复合材料，其冲击 强度有明显提高；经有机硅烷处理的复合材料，拉伸强度及冲击强度均有所提高。 陈德铭乜妇等研究了：分别对短切剑麻纤维和聚丙烯进行接枝丙烯酸预处理 后，制备了s f p p 、s f p p g a a 、s f g a a p p 复合材料；测试结果表明：s f p p g a a 复合材料的综合力学性能比s f p p 复合材料有明显提高，而s f g 一从p p 复合材料 的综合力学性能反而比s f p p 复合材料差。 j 0 1 yc 乜2 3 用两种不同改性方法进行试验比较。第一种方法将植物纤维放入预 先调到1 8 0 的p p g 删溶液中搅拌5 分钟，它需要二元酸酐作为引发剂；第二种方 法是将纤维浸入异氰酸中4 小时，温度保持在8 0 。第一种方法处理后得到了比 较理想的界面，改变了原始的材料破坏方式。第二种方法没有改变破坏方式，但 是能够阻止破坏点的蔓延。 第一章绪论 才红2 3 1 用热处理( 2 7 0 ) 、乙酰化处理( 2 7 0 ) 、高锰酸钾处理( 2 9 0 ) 对麻进行处理，得到很好的结果。 4 5 复合材料中麻含量和纤维长度的研究 张安定瞳钔等研究了：将黄麻纤维重量含量分别为1 0 、2 0 和3 0 的复合材 料进行比较，以及将纤维长度约3 唧、5 姗和l o m 长的复合材料进行比较。结果表 明：黄麻纤维的掺入大幅提高了材料的拉伸模量和弯曲模量，但冲击强度和( 最 大拉伸力时的) 伸长率都有所下降；随黄麻纤维含量的增加，弯曲强度和模量递 增，复合材料的冲击强度和伸长率都是递减，当纤维含量超过1 0 后试样拉伸强 度变化不大；随纤维长度的增加，复合材料的强度和模量是递增的，但冲击强度 和伸长率是递减的。 4 6 其他研究 其他研究包括复合材料耐水性、耐热性等研究。c h o wc pl 2 7 1 等研究 了：将剑麻与聚丙烯经注塑成型后的复合材料浸入9 0 的恒温热水中，经过不 同时间取出。在对热水浸置处理后的样品进行拉伸和冲击性能等测试。结果表明 复合材料的拉伸模量和拉伸强力都随着浸置时间的加长而连续下降；相反地材料 的冲击强力从浸置一开始就增加了，但是当冲击强力达到最大值后，随着时间的 增长冲击性能逐渐下降。m a s u dsh 乜踟等研究了：分别将聚酯，玻璃聚酯材料， 植物纤维聚酯材料，p p ，玻璃p p 材料，在o 4 6 m p a 的压力下进行了热失重的研 究，结果表明纤维素纤维改善了树脂基复合材料的热学性能，使复合材料能承受 更高的温度。 第五节麻纤维增强复合材料的应用 麻纤维复合材料主要应用于汽车、建筑、土工、交通运输等各方面。2 0 世纪 7 0 年代中期，印度联邦政府、原子能研究机构研制出用该材料建造的房屋、谷仓、 椅子、简易储物架、托盘、管件和游船等产品乜引。 在麻纤维复合材料应用领域中，尤其值得一提的是麻纤维复合材料在汽车上 的应用。国内外一些公司对麻纤维复合材料在汽车内装饰和其他部件上的应用研 9 第一章绪论 究已经取得了较大进展。河南固始华瑞汽车内饰件有限公司主要生产各种汽车内 饰件，包括轿车和客车及货车顶盖、门饰板、高架箱、前后保险杠、仪表盘、座 椅、吸音减震隔热衬垫等多种类产品；k a f u s 环境工业公司开发了用于汽车工业 的洋麻增强材料，该材料可代替聚合物模板复合材料( 如玻璃纤维增强塑料) 。表 卜2 中例举了汽车用的一些复合材料产品。 表卜2 汽车用麻纤维复合材料啪1 麻纤维复合材料除具有金属和玻璃纤维的优点外，其价格更便宜，重量更轻， 韧度更强，而且可以生物降，因此这种材料将应用于各种领域，有广阔的发展前 显 承。 第六节课题研究的意义和目前存在的问题及研究内容 6 1 课题研究的意义 对麻纤维增强热塑性复合材料的丌发和研究符合绿色生态材料的发展要求。 对复合材料生产工艺的研究和性能的研究可以开发出更高性能的产品，来满足日 益增长的市场需求。从科学发展观的角度，本课题的研究具有非常大的意义。 6 2 目前存在的问题及课题研究内容 麻纤维增强热塑性复合材料的制备方法最为成熟和流行的是利用短纤维和 树脂熔融共混的方法，以及麻纤维非织造布和树脂薄膜层叠方法，这些制作方法 各有各的不足，对复合材料力学性能的提高有很大困难，而现在对麻纤维连续状 增强体及其制作方法的研究却很少。 1 0 第一章绪论 本课题将针对以上等问题进行研究，课题研究内容如下： ( 1 ) 寻找较好的麻纤维增强复合材料的制备方法。 ( 2 ) 进行麻纤维热塑性复合材料板材的开发；研究浸渍工艺、预成型工艺 以及成型工艺；解决生产过程中的工艺问题，并通过一定的理论分析，寻求最优 化的工艺途径。 ( 3 ) 比较复合材料制备方法对复合材料力学性能的优劣；研究成型前产品 规格对复合材料力学性能的影响。 ( 4 ) 为改善界面相容性对增强体进行前处理，研究不同前处理对增强体和 复合材料力学性能的影响，以及前处理会不会因制备方法不同而对它产生不同影 响。 第二章复合材料制作方法和原料的选择 第二章复合材料制作方法和原料的选择 本章中将对麻纤维增强复合材料的制作方法进行选择，介绍复合材料的制 作过程；并且对所需原料进行选择和性能的测试。 第一节复合材料的制作方法 各种制作方法对复合材料的各种性能都具有影响，不同的预成型方式、浸 渍方法、成型方法，可以制造不同形状和性能的复合材料，选择好制作方法具 有很大的意义。 1 1 浸渍方法的选择 虽然现在短纤树脂混合熔融的方法非常成熟，但是在结构应用上短纤维没 法解决增强力的问题，他没法取代玻璃纤维和碳纤维长丝的高模量和高伸长的 特点，于是应该将麻纤维加工成连续状，这样可以用于多种成型的方法了口。 但是即使采用这些连续状的麻纤维，如果用预浸法加工，那么这些麻纤维的预 浸料也会由于材料硬挺不利于后道的加工，所以不宜采用；薄膜叠层法存在一 个问题，由于增强体纤维毡或织物中的纤维紧密的结合在一起，很难使树脂注 入纤维与纤维之间地方，因为热塑性纤维比热固性纤维具有更高的粘稠性盼引； 粉末浸渍法成本较高；混织法当树脂熔融后没法充分浸渍纤维；混纤法和混纺 法的缺点是增强纤维的那股纱线不能完全伸直，对力学性能也会有一定的影响； 摩擦纺包缠纱连续的两相纤维均匀且紧密结合在一起，大大减少了浸渍中树脂 流动的距离，克服了热塑性树脂基体浸渍的困难，增强纤维平行伸直无捻，增 强纤维得到充分利用，这样既可以达到良好的浸渍效果口3 l ，但是由于包缠纱外 包的树脂短纤维容易脱落，对后道加工带来困难。 包覆纱法是最好的浸渍方法，以麻纱线作为复合材料的增强体，热塑性树 脂长丝作为基体，在强力上不仅利用了纤维的强力还可以利用纱线结构上的强 力，并且纱线在包覆纱中是呈伸直状的，这种方法还可以使增强体和基体均匀 紧密结合一起，提高纤维在基体中分布均匀度，在后道加工中也不用进行上浆 1 2 第二章复合材料制作方法和原料的选择 等工作，减少了工作量。 1 2 成型方法的选择 由于本课题制作的是复合材料板材以及根据现有的设备条件，所以采用热 压成型的成型工艺进行复合材料板材的制作。热压工艺操作简单，适用于热塑 性复合材料板材的制作。 1 3 预成型方式的选择 在选择浸渍方法的时候其实已经选择了以纱线作为预成型件，但是一维的 预成型件制成的复合材料冲击等力学性能非常差n 刳，又因为选择了热压作为成 型方法，就可以考虑将一维预成型件变成二维的预成型件。只是这是一种特殊 的预成型件，它是将一维纱线浸渍过树脂后再加工而成的二维织物，这样可以 利用织物结构来改善复合材料的性能。考虑到浸渍过树脂的纱线性能不同于其 他一般纱线，为了本课题的顺利进行，本课题将利用机织平纹组织作为二维织 物的结构。 1 4 制作流程 根据选择的制作方法和麻纤维的性能制定了本实验中麻纤维增强热塑性复 合材料的制作流程，图2 一l 为制作流程。 图2 1 复合材料制作流程 1 3 第二章复合材料制作方法和原料的选择 第二节原料的选择和性能测试 本实验选择了亚麻纱线作为复合材料的增强体，亚麻纱线由山东省蒙阴棉 纺织有限公司提供。基体选择了聚丙烯复丝，由瑞安市旭日纤维有限公司提供。 2 1 亚麻的概述 亚麻的主要组成成分如表2 一l ；工艺纤维强力为2 5 4 n ；单纤维强度为 o 4 9 3 0 7 t e x ；平均细度在1 - 6 7 3 3 3 d t e x ；平均长度为1 0 2 6 姗；遇水后强力 增加，对水分的吸收和散发都较快，纤维吸水后膨胀；对热的散发比棉纤维快； 亚麻没有天然转曲；密度为1 5 1 5 2 9 c m 3 4 m 4 l 。 表2 1 亚麻的主要组成物质 以下是亚麻纱线加工工艺流程： 亚麻初步加工的工艺流程： 亚麻原茎一选茎一捆束一脱胶( 沤麻) 一干燥一入库养生( 成为干茎) 一 碎茎一打麻一打成麻和落麻一梳理和分级 亚麻湿法纺纱的工艺流程： 梳成长麻纺纱： 梳成长麻一梳成长麻物理实验一梳成麻加湿养生一出库一配麻一手工成条 一配组一长麻予并( 或混条机) 一1 4 道并条一长麻粗纱一粗纱漂练一湿纺细 纱一干燥一细纱分色一络筒一筒纱外观修整一包装一入库 梳成短麻纺纱： 梳成短麻一分号一梳成短麻物理实验一配麻一混麻加湿一梳麻一针梳一再 割一针梳一精梳一针梳( 4 道) 一短麻粗纱一粗纱漂练一湿纺细纱一干燥一细 纱分色一络筒一筒纱外观修整一包装一入库 亚麻短麻干法纺纱的工艺流程： 混麻加湿一梳麻一二或三道针梳一粗纱一干纺细纱一络筒一包装一入库 1 4 第二章复合材料制作方法和原料的选择 2 2 聚丙烯的概述 由于本课题复合材料采用了热压成型的成型方式，所以在复合材料增强体 和基体选择上应使基体熔融温度配合增强体的热性能，这里考虑到亚麻纱线的 热学性能，所以采用了聚丙烯复丝。聚丙烯的溶点低为1 6 5 一1 7 3 ，适合与 亚麻复合材料的热压成型，而且由于聚丙烯复丝是由多根单丝组成，在制作包 覆纱时聚丙烯复丝可以很好地覆盖亚麻纱线。除了这两个优点，聚丙烯还有许 多的性能优势。 聚丙烯p p 纤维是以丙烯聚合得到的等规聚丙烯为原料纺制而成的合成纤 维，我国简称为丙纶。其产品主要有普通长丝、短纤维、膜裂纤维、膨体长丝、 烟用丝束、工业用丝、纺粘和熔喷法非织造布等。聚丙烯纤维的密度为 o 9 0 一0 9 2 9 c m 3 ，在所有化学纤维中是最轻的，它比聚酰胺纤维轻2 0 ，比聚 脂纤维轻3 0 ，比粘胶纤维轻4 0 ，因而聚丙烯纤维质量轻、覆盖性好；强度 高、耐磨、耐腐蚀；耐化学性优于一般纤维，抗微生物，不霉不蛀；聚丙