短玻纤不饱和聚酯架构夹芯材料的压缩性能.pdf

热 固 性 树 脂 Thermosetting Resin 短玻纤 不饱和聚酯架构夹芯材料的压缩性能 沈亚祺 王晓钧 李文清 沈 梦 南京工业大学材料科学与工程学院 江苏 南京 210009 摘要 对 3 种不同线密度的玻璃纤维进行直立式浸胶 将浸胶的玻纤通过叉式架构成型工艺制备短玻纤 不饱和 聚酯树脂 CGF UPR 架构夹芯材料 通过平压和测压性能测定及扫描电镜分析研究了玻纤线密度对 CGF UPR 架 构夹芯材料性能的影响 结果表明 900tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材料的平压比强度和侧压比强度最高 分别达到 1 80 0 01 103N m kg 和 9 80 0 03 103N m kg 在该材料的平压和侧压两种受力过程中 材料结构 的破坏均缘于纤维束自身破坏和粘结点破坏 这两种破坏形式结合架构夹芯材料的无序结构特征 导致短玻纤 不 饱和聚酯树脂架构夹芯材料表现出平压无屈服性的特性 关键词 玻璃纤维 不饱和聚酯树脂 压缩性能 夹芯材料 中图分类号 TQ323 5文献标识码 A文章编号 1002 7432 2016 01 0044 06 Compressive properties of the chopped glass fiber unsaturated polyester resin sandwich material SHEN Ya qi WANG Xiao Jun LI Wen Qing SHEN Meng College of Materials Science and Engineering Nanjing Tech University Nanjing 210009 China Abstract Three different linear densities of the glass fiber were up right impregnated The chopped glass fiber unsaturated polyester resin CGF UPR sandwich material was prepared using the impregnated glass fiber by cross fabrication method The effect of glass fiber linear density on the properties of the CGF UPR sandwich material was investigated by the testings of flatwise and edgewise compression and SEM analysis The results showed that the flatwise and edgewise compressive specific strength of the CGF UPR sandwich specimen fabricated by 900 tex glass fiber were the maximum and reached 1 80 0 01 103N m kg and 9 80 0 03 103 N m kg respectively In the process of flatwise and edgewise tests the destruction of material structure were due to the tow self destruction and the bonding point damage These two forms of damage combined with the disordered structure characteristics of sandwich material led to the no flatwise compressive yielding of the CGF UPR sandwich material Key words glass fiber unsaturated polyester resin compressive property sandwich material 收稿日期 2015 04 28 修回日期 2015 05 18 基金项目 南京工业大学开放实验室基金 2015DC007 资助 江苏 省大创课题 201410291040Z 资助 作者简介 沈亚祺 1990 男 江苏昆山人 硕士研究生 研究方 向为树脂基复合材料研究 通讯联系人 E mail xjwang 0引言 夹芯材料是由高强度蒙皮和轻质芯材所构成的 一种材料 具有质量轻 比强度 比刚度高 保 温 减震和隔音效果好等特点 已被广泛应用于航 空 航天 交通运输 建筑等领域 1 现有的夹芯 材料可分为蜂窝 泡沫和点阵夹芯材料 2 传统的 夹芯材料存在着外形尺寸要求高 制备精度要求高 以及制备工艺不成熟等多方面的不足 3 4 根据鸟巢结构制备 1 种新型短玻纤 不饱和聚 酯树脂 CGF UPR 架构夹芯材料 具有轻质高强 制备简便 精度要求低等优势 采用我们研发的直 立式浸胶工艺制备用于 CGF UPR 架构夹芯材料的 短切纤维束 5 通过新设计的叉式架构成型工艺制 得架构夹芯材料 探讨 3 种不同线密度短纤对 CGF UPR 架构夹芯材料平压性能和侧压性能的影 响 实验提出了制备 CGF UPR 架构夹芯材料最佳 的浸胶工艺以及芯材成型方法 探讨了 CGF UPR 架构夹芯材料平压无屈服的特性和受力状态下的微 观破坏形貌 揭示出 CGF UPR 架构夹芯材料的抗 压 压缩破坏模式以及无屈服特征 第31卷第1期2016年1月 Vol 31No 1Jan 2016 44 DOI 10 13650 ki rgxsz 2016 01 010 第1期 1实验部分 1 1 原材料 无碱玻纤直接无捻粗纱 线密度为 300 tex 600 tex 900 tex 烧失量为 0 55 单丝直径为 13 17 m 中国泰山玻纤有限公司 无碱玻纤方 格布 厚度为 0 2 mm 中国泰山玻纤有限公司生 产 间苯型不饱和聚酯树脂 粘度 1250mPa s 热 变形温度 107 拉伸强度 85 MPa 断裂延伸率 4 4 金陵帝斯曼树脂有限公司 固化剂过氧化 甲乙酮 总活性氧含量 8 8 9 0 阿克苏诺贝尔 中国 促进剂异辛酸钴 钴质量分数 1 阿克 苏诺贝尔 中国 1 2 涂覆玻纤制备 本文使用的直立式浸胶装置包括支架 a 牵引 单元 b 浸胶槽 c 挤胶辊 d 收卷单元 e 以及 电机 f 6 个部分 如图 1 所示 首先将玻璃纤维 引入导入装置 纤维穿过浸胶槽下方的防漏胶结 构 并由下而上进入恒温直立式浸胶槽 固定在纤 维收卷单元上 纤维在向上运动过程中被胶液浸 透 离开胶液面后纤维表面多余的胶液会向下流 淌 通过浸胶槽上方的挤胶辊来控制纤维的含胶 量 最后进入收卷单元 纤维在直立式浸胶时 纤 维会带着胶液向上运动 呈向上喷涌的旋流状态 可以进一步防止胶液的渗漏 电机通过齿轮连接带 动缠绕结构的杆件 从而使收集装置做匀速圆周运 动 进而带动纤维匀速地穿过牵引单元 进入浸胶 槽内 进而实现直立式浸胶过程 电机通过周期性 的每转半周即改变转动方向来控制收卷单元匀速左 右往复运动 进而实现收卷过程 按照 UPR 的技术参数设定玻纤浸胶的树脂胶 液配方为 m UPR m 固化剂 m 促进剂 100 1 0 5 6 参照直立式浸胶技术要求 5 将树脂胶液在 25 下 搅拌均匀 再将树脂胶液加入 25 的恒温直立式 浸胶槽中 GF 在直立式浸胶槽中得到充分浸渍后 经过挤胶辊挤胶并绕卷在收卷单元上 涂覆玻纤置 于室温下进行前固化 1 h 然后置于 80 烘箱中进 行后固化 1 h 从而使树脂胶液充分固化 最后 将涂覆玻纤冷却至室温 从而得到完全固化的涂覆 玻纤束 1 3 芯材制备 叉式搅拌装置如图 2 所示 由实验可知 四叉 式的支插间距大 搅拌时短切玻纤易穿越支叉的空 间 短切纤维不易被架构 八叉式的支叉间距小 造成短切玻纤易被折断 六叉式的支叉 每个支叉 长度相等 使得硬质短纤在无序状态下顺利架构成 型 搅拌轴为支叉组成的多面体的中心轴 搅拌方 式为双向间歇旋转式 设定叉式搅拌器的转速为 30 r min 搅拌时间为 5 min 避免因成型胶液粘度 增大导致短切玻璃纤维集束 将固化的涂覆玻纤切割成 40 50 60 70 和 80 mm 不同长度的短切玻纤 图 3 是架构成型时不 同长度短切玻纤的架构图 实验结果表明 60 mm 长度的短切玻纤可以有效减少架构成型时短切纤维 的并线 因此选择 60 mm 短切玻纤制备芯材 将 短切玻纤先加入叉式搅拌器中搅拌 使短切纤维无 序分散 然后加入成型粘结剂 占短切玻纤的 30 后再搅拌 在搅拌过程中不仅使粘结剂均匀 分散于短切玻纤表面 也使短切玻纤形成多重交叉 的空间结构 从而构成 CGF UPR 夹芯芯材 图 1直立式浸胶装置结构图 Fig 1Structure of the up right impregnation device e a d c f b a 支架 b 牵引单元 c 浸胶槽 d 挤胶辊 e 收卷单元 f 电机 f 图 2叉式搅拌器装置图 Fig 2Experimental set up of the fork mixer a 整体结构 b 搅拌头 沈亚祺等 短玻纤 不饱和聚酯架构夹芯材料的压缩性能45 热 固 性 树 脂第31卷 1 4 蒙皮制备 CGF UPR 架构夹芯材料选择无碱玻纤方格布 为蒙皮 玻纤布的胶液配方依据手糊工艺技术要求 设定为 m UPR m 固化剂 m 促进剂 100 1 0 5 铺层方式为 0 0 S 蒙皮含胶量为 52 6 7 通过 手糊成型工艺制备双层预浸渍蒙皮 1 5 夹芯材料样品制备 将具有多重交叉结构的无序架构芯材置于铺覆 有预浸渍蒙皮的模具中 芯材厚度根据ASTMC365 2000 和 ASTM C364 1999 标准控制在 25 mm 然 后铺覆预浸渍上蒙皮 最后 将模具放入烘箱中 使蒙皮与芯材共固化成型 为了使树脂固化完全 固化温度设定为 80 1 固化时间为2 h 达到 固化时间后取出模具 冷却至室温后脱模 切割成 60 mm 60 mm 25 mm 的 CGF UPR 架构夹芯材料 测试样品 1 6 测试与分析 参照 ASTM C365 2000 夹层芯子平压性能试 验的标准方法 进行 CGF UPR 架构夹芯材料平压性 能的测定 参照 ASTM C364 1999 夹层结构侧压强度的 标准试验方法 进行 CGF UPR 架构夹芯材料侧压性 能的测定 采 用 深 圳 市 新 三 思 材 料 检 测 有 限 公 司 CMT5254 型微控电子万能试验机测定样品进行平 压与侧压性能测试 最大测试力 100kN 精度0 5 加载速度为 2 mm min 环境温度 23 2 相 对湿度 50 5 采用日本 JEOL 公司 JSM 6510 型扫描电子显 微镜对 CGF UPR 架构芯材结构破坏进行微观形貌 观察 2结果与讨论 2 1 C G F U P R架构夹芯材料平压性能 由 3 种不同线密度制得的 CGF UPR 架构夹芯 材料样品的参数以及平压性能如表 1 所示 由表 1 可得 900 tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材料 的平压强度高于 600 tex 和 300 tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构材料样品 达到 0 71 0 01 MPa 900 tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材料的平压 比强度同样是最高 达到 1 80 0 01 103N m kg 图 4 是由不同线密度制成的 CGF UPR 架构夹 芯材料的平压应力 应变曲线图 由应力 应变曲线可以看出 当平压试样的应 变达到 30 后 平压应力与应变的比例关系发生 变化 能够观察到载荷值开始呈指数式向上增长 这说明当样品的应变达到 30 时 芯材已经被压 密实 此时材料仍未出现屈服点 CGF UPR 架构夹芯材料的平压受力模式如图 5 e 80 mm d 70 mm c 60 mm b 50 mm a 40 mm 图 3不同长度短切纤维的架构图 Fig 3Sturcture diagram of the chopped GF with the different length 线密度 tex 厚度 mm 表观密度 kg m 3 30 平压 载荷 kN 30 平压 强度 MPa 平压比强度 103 N m kg 1 30025 88 0 02 307 21 8 82 1 04 0 030 28 0 010 90 0 01 60026 16 0 02 360 12 8 80 1 33 0 030 35 0 011 00 0 01 90027 18 0 02 399 26 9 42 2 68 0 050 71 0 011 80 0 01 表 1由 3 种线密度玻纤制成的 GF UPR 架构夹芯材料 样品的基本参数以及平压性能 Tab 1Basic parameters and flatwise compressive properties of the CGF UPR sandwich specimens fabricated by GF with three linear densities 注 蒙皮层数为 2 厚度为 0 90 0 02 0 应变 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 0 5 102030 应力 MPa 50407060 a b c a 900 tex b 600 tex c 300 tex 图 4由 3 种线密度玻纤制成的 GF UPR 架构夹芯 材料的平压应力与应变图 Fig 4Stress strain curves for the flatwise compression of the CGF UPR sandwich specimens fabricated by GF with three linear densities 46 第1期 所示 在 CGF UPR 架构夹芯材料在平压实验中 随着压头施加平压载荷 载荷由上蒙皮传递到与蒙 皮粘结的短切玻纤上 载荷沿着短切玻纤传递至结 点处 再由结点将载荷分散给与之粘结的涂覆玻 纤 最终将载荷分散至整个 CGF UPR 架构芯材 短切玻纤在 CGF UPR 架构芯材中的均匀分散 相 互粘结形成多重交叉结构 产生了多个均匀分散的 受力结点 从而使载荷能够均匀分散到多根短切玻 纤上 短切玻纤相互组合共同承担平压载荷 在平 压实验中 随着平压载荷的增加 涂覆玻纤发生弯 曲变形 CGF UPR 架构芯材在宏观上主要表现为 芯材逐渐被压缩密实 微观表现为粘结结点附近短 切玻纤的逐渐断裂以及粘结点自身的逐步破坏 如 图 6 所示 宏观的压缩密实以及微观的结点逐步 破坏过程 使得 CGF UPR 架构夹芯材料不再出现 塑性屈服现象 外观形貌即使发生应变达到30 的大形变时仍能保持整体结构的稳定性 不会出 现硬质泡沫芯材受压外鼓破碎和蜂窝芯材受压格 壁褶皱的现象 这就形成了该种材料的平压无屈服 的特性 2 2 C G F U P R架构夹芯材料侧压性能 侧压性能是表征 CGF UPR 架构夹芯材料结构 稳定性的另一重要性能指标 表 2 是由 3 种不同线 密度制得的 CGF UPR 架构夹芯材料的基本参数以 及平压性能 由表中数据可以看出 在 3 种不同线 密度玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材料中 由 900 tex 制得的 CGF UPR 架构夹芯材料的侧压强度 为 3 83 0 09 MPa 是 300tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材料侧压强度的 5 2 倍 是 600 tex 玻纤 制得的 CGF UPR 架构夹芯材料侧压强度的 1 3 倍 这是由于 900 tex 823 3 N 的短切玻纤的力学性能 高于 600 tex 536 7 N 和 300 tex 278 3 N 的短切玻 纤力学性能 从而导致了由 900 tex 短切玻纤架构 而成的 CGF UPR 架构夹芯材料的侧压强度最高 从表 2 中也可以看出 由 900 tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材料的侧压比强度最高 图 7 是由 3 种线密度制成的 CGF UPR 架构夹 芯材料的侧压应力 应变图 图 7 显示 在侧压载荷的线性阶段 CGF UPR 架构夹芯材料的蒙皮与芯材共同承受载荷 CGF UPR 架构夹芯材料结构稳定 当达到样品侧压载 荷峰值时 夹芯材料上下蒙皮首先发生不同程度的 屈曲 同时 芯材与蒙皮间开始发生分离破坏 当 图 6短切纤维受损断裂的微观形貌 Fig 6Micrographs of the chopped GF after injured and broken 图 5CGF UPR 架构夹芯材料的平压受力模式 Fig 5Flatwise compressive force mode of the CGF UPR sandwich materials 载荷 短切玻纤束 粘结点 图 7由 3 种线密度玻纤制成的 GF UPR 架构夹芯材料的 侧压应力 应变图 Fig 7Stress strain curves for the edgewise compression of the CGF UPR sandwich specimens fabricated by GF with three linear densities 0 0 应变 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 0 5 0 5 1 0 1 5 应力 MPa 2 52 05 03 0 a b c a 900 tex b 600 tex c 300 tex a b c 0 53 54 54 0 b c b 线密度 tex 蒙皮厚度 mm 表观密度 kg m 3 30 平压 载荷 kN 30 平压 强度 MPa 平压比强度 103 N m kg 1 30021 08 0 02 309 88 5 02 6 18 0 13 0 74 0 022 40 0 01 60025 14 0 02 332 35 6 54 3 77 0 21 2 88 0 068 60 0 03 90024 72 0 02 389 03 5 86 5 02 0 19 3 83 0 099 80 0 03 表 2由 3 种线密度玻纤制成的 GF UPR 架构夹芯材料样 品的基本参数以及侧压性能 Tab 2Basic parameters and edgewise compressive properties of the CGF UPR sandwich specimens fabricated by GF with three linear densities 注 蒙皮层数为 2 b 粘结点 a 纤维束 沈亚祺等 短玻纤 不饱和聚酯架构夹芯材料的压缩性能47 热 固 性 树 脂第31卷 到达样品侧压载荷峰值后 芯材随即发生剪切破 坏 此时芯材的剪切破坏与蒙皮屈曲同时进行 载 荷逐渐下降 最终 CGF UPR 架构夹芯材料发生整 体结构破坏 芯材剪切破坏过程主要表现为芯材内 部粘结点的破坏以及粘结点附近短切纤维的断裂破 坏 由于 3 种线密度的短切纤维力学性能以及面 芯粘结强度的差异 使得 CGF UPR 架构夹芯材料 表现出不同的侧压破坏形式 300 tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材料 由于蒙皮与芯材的粘结 强度高于短切玻纤间的粘结强度 到达第 1 个侧压 峰值时 如图 8 a 所示 首先芯材表现出中间层 短切纤维间发生脱粘破坏 此时上下蒙皮的弯曲变 形呈平滑曲线状 说明上下蒙皮无局部屈曲破坏 到达图 7 中第 2 个侧压峰值时 CGF UPR 架构夹 芯材料发生面板破坏以及芯材剪切破坏 最终 CGF UPR 架构夹芯材料整体失效破坏 由 600 tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材料由于上下蒙皮 与芯材的粘结强度存在差异以及蒙皮局部缺陷的存 在 导致了侧压变形由对称剖面变化转变为非对称 剖面变化 如图 8 b 所示 单侧蒙皮的向外屈曲 变形 最终导致了单侧面 芯分离破坏 由 900 tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材料在靠近压头 处的芯材发生剪切破坏 同时如图 8 c 所示 蒙 皮向外翘曲变形并伴随着面 芯的分层脱离 其中 靠近下压头处最为明显 对于由 300 tex 制成的 CGF UPR 架构夹芯材 料 在达到侧压峰值后 上下蒙皮同时发生向外屈 曲变形 随着载荷的增加 上下蒙皮在中间位置附 近同时出现断裂破坏 而对于由 600 tex 900 tex 制成的 CGF UPR 架构夹芯材料 在达到侧压峰值 后 随着载荷的增加 先屈曲的蒙皮会在中间位置 附近首先出现断裂破坏 另一蒙皮由于持续的压缩 作用而弯曲变形 因此 3 种线密度短纤制成的 CGF UPR 架构夹芯材料表现出不同的破坏模式 2 3 无屈服特性 CGF UPR 架构夹芯材料与蜂窝夹芯材料在平 压时的应力 应变曲线如图 9 所示 通过曲线可以 看出 两种夹芯材料都呈非线性特征 蜂窝夹芯材 料压缩变形曲线 a 可以分为 4 个阶段 8 线弹性阶 段 塑性屈曲阶段 塑性坍塌阶段和密实化阶段 而本文所研究的 CGF UPR 架构夹芯材料在平压应 力 应变曲线 b 中并没有屈服阶段 只有线弹性 阶段和密实化阶段 而且平压过程中不再出现明显 的结构破坏现象 因此 CGF UPR 架构夹芯材料 具有显著的平压无屈服的特性 3结论 1 通过直立式浸胶技术以及叉式架构成型工 艺制备了全新的 CGF UPR 架构夹芯材料 研究表 明 60 mm 长度的短切玻纤可以有效减少架构成型 时短切纤维的并线 该尺寸在本实验条件下具有最 佳架构成型性能 2 900 tex 玻纤制得的 CGF UPR 架构夹芯材 料的平压比强度和侧压比强度最高 分别达到 1 80 0 01 103N m kg 和 9 80 0 03 103N m kg 在力学性能测试过程中 CGF UPR 架构夹芯材料 表现出平压无屈服性 材料的这种无塑性屈服改变 了以往夹芯材料的通性 3 SEM 分析表明 由 2 种不同压缩模式所导 致的材料结构破坏均为纤维束自身破坏以及粘结点 破坏 图 8由 3 种线密度玻纤制成的 CGF UPR 夹芯 材料的侧压破坏模式 Fig 8Failure modes for the edgewise compression of the CGF UPR sandwich specimens fabricated by GF with three linear densities 应变 10 8 6 4 2 0 102030 应力 MPa 50409060 a b a CGF UPR 架构夹芯材料 b 蜂窝夹芯材料 8 7080 图 9CGF UPR 架构夹芯材料与蜂窝夹芯材料 8 的平压应力 应变图 Fig 9Stress strain curves for the flatwise compression of CGF UPR sandwich specimen and honeycomb sandwich specimen 8 c 900 tex b 600 tex a 300 tex 48 第1期 上接第 29 页 4 姚汝亮 张炜 周达 溶胶 凝胶法原位生成 SiO2改性硅基耐 烧蚀材料 J 高分子学报 2009 3 264 267 5 Ang C Seeber A Wang K et al Modification of ZrB2powders by a sol gel ZrC precursor A new approach for ultra high temperature ceramic composites J Journal of Asian Ceramic Societies 2013 1 1 77 85 6 Chiang C L Ma C C M Wu D L et al Preparation charac terization and properties of novolac type phenolic SiO2hybrid organic inorganic nanocomposite materials by sol gel method J Journal of Polymer Science Part A Polymer Chemistry 2003 41 7 905 913 7 Haraguchi K Usami Y Yamamura K et al Morphological investigation of hybrid materials composed of phenolic resin and silica prepared by in situ polymerization J Polymer 1998 39 25 6243 6250 8 Arafa I M Fares M M Barham A S Sol gel preparation and properties of interpenetrating encapsulating and blend silica based urea formaldehyde hybrid composite materials J European polymer journal 2004 40 7 1477 1487 9 HanuLG SimonGP Mansouri J et al Development of polymer ceramic composites for improved fire resistance J Journal of materials processing technology 2004 153 154 401 407 18 Vyazovkin S Modification of the integral isoconversional method to account for variation in the activation energy J Journal of Compu tational Chemistry 2000 22 2 178 183 19 Jintao Wan Zhi Yang Bu Cun jin Xu et al Learning about novel amine adduct curing agents for epoxy resins Butyl gly cidylether modified poly propyleneimine dendrimers J Ther mochimica Acta 2011 519 1 2 71 82 20 Jintao Wan Bo Geng Li Hong Fan et al Nonisothermal reaction kinetics of DGEBA with four armed starlike polyamine with ben zene core MXBDP as novel curing agent J Thermochimica Acta 2010 510 1 2 46 52 21 Nicolas Sbirrazzuoli Sergey Vyazovkin Alice Mititelul et al A Study of epoxy amine cure kinetics by combining isoconversional analysis with temperature modulated DSC and dynamic rheometry J Macromolecular Chemistry and Physics 2003 204 15 1815 1821 22 George Odian Principles of polymerization 4th Edition M New York John Wiley Sons inc 2004 110 23 Senum G I Yang R T Rational approximations of the integral of the Arrhenius function J Journal of of Thermal Analysis and Calorimetry 1977 11 3 445 447 24 Koga N Kinetic analysis of thermoanalytical data by extrapolating to infinitetemperature J ThermochimicaActa 1995 258 145 159 上接第 19 页 上接第 9 页 应力研究进展 J 纤维复合材料 2000 17 2 20 24 5 杨博 薛忠民 阿茹娜 等 聚合物基复合材料残余应力的研 究进展 J 玻璃钢 复合材料 2004 2 49 52 6 孙曼灵 热固性树脂基体的收缩与内应力 J 热固性树脂 1993 8 4 49 55 7 王甲春 阎培渝 韩建国 混凝土绝热温升的实验测试与分析 J 建筑材料学报 2005 8 4 446 451 8 Lipshitz S D Macosko C W Kinetics and energetics of a fast polyurethan