碱处理对涤纶%2f光敏树脂复合材料力学性能的影响

碱处理对涤纶碱处理对涤纶 2f 2f光敏树脂复合材料力学性能的影响光敏树脂复合材料力学性能的影响 第40卷第7期2019年7月纺织学报Journal ofTextile ResearchVol 40 No 7Jul 2019DOI 10 13475 j fzxb 20180705406 碱处理对涤纶 光敏树脂复合材料力学性能的影响宋星 祝成炎 蔡冯 杰 吕智宁 田伟 浙江理工大学材料与纺织学院 丝绸学院 浙江杭 州310018 摘要针对光敏树脂经3D打印成型后试样力学性能较差问题 采用涤纶长丝增强光敏树脂的方法 使用光固化3D打印设备将涤纶 长丝和光敏树脂复合成型制备涤纶增强复合材料 为获得较好的增强效果 对涤纶进行碱处理 研究了碱处理各条件下 涤纶的减量率与纤维形貌和力学性能的关系 以及其对复合材料力学 性能的影响 结果表明 随着减量率的增加 涤纶的形貌及力学性能改变越明显 当 涤纶减量率为16 2 时 纤维表面出现连续纵向沟壑 力学强度下降6 纤维的增强效果最好 经过改性处理的涤纶增强复合材料的拉伸强 度和弯曲强度分别达到78MPa和471MPa 相比于未处理的纤维增强复 合材料分别提升了66 和336 关键词涤纶 光敏树脂 3D打印 复合材料 碱处理 拉伸强度 弯曲强 度 TS195 5文献标志码 A Influence of alkali treatment onmechanical properties ofpolyester photosensitive resin positesSONG Xing ZHU Chengyan CAI Fengjie L Zhining TIAN Wei Silk Institute College ofMaterials andTextiles Zhejiang Sci Tech University Hangzhou Zhejiang310018 China Abstract Aimingat theproblem ofpoor mechanical properties ofphotosensitive resinafter3D printing the methodusing polyester filament toreinforce photosensitive resin wasadopted tofabricate polyesterreinforcedposite materialby positemolding of polyesterfilamentand photosensitive resin usingstereolithography appearanceequipment In orderto obtainbetter reinforcementeffect the polyester fiberwas treatedwith alkali The relationshipbetween thealkali reduction ratio of polyester and the morphologyandmechanical propertiesof thepolyester undervarious alkali treatment conditionswas analyzed and itsinfluenceon themechanical propertiesof theposite wasmeasured The resultsshow thatthemorphology andmechanical propertiesof the fiber changemore obviouslywith theincrease ofalkalireduction ratio When thepolyester alkalireductionratiois16 2 continuous longitudinalgully appearsonthefibersurface and thefiber mechanicalstrength decreasesby6 and thefiber reinforcingeffectis thebest The tensile strength and flexural strengthof themodified polyester fiber reinforcedpositesreach78MPa and471MPa respectively andthetensile strengthandflexural strength increaseby66 and336 pared withthe untreatedfiber reinforcedposite respectively Keywords polyester fiber photosensiltive resin 3D printing posite material alkali treatment tensilestrength flexuralstrength 2018 07 20修回日期 2019 03 30第一作者 宋星 1992 男 硕士生 主要研究方向为基于3D打印技术的纤维增强复合材料的制备 通信作者 田伟 1978 女 副教授 博士 主要研究方向为纺织结构复合材料及功能性纺织品 E mail 47151938 qq 3D打印是利用3D打印设备将设计的模型通过逐层堆积的方法实现三 维产品的加工制造 这种逐层堆积材料加工技术又被称作增材制造 1 2 与传统制造技术相比 3D打印具有成型快 工艺简单 产品可设计性好 等优点 受打印材料的限定 3D打印也存在打印制品力学性能较差的问题 限 制了其产品和技术的发展 为解决光固化3D打印试件力学性能较差的问万方数据纺织学报第40 卷题 国内外已有学者对此问题进行研究 主要有2种方法 一种是通过改性光敏树脂增强成型件的力学性能 另 一种是利用增强纤维制备纤维增强复合材料以提高光敏树脂基复合 材料的力学性能 如 王蕾 3 通过在光敏树脂中加入氧化石墨烯 硅藻土等改善光敏 树脂的拉伸 弯曲 固化率等性能 权利军 4 通过在光敏树脂中混 入短切碳纤维制成短切碳纤维增强复合材料 提高成型材料的力学性 能 国外如瑞士汽巴 嘉基公司 GIBA GEIGY 推出的SL XB 5081 SL XB 5131 SL XB5149产品 杜邦公司推出的商业化树脂Derlin2100 2110 Derhn3100 3110 也是通过对光敏树脂改性提高树脂的固化速度及韧性 5 光敏树脂成分较为复杂且部分原料难以获取 对其进行改性但却无法 定量表征改性效果 6 通过在光敏树脂中加入增强纤维就成为解决3D打印光敏树脂成型件 力学性能较差的有效方式 与短纤相比 涤纶长丝的连续性好 增强效果好 本文采用连续性较好的涤纶长丝与光敏树脂复合制备纤维增强复合 材料 由于涤纶表面光滑 大分子链表面活性官能团少 需要对纤维进行一 定的改性以提高纤维与基体的结合效果 采用碱处理改性方式 通过碱液中的氢氧根离子与涤纶大分子反应增 加纤维表面粗糙度 增大纤维的比表面积 进而改善纤维与基体的结 合效果 提高复合材料的力学性能 1试验部分1 1材料与仪器高强低伸涤纶长丝 裕彤纺织有限公司 M BLACK光敏树脂 宁波智造数字科技有限公司 氢氧化钠固体 杭州高 晶精细化工有限公司 HH 2型数显恒温水浴锅 常州普天仪器制造有限公司 DZF 6050型真空干燥箱 扬州慧科电子有限公司 AL204 IC型电子天平 梅特勒 托利多 上海 有限公司 光固化 SLA 3D打印机 宁波智造数字科技有 限公司 MTS Landmark型万能材料试验机 MTS系统 中国上海 公司 Instron3369 型电子万能材料试验机 美国Instron公司 JSM 5610型扫描电子显微镜 日本株式会社 1 2涤纶碱处理及其增强复合材料制备涤纶长丝碱处理 使用丙酮溶 液在水浴锅于70 条件下清洗一定量的涤纶长丝 再用蒸馏水洗净残 液 然后用烘箱将涤纶烘干并称取质量 按照表1设定的碱处理条件配制不同质量分数的碱液 使用恒温水浴锅设置不同的处理温度 通过涤纶浸渍时间的长短控制 碱处理涤纶长丝时间 表1涤纶长丝碱处理条件Tab 1Alkali treatment conditions of polyester fiber样品编号碱质量分数 处理温度 处理时间 h1 5701 52 107 01 53 15701 54 20701 55 25701 56 10251 07 10401 08 10551 09 10701 010 10851 011 5700 512 5701 013 5701 514 5702 015 57 02 5涤纶增强光敏树脂复合材料的制备 将不同条件碱处理后的涤纶与光敏树脂 成型后涤纶质量分数为15 通过光固化3D打印机快速复合成型 3D打印参数设置为 切片层厚0 2 mm 每层曝光时间30s 具体装置如图1所示 首先将涤纶长丝平铺在打印平台中 再向打印槽中缓慢加入光敏树脂 在紫外光照射下 液态的光敏树脂迅速发生聚合反应 7 当首层光 敏树脂固化后 打印平台下降一定高度 继续将第2层高度的液态光敏 树脂固化 如此往复 直至打印完毕 图1纤维增强光敏树脂复合材料3D打印工艺原理图Fig 1Schematic representationof fiber reinforcedphotosensitive resinposite3D printingprocess1 3测试与表征1 3 1拉伸性能测试按照GB T3354 xx 定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法 使用电子 万能材料试验机对试样进行拉伸性能测试 拉伸速度为1mm min 根据下式计算试样的拉伸强度 89 万方数据第7期宋星等 碱处理 对涤纶 光敏树脂复合材料力学性能的影响 P maxab式中 为拉伸强度 MPa P max为最大负荷 N a为试样宽度 mm b为试样厚度 mm 1 3 2弯曲性能测试按照GB T3356 xx 定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验方法 使用电子 万能材料试样机 采用三点弯曲测试方法测试试样的弯曲性能 加载 速度为5mm min 根据下式计算相应的弯曲强度 f 3P maxL2 h2式中 f为弯曲强度 MPa P max为试样承受的最大载荷 N L为跨距 mm 为试样宽度 mm h为试 样厚度 mm 1 3 3拉伸断裂强力测试使用电子万能材料试验机 采用单丝拉伸性 能测试方法测试纤维的拉伸断裂强力 设置夹距为50mm 拉伸速度为1 0mm min 根据下式计算单丝拉伸断裂强力 4P D2 10式中 为单丝拉伸 断裂强度 GPa P为纤维单丝拉伸断裂强力 cN D为单丝直径 m 1 3 4形貌表征使用扫描电子显微镜观察涤纶经碱液处理后纤维的纵 向形貌及复合材料的横截面 2结果与讨论2 1碱处理对涤纶形貌和力学性能影响图2示出不同处理 条件下涤纶的纵向截面电镜照片 图2碱处理对涤纶形貌的影响Fig 2Influence ofalkali treatmenton surfacemorphology ofpolyesterfiber由图2 a c 可知 3 样品表面有少许颗粒附着 4 样品纵向出现连续沟壑 5 样品纵向形貌几乎完全改变 由图2 d f 可知 8 样品纵向几乎无变化 9 样品纵向开始出现少 量的沟壑 10 样品纵向的沟壑增加 由图2 g i 可知 随着处理时间的延长 涤纶纵向截面几乎无变化 涤纶碱处理的机制是涤纶大分子与碱发生水解反应 涤纶分子酯基断 裂生成苯二钾酸钠和乙二醇 8 9 该反应会对纤维的形貌和力学性能有一定的影响 因此 采用减量率 统一表征纤维的处理效果 表2示出相应的涤纶的减量率 表2不同碱处理条件下涤纶纤维的减量率Tab 2Alkali reductionrate ofpolyesterfiberunderdifferent alkali treatmentconditions样品编号减量率 样品编号减量率 1 4 39 1 2 72 6 110 15 33 10 111 2 34 16 212 3 25 25 713 4 56 6 114 6 37 8 215 8 68 9 6 99 万方数据纺织学报第40卷由图2所示的 纤维纵向截面图结合表2减量率可以发现 当减量率为10 1 时 纤维 表面有颗粒附着 当减量率在12 7 16 2 范围时 涤纶表面出现间断 或连续纵向沟壑 当减量率达到25 7 时 涤纶表面原有的纵向沟壑被 破坏 这是因为随着碱减量的提高 涤纶的水解反应更加充分 纤维表面大 分子的刻蚀效果更加明显 碱处理对纤维的力学性能会造成一定的损伤 图3示出不同碱处理条 件对涤纶拉伸断裂强度的影响 图3碱处理对涤纶力学性能的影响Fig 3Influence ofalkali treatmenton mechanicalproperties ofpolyesterfiber a Influence ofalkaliconcentration b Influence oftreatment temperature c Influence ofprocessing time由图3 a 可以发现 当碱液的质量分数低于10 时 碱处理对涤纶 的力学损伤程度较低 当碱液质量分数高于20 时 碱处理对涤纶的力 学损伤程度较大 这是因为涤纶由结晶区与非结晶区组成 当碱质量分数较低时 反应 主要发生在涤纶表面的非结晶区 对涤纶大分子主链及纤维结晶区的 影响较小 10 当碱质量分数继续增加时 纤维的非结晶区继续反应 纤维力学性能持续下降 因此 随着碱质量分数的增加 纤维的力学性 能逐渐下降 对涤纶的碱处理 碱质量分数应该控制在一定范围 以保证纤维的力 学性能不会被严重破坏 由图3 b c 可知 随着碱处理温度的升高和碱处理时间的延长 涤 纶拉伸断裂强度出现一定的损伤 但损伤程度较小 因为温度升高可增加活化分子的含量 处理时间的延长是在原有活化 分子的基础上促使反应充分进行 所以温度和时间对反应有一定的促 进作用 但对反应的影响程度较小 由图3纤维碱处理条件下的力学性能结合表2减量率可以发现 减量率 与纤维的力学性能呈负相关 随着减量率的提高 纤维的力学性能逐 渐减小 因为随着减量率的提高 纤维的刻蚀效果更加明显 纤维均匀度变差 出现一定的弱环 所以导致力学性能的下降 2 2碱质量分数对复合材料力学性能影响图4示出碱质量分数对涤纶 纤维增强光敏树脂复合材料拉伸和弯曲性能的影响 可以看出 随着碱质量分数的增加 涤纶增强复合材料的拉伸强度和 弯曲强度均呈现先增加后减少的趋势 当碱质量分数为20 即纤维减量率为16 2 时 试样的拉伸强度达到 最大值78MPa 弯曲强度达到最大值471MPa 图4碱质量分数对试样力学性能的影响Fig 4Influence ofalkali concentrationon mechanicalpropertiesofpolyesterfiberreinforcedphotosensitiv eresin碱处理可提高涤纶与光敏树脂的结合效果 图5示出2 和4 试样的横截面扫描电镜照片 可以看出 随着碱质量分数的增加 涤纶与树脂基体的结 001 万方 数据第7期宋星等 碱处理对涤纶 光敏树脂复合材料力学性能的影响 合效果得到改善 这是因为当碱质量分数增加时 纤维的表面粗糙度增加 比表面积增 大 光敏树脂更易与涤纶结合 复合材料的力学性能得到提高 当纤维减量率为16 2 时 在本文研究条件下 试样的力学性能达到最 优 当碱质量分数继续增加时 纤维的力学损伤加大 对其增强光敏树脂 基的力学增强效果开始减弱 图5涤纶纤维增强光敏树脂复合材料SEM截面照片Fig 5SEM imagesofpolyesterfiber reinforcedphotosensitive resinposite2 3碱处理温度对复合材料力学性能影响图6示出碱处理 温度对涤纶增强光敏树脂拉伸与弯曲性能的影响 由图可知 随着碱处理温度的升高 涤纶增强光敏树脂的拉伸和弯曲 性能都有所提高 当处理温度为85 时 试样的拉伸强度达到最大值6 8MPa 弯曲强度达到最大值170MPa 温度的升高有利于水解反应的进行 11 使涤纶的减量率有所提高 纤维得到一定的改性 因此 纤维与光敏树脂的界面结合效果改善 而 纤维的力学性能下降较小 复合材料的力学性能提高 故随着温度的升高 材料的拉伸和弯曲性能逐渐增加 图6碱处理温度对试样力学性能的影响Fig 6Influence ofalkalitreatmenttemperature onmechanicalpropertiesofpolyester fiberreinforcedphotosensitiveresin2 4碱处理时间对复合材料力 学性能影响图7示出碱处理时间对涤纶增强光敏树脂拉伸与弯曲性能 的影响 可以看出 随着碱处理时间的延长 涤纶增强光敏树脂拉伸与弯曲性 能都呈上升的趋势 当处理时间为2 5h时 试样的拉伸强度达到最大 值71MPa 弯曲强度达到最大值126MPa 碱处理时间延长 涤纶与碱液的水解反应越充分 涤纶的减量率有所 增加 纤维得到一定的改性且力学性能下降较小 因此 涤纶与光敏树 脂的结合效果提高 材料的弯曲和拉伸性能变好 但与碱质量分数和碱处理温度相比 碱处理时间的延长对涤纶及其增 强复合材料的影响较弱 因为碱处理时间的延长虽然对纤维的力学损 伤较小 但对纤维的形貌基本无改变 纤维的比表面能增加较小 与树 脂基体结合效果没有得到改善 图7碱处理时间对试样力学性能的影响Fig 7Influenceofalkalitrea tmenttime onmechanicalpropertiesofpolyesterfiberreinforcedphotosensit iveresin3结论1 碱处理可改变涤纶的形貌及力学性能 在纤维力学 性能损伤较小的情况下 通过涤纶改性改善复合材料的界面结合效果 可提高复合材料的力学性能 涤纶减量率越大 纤维的形貌改变程度越明显 力学性能损伤越大 2 碱质量分数 碱处理温度 碱处理时间对涤纶的改性效果影响程 度不同 碱质量分数影响最大 当碱质量分数为20 温度为70 时间为1 5h 时 涤纶表面形成连续的纵向沟壑 当碱质量分数为25 时 纤维表面 连续纵向沟壑被破坏 纤维力学性能受到一定损伤 碱处理温度影响次之 随着处理温度升高 纤维表面形成间断的纵向 沟壑 碱处理时间对纤维的形貌几乎无影响 碱处理温度和时间对涤纶的力学损伤较小 3 随着涤纶减量率的增加 涤纶增强光敏树脂复合材料的力学性能呈 现先增加后减小的趋势 当减量率为16 2 碱质量分数为20 温度为70 时间为1 5h 时 复 合材料的力学性能最好 FZXB 101 万方数据纺织学报第40卷参考文献 1 王延庆 沈竞兴 吴海全 3D打印材料应用和研究现状 J 航空材料学报 xx 36 4 89 98 WANG Yanqing SHEN Jingxing WU Haiquan Application andresearch statusof alternativematerialsfor3D printingtechnology J Journal ofAeronauticalMaterials xx 36 4 89 98 2 杜宇雷 孙菲菲 原光 等 3D打印材料的发展现状 J 徐州工 程学院学报 自然科学版 xx 29 1 20 24 DU Yulei SUN Feifei YUAN Guang et al Currentstatus ofmaterials forthree dimensional printing J Journal ofXuzhou Instituteof Technology NaturalSciences Edition xx 29 1 20 24 3 王蕾 3D打印材料光敏树脂的改性研究 D 武汉 武汉纺织大 学 xx 9 10 WANG Lei Study onmodification of3D printingphotosensitiveresins D Wuhan Wuhan TextileUniversity xx 9 10 4 权利军 纤维增强3D打印复合材料的制备及力学性能 D 杭州 浙江理工大学 xx 7 18 QUAN Lijun Preparation andmechanicalpropertiesoffiber reinforced3D printingposites D Hangzhou Zhejiang Sci Tech University xx 7 18 5 翟媛萍 光固化快速成型材料的研究与应用 D 南京 南京理 工大学 xx 7 ZHAI Yuanping Study andapplication ofmaterial instereolithography D Nanjing Nanjing UniversityofScience andTechnology xx 7 6 钱波 王明义 刘志远 等 3D打印光敏树脂 的性能研究 J 高校化学工程学报 xx 31 1 191 196 QIAN Bo WANG Mingyi LIU Zhiyuan et al Research photos