余娟娟,劉淑強(qiáng),吳改紅,陰曉龍
(太原理工大學(xué) 輕紡工程學(xué)院,山西 太原 030600)
聚乳酸(PLA)是研究和使用最為廣泛的可降解可再生脂肪族聚酯,被稱為綠色塑料[1-3],但其柔軟性和沖擊性能都較差且價(jià)格昂貴,在許多領(lǐng)域限制了其應(yīng)用[4-5],因此,常用其他纖維材料作為增韌劑來改善PLA的性能[6-8]。添加天然植物纖維增強(qiáng)PLA并沒有獲得顯著增強(qiáng)效果,且要達(dá)到理想的沖擊強(qiáng)度,必須采用溶劑鑄造或薄膜堆垛等方法,但其生產(chǎn)效率較低,不適于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。除天然纖維外,玄武巖纖維以其良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的耐高溫性能和化學(xué)導(dǎo)入性能,在纖維填充聚合物復(fù)合材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[9-11]。目前對玄武巖纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的研究很多:Liu等[12]采用雙螺桿擠出機(jī)制備玄武巖纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料,并加入聚氧乙烯接枝馬來酸酐、乙丙橡膠接枝馬來酸酐和丙烯酸-縮水甘油酯-甲基丙烯酸乙烯共聚物,提高了復(fù)合材料的性能;陳曦[13]將玄武巖纖維引入聚乳酸基體中,用于硬組織修復(fù)復(fù)合材料的制備,但對于玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的研究鮮有報(bào)道。呂麗華等[14]曾采用熱壓法成型工藝制備阻燃型玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料,但其著重研究復(fù)合材料的阻燃性,并沒有深入探索如何提高玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能。
本文采用真空灌注法制備玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料,首先采用偶聯(lián)劑KH550處理玄武巖織物(BF)的表面,從化學(xué)角度解決玄武巖織物與聚乳酸基體的界面結(jié)合問題;同時(shí)改變玄武巖織物鋪層層數(shù)和鋪層角度,從物理方向探索鋪層方式對玄武巖織物/聚乳酸復(fù)合材料的影響,探討玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料力學(xué)性能的方法。
左旋聚乳酸(PLA)粉末,黏均分子量為51 000,美國NatureWorks公司;玄武巖織物,纖維單向布,組織結(jié)構(gòu)為平紋,測試布樣尺寸為250 mm×50 mm時(shí),其經(jīng)向拉伸斷裂強(qiáng)力為1 305.33 N,緯向拉伸斷裂強(qiáng)力為1 250.67 N,山西晉投科技有限公司;硅烷偶聯(lián)劑KH550、二氯甲烷、氫氧化鈉、無水乙醇,山東優(yōu)索化工科技有限公司;過氧化苯甲酰二丁酯糊,天津市合成材料廠;脫模劑,北京克拉斯化工技術(shù)有限公司。
1.2.1玄武巖織物表面處理
采用硅烷偶聯(lián)劑KH550對玄武巖織物進(jìn)行表面處理。將玄武巖織物試樣浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的堿液中,30 min后取出,至少清洗3次后放入 80 ℃真空烘箱中充分干燥,待用。然后配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KH550醇解液,將上述處理織物置于其中,于室溫下反應(yīng)30 min后,用無水乙醇洗去未經(jīng)反應(yīng)的KH550。
1.2.2玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的制備
采用真空灌注法制備復(fù)合材料。首先將干燥的PLA粉末溶于二氯甲烷中,在25 ℃條件下,磁力攪拌直至全部溶解。然后將KH550處理的玄武巖織物以多層或不同角度封裝于真空灌注設(shè)備中,檢查完真空袋氣密性后保持真空。在室溫下將聚乳酸灌入玄武巖織物中,灌注完畢后關(guān)閉真空閥,待成型后將其放入真空烘箱中(80 ℃,50 min)固化一段時(shí)間。隨后置于通風(fēng)櫥中72 h,徹底除去二氯甲烷,最終得到玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料。鋪層角度設(shè)置2層織物:第1層的織物均為經(jīng)緯向排列;第2層織物要與第1層織物的緯向呈一定角度。
1.3.1力學(xué)性能測試
參照GB T1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》,在 INSTRON3369型萬能強(qiáng)力儀上測試玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的拉伸性能測試。拉伸速度為10 mm/min,樣條尺寸為250 mm×25 mm×2 mm。
1.3.2斷裂形貌測試
室溫下,試樣經(jīng)噴金理后,利用JEM2100F型掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料拉伸斷裂形貌。
圖1示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KH550對玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料拉伸斷裂性能的影響。可看出,復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度隨著KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加出現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí),其無法與玄武巖纖維充分反應(yīng),界面間的化學(xué)鍵很難形成。隨著KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,過量的偶聯(lián)劑會(huì)吸附在纖維表面,使得纖維表面會(huì)形成弱界面層,降低界面結(jié)合性能,進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料性能下降。當(dāng)KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),復(fù)合材料的拉伸斷裂性能最好,斷裂強(qiáng)度達(dá)到82 MPa。
圖1 KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)對拉伸斷裂性能的影響Fig.1 Effect of KH550 mass fraction on tensile fracture properties
為進(jìn)一步分析原因,研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)KH550處理復(fù)合材料的拉伸斷裂形貌,如圖2所示。由圖2(a)可知,經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% KH550處理的復(fù)合材料拉伸斷裂后,玄武巖纖維呈松散狀態(tài),抽拔嚴(yán)重,且拔出的纖維表面光滑,表明少量的KH550并沒有起到偶聯(lián)劑的作用,玄武巖織物與聚乳酸基體的界面不相容。受力時(shí)界面一旦出現(xiàn)裂紋,裂紋擴(kuò)展使得纖維與基體瞬間分離,導(dǎo)致復(fù)合材料抗拉伸斷裂能力低;由圖2(b)可知,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的 KH550處理玄武巖織物的斷口整齊,纖維與聚乳酸基體結(jié)合緊密,纖維幾乎沒有被拉斷而抽拔出來,仍連接在兩斷裂面之間,說明KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)合適時(shí)能改善纖維與聚乳酸的界面結(jié)合狀態(tài),KH550將會(huì)連接織物與基體共同抵抗外力;由圖3(c)可以看出少量纖維被拔出,且表面有樹脂附著,說明KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí),界面處理效果不佳,在受力時(shí),界面的弱結(jié)合力無法持續(xù)地抵抗外力,達(dá)到受力極限,會(huì)導(dǎo)致界面分離。
圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)KH550處理后復(fù)合材料的拉伸斷面掃描電鏡照片(×200)Fig.2 SEM images of tensile section of composites treated with different mass fractions of KH550(×200)
玄武巖織物鋪展角度對復(fù)合材料的拉伸斷裂性能的影響如圖3所示。
圖3 鋪層角度對拉伸斷裂性能的影響Fig.3 Effect of layingangle on tensile fracture properties
從圖中可以看出,曲線呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢,當(dāng)織物的鋪層角度為45°時(shí),復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度最低,為55 MPa;而當(dāng)織物的鋪層角度為0°和90°時(shí),復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度則出現(xiàn)較高的現(xiàn)象,拉伸斷裂強(qiáng)度分別為65、64 MPa。分析可知:當(dāng)織物鋪層角度為90°時(shí),織物抵抗拉伸破壞主要由緯向纖維承受;而當(dāng)織物鋪層角度為0°時(shí),織物抵抗應(yīng)力破壞則主要由經(jīng)向纖維承受;當(dāng)織物鋪層角度為θ為15°、30°和45°時(shí),由經(jīng)向、緯向的纖維共同承受應(yīng)力破壞作用。Kilby[15]曾在研究織物各方向上受力時(shí)的彈性模量變化發(fā)現(xiàn),在45°拉伸方向上織物拉伸模量最大,且在0°~ 45°方向上呈上升趨勢,45°~ 90°方向上逐漸下降。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其相反,可能原因是復(fù)合材料的各向異性致使織物與樹脂之間的結(jié)合力下降,層間性能降低,在外力的作用下,層與層的結(jié)合界面可能首先破壞,出現(xiàn)微裂紋。各向異性的程度越強(qiáng),這種層間的弱結(jié)合力表現(xiàn)得越明顯。
圖4示出不同鋪層角度復(fù)合材料的拉伸斷裂截面的微觀結(jié)構(gòu)??梢园l(fā)現(xiàn):圖4(a)復(fù)合材料的經(jīng)紗和緯紗之間的縫隙完全重疊,聚乳酸樹脂在灌注時(shí)能很好地流通,這樣聚乳酸樹脂與織物結(jié)合比較緊密,使得復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)緊實(shí);圖4(c)中復(fù)合材料由于經(jīng)紗和緯紗的密度不一樣,之間的縫隙大小不一,部分重疊使聚乳酸樹脂在與織物結(jié)合過程受阻,導(dǎo)致樹脂無法完全地浸潤全部的纖維,影響織物與聚乳酸基體的結(jié)合;而圖4(b)所示的復(fù)合材料拉伸破壞現(xiàn)象尤其嚴(yán)重,由于疊放的角度不利于樹脂的灌注,層與層之間存在少量樹脂,受力時(shí)層間最早出現(xiàn)裂紋,最終層間分離,現(xiàn)象十分明顯。
圖4 不同鋪層角度復(fù)合材料拉伸斷裂掃描電鏡照片(×200)Fig.4 SEM images of tensile section of composites with different layer angles(×200)
玄武巖織物的鋪層層數(shù)對復(fù)合材料的拉伸斷裂性能影響如圖5所示。
圖5 鋪層層數(shù)對拉伸斷裂性能影響Fig.5 Effect of layer number on tensile fracture properties
從圖中可以看出,隨著玄武巖織物層數(shù)的增加,玄武巖織物增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度幾乎呈直線上升趨勢。究其原因可能是在斷裂過程中,破壞試樣不僅要破壞聚乳酸基體,還要破壞織物及織物和基體間的界面。在一定的范圍內(nèi),織物鋪層層數(shù)越多,所需材料斷裂的力就越來越大,復(fù)合材料的拉伸斷裂能力也越好。當(dāng)試樣受力拉伸時(shí),裂紋先從試樣內(nèi)部產(chǎn)生,隨著作用力的增加,裂紋沿著試樣逐漸向外擴(kuò)展延伸。由于織物的阻擋,裂紋在擴(kuò)展過程中受到阻礙使其擴(kuò)展改變了方向,使得復(fù)合材料可承受拉伸斷裂力比聚乳酸基體大??椢镤亴訉訑?shù)越多,裂紋擴(kuò)展過程中裂紋轉(zhuǎn)向的次數(shù)也越多,試樣破壞所需的作用力也越大,從而復(fù)合材料拉伸斷裂強(qiáng)度不斷增加。
1)采用偶聯(lián)劑KH550處理玄武巖織物的表面使得玄武巖織物/聚乳酸復(fù)合材料拉伸斷裂性能得到提高。當(dāng)KH550質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí),復(fù)合材料的拉伸斷裂強(qiáng)度達(dá)到82 MPa,且斷口整齊。
2)通過改變玄武巖織物的鋪層角度和鋪層層數(shù)發(fā)現(xiàn),玄武巖織物鋪層角度為0°和90°時(shí),其力學(xué)性能較優(yōu),45°鋪設(shè)時(shí)力學(xué)性能最差,層間易分離;另外隨著玄武巖織物鋪層層數(shù)在一定范圍內(nèi)的增多,復(fù)合材料拉伸斷裂強(qiáng)度逐漸上升。
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