竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

梁春群，莫 攸

（廣西師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院院，廣西 南寧 530001）

竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能研究

梁春群，莫 攸

（廣西師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院院，廣西 南寧 530001）

采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)竹纖維進(jìn)行表面改姓，通過熱壓成型工藝制備了竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（EP）復(fù)合材料。研究了竹纖維（BF）的長(zhǎng)度、竹纖維含量和CaCO3含量對(duì)竹纖維/ 環(huán)氧（BF/EP）復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料，拉伸和沖擊強(qiáng)度得到明顯改善；當(dāng)竹纖維含量為20%時(shí), BF/EP復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳, 拉伸和沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到37.64MPa、8.30MPa。

竹纖維 環(huán)氧樹脂 復(fù)合材料 力學(xué)性能

目前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維主要是由玻璃纖維、芳綸和碳纖維等，這些增強(qiáng)纖維材料性能良好且均勻，但它們一般都存在著加工困難、耗能大、造價(jià)高、易造成環(huán)境污染等問題。而天然植物纖維如竹纖維等來源廣泛、性能適中，它們?cè)趶?fù)合材料中的應(yīng)用正越來越引起國(guó)內(nèi)外材料界的重視[1～6]。我國(guó)竹類資源豐富,竹材產(chǎn)量高,而竹子的再生能力強(qiáng),成材期短,生長(zhǎng)迅速, 栽種成活后4～5年即可成林砍伐。竹材料纖維由于其強(qiáng)度高、原料豐富、天然抗菌性好、吸濕放濕和質(zhì)感柔軟等特點(diǎn)，目前主要用于建筑、造紙和紡織[7～9]等行業(yè),因其有很好的強(qiáng)度特性,也用于制作高性能的復(fù)合材料[10]。本文對(duì)竹纖維進(jìn)行改性，并將改性竹纖維作為增強(qiáng)材料，制備了竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并研究了材料的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料與儀器

原料：環(huán)氧樹脂 E-44和低分子量聚酰胺樹脂650(工業(yè)品)、氫氧化鈉(AR)、硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)(工業(yè)品)、高錳酸鉀(AR)、冰醋酸(AR)。

儀器：XWW-20型萬能試驗(yàn)機(jī)、XYZ-12型啞鈴型制樣機(jī)、XQZ-1型缺口制樣機(jī)、XJUD-55電子懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)。

1.2 竹纖維的提取及表面改性

將竹片在堿濃度為30g·L-1，Na2SO4濃度為1 g·L-1,焦磷酸鈉濃度為0.5 g·L-1的溶液里煮沸2h，脫去纖維表面的膠質(zhì)，再用酸洗和水洗，最后處理成細(xì)絲狀，在70℃下烘干5h，取出備用[11]。

往95%的乙醇水溶液中加入濃度為0.6%的KH-550型硅烷偶聯(lián)劑,比例為6∶4,充分混合1h，用醋酸調(diào)節(jié)pH為4，把上面處理好的竹纖維放入上述溶液中浸泡1.5h,取出竹纖維并在70℃恒溫烘箱中干燥。

1.3 復(fù)合材料的制備和性能測(cè)試

采用熱壓成型制作竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板。室溫下將竹纖維、環(huán)氧樹脂、聚酰胺、鄰苯二甲酸二丁脂、咪唑、無水乙醇混合均勻，將混合物放入模具中，在平板硫化機(jī)上預(yù)熱15min,然后加壓,在80℃下保壓固化3h, 再在100℃下保壓固化2h,開模取出放入烘箱抽真空至0.07MPa,在100℃下烘20h,制成復(fù)合材料。放置7d后測(cè)試相關(guān)的力學(xué)性能。拉伸性能按照GB/T 1040測(cè)試；沖擊性能按照GB/T 1843測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 竹纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖1和圖2可知，竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能均比未添加竹纖維的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高。BF/EP復(fù)合材料的拉伸、沖擊強(qiáng)度隨著纖維含量的增加，當(dāng)纖維含量增加到20%時(shí)，拉伸、沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，比純 EP材料的拉伸、沖擊強(qiáng)度分別增加了112%和54.7%；竹纖維含量繼續(xù)增加，拉伸性能隨之下降。這是因?yàn)橹窭w維增強(qiáng)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的最主要因素是基體將承受的載荷傳遞給增強(qiáng)纖維，當(dāng)含量較低時(shí),復(fù)合材料的強(qiáng)度主要取決于基體材料即樹脂的強(qiáng)度, 在基材中所起的增強(qiáng)作用不足以抵消在基材中形成的應(yīng)力缺陷所起的破壞作用, 隨著含量的增加,復(fù)合材料所受應(yīng)力均勻分布, 強(qiáng)度才得以提高, 當(dāng)含量達(dá)到臨界纖維體積分?jǐn)?shù)時(shí)出現(xiàn)最大值，這與材料加工時(shí)原材料含量對(duì)體系工藝條件的影響和纖維含量在基體樹脂中的分散程度有關(guān)。當(dāng)纖維含量超過臨界值時(shí)，BF用量繼續(xù)增加造成了纖維在樹脂中的分散性下降和界面間的粘合性變差，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。當(dāng)纖維量超過40%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)急劇下降。

材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨著纖維含量的增加總體上呈下降趨勢(shì)，纖維含量為零時(shí)，材料的斷裂伸長(zhǎng)率較大，當(dāng)材料中加入增強(qiáng)纖維后，試樣的斷裂伸長(zhǎng)率迅速降低，纖維增強(qiáng)復(fù)合的拉伸斷裂實(shí)質(zhì)上是其拉伸區(qū)間內(nèi)最薄弱部分的所有基原纖維或樹脂大分子逐漸被抽拔或拉斷, 復(fù)合材料的材料斷裂伸長(zhǎng)率取決于纖維，一般而言,承受拉伸力的大分子和纖維的根數(shù)越多,纖維強(qiáng)力越大，斷裂伸長(zhǎng)率越小。因此，纖維含量的增加減小試樣的斷裂伸長(zhǎng)率。

綜上所述，竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，大大提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。當(dāng)纖維含量達(dá)20%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳，拉伸和沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到22.86MPa、7.78MPa，比純EP材料分別增加了112 %、54.7%。

圖1 竹纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖2 竹纖維含量對(duì)復(fù)合材料沖擊性能的影響

2.2 竹纖維長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖3和圖4可知, 復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著纖維長(zhǎng)度的增加而顯著提高，當(dāng)纖維的長(zhǎng)度為20mm時(shí), BF/EP復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳, 拉伸和沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到37.64MPa、8.30MPa。其后隨著纖維長(zhǎng)度的增加反而有所下降。對(duì)于不同的纖維的長(zhǎng)度,作用在纖維上的拉應(yīng)力也不同, 單向短纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度取決于纖維長(zhǎng)度L, 若L小于Lc（當(dāng)應(yīng)力達(dá)到纖維斷裂時(shí)的最短纖維長(zhǎng)度稱為臨界纖維長(zhǎng)度Lc）, 則纖維上的拉應(yīng)力達(dá)不到纖維的斷裂強(qiáng)度,這時(shí)，纖維只能拔出；當(dāng)L大于Lc時(shí), 纖維會(huì)發(fā)生斷裂[12]。所以，在臨界纖維長(zhǎng)度以下，纖維越長(zhǎng)，纖維與基體之間的界面強(qiáng)度越大，纖維對(duì)基體的增強(qiáng)效果越好。如果纖維長(zhǎng)度較小，則載荷將從基體傳遞到一段很短的纖維上去，纖維應(yīng)力不能達(dá)到其應(yīng)有的承載能力。另一方面，如果要求在一段小的纖維長(zhǎng)度內(nèi)由基體向纖維傳遞較大的力，則界面應(yīng)力太大，可能引起界面脫膠或基體屈服。

圖3 竹纖維長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖4 竹纖維長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料沖擊性能的影響

2.3 填料CaCO3的含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖 5和圖 6可知，當(dāng)復(fù)合材料加入 CaCO3時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有較大的提高，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度則呈下降趨勢(shì)，但是下降趨勢(shì)很小，基本上沒有影響材料的使用；隨著含量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度呈緩慢上升，當(dāng)增加到 8%時(shí)達(dá)到最大值，拉伸強(qiáng)度達(dá)到33.79MPa,繼續(xù)增加達(dá)到10%時(shí)，拉伸性能反而下降，這是由于CaCO3在材料中較易分散，而且還可以起到潤(rùn)滑作用，使基體樹脂與竹纖維更易混合均勻，CaCO3粉末均勻分布和填充在樹脂基體的微小間隙中,減少應(yīng)力缺陷，當(dāng)材料受到負(fù)載時(shí),可以更迅速和均勻地傳遞應(yīng)力,能有效地提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。CaCO3用量過大，CaCO3與材料的相容性變差，界面粘合力減弱，造成材料的性能反而下降。

總之，適量地增加填料CaCO3，一方面既能提高材料的拉伸性能，另一方面又能部分降低生產(chǎn)成本。

圖5 CaCO3含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖6 CaCO3含量對(duì)復(fù)合材料沖擊性能的影響

3 結(jié)論

（1）竹纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，大大提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能,當(dāng)纖維含量達(dá)20%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳，拉伸和沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到22.86MPa、7.78MPa，比純EP材料分別增加了112 %、54.7%。

（2）復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著纖維長(zhǎng)度的增加而顯著提高，當(dāng)纖維的長(zhǎng)度為 20mm時(shí), BF/EP復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳, 拉伸和沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到 37.64MPa、8.30MPa。

（3）從加工性能考慮，可以在材料中適當(dāng)加入 CaCO3粉末填料，一方面可以適當(dāng)降低材料成本，另一方面可以改善加工性能，使各原料更易充分混合均勻，還可以提高材料的硬度、拉伸強(qiáng)度。

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Preparation of Bamboo Fiber-reinforced Epoxy Resin Composites and Mechanical Properties Study

LIANG Chun-qun, MO You
(College of Chemistry and Life Science, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

Caustic soda solution was applied to treat and purify crude bamboo fiber(BF).Bamboo fiber was treated with coupling agent(KH550),and then it was blended with epoxy resin to prepare BF/epoxy（EP） composites by melt-blending process. Effects of content of fiber, length of fiber and content of CaCO3on mechanical properties of BF/EP were studied. The results showed that tensile strength and impact strength of composites reinforced by BF increased 112% and 54.7% respectively; when the length of BF was 20 mm, the BF content was 20% ,the tensile strength and the impact strength were best and reached 37.64MPa and 8.30MPa respectively. However, if CaCO3was blended with the composites, its mechanical properties were improved.

bamboo fiber; epoxy resin; composite; mechanical properties

TB 322

A

1671-9905(2010)08-0023-04

2010-05-17