等離子體改性對(duì)玄武巖/聚丙烯復(fù)合材料性能的影響

畢松梅 朱欽欽 趙 堃 儲(chǔ)彭黃

(1.安徽工程大學(xué)安徽省紡織面料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蕪湖，241000;2.奇瑞汽車(chē)股份有限公司，蕪湖，241001)

玄武巖纖維是前蘇聯(lián)經(jīng)過(guò)30多年的研究而開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種高性能綠色環(huán)保型纖維，但其表面光滑，呈化學(xué)惰性，作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體時(shí)，與樹(shù)脂基體的浸潤(rùn)性差，從而影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能［1］。目前，許多學(xué)者為了改善玄武巖纖維與基體樹(shù)脂的界面黏結(jié)力，采用硅烷偶聯(lián)劑KH550對(duì)纖維進(jìn)行改性。試驗(yàn)證明，纖維經(jīng)偶聯(lián)劑改性后復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯提高［2-3］。但是KH550改性過(guò)程中要消耗大量的水，浪費(fèi)資源，同時(shí)還污染環(huán)境。

纖維的等離子體改性是一種完全不用水的氣固相干式加工方式，它可以避免廢液污染，而且其對(duì)纖維表面的作用僅涉及纖維表面幾到幾百納米。它只會(huì)改變纖維的表面性能而不破壞纖維的整體結(jié)構(gòu)，賦予纖維新的表面特性，大大提高了增強(qiáng)纖維對(duì)基體樹(shù)脂的黏著性［4］。本文主要利用等離子體對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性處理，增大其與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性，改善復(fù)合材料的界面黏結(jié)力，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。本文采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了玄武巖纖維的等離子體改性處理工藝，并對(duì)改性后的纖維復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸和彎曲性能測(cè)試，從而得出等離子體處理的最佳工藝。并采用SEM分析改性后玄武巖纖維的表面形貌，通過(guò)DSC分析等離子體改性對(duì)復(fù)合材料結(jié)晶性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

玄武巖纖維無(wú)捻長(zhǎng)絲束，東莞市俄金玄武巖纖維有限公司提供;PP塑料薄片，由寧波正邦尼龍有限公司提供的塑料粒子，經(jīng)200℃、5 MPa熱壓成型;鋁箔紙。

1.2 試驗(yàn)儀器

XLB-D型平板硫化機(jī)，湖州宏久橡膠機(jī)械廠(chǎng);DHG-9053型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，日本日立株式會(huì)社;FC/104型電子分析天平，上海精科電子有限公司;DSC-60A型自動(dòng)差熱熱重同時(shí)測(cè)定裝置，日本島津;CSS-88100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所;HD-1B型冷等離子體改性設(shè)備，常州新區(qū)世泰等離子體技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司;自制模具一套。

1.3 復(fù)合材料的制備

本試驗(yàn)用鋁箔作為脫模劑，在不影響玄武巖纖維縱向伸直度的前提下將其均勻分散成單纖維狀態(tài)，與聚丙烯塑料薄片依次鋪放入自制模具中，閉模后在硫化機(jī)上加熱加壓，使樹(shù)脂基體熔融與玄武巖纖維充分黏合在一起。熱壓溫度、保壓時(shí)間和壓力對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有著十分重要的影響:溫度過(guò)高，聚丙烯容易裂解，聚丙烯的性能變差，從而影響復(fù)合材料的力學(xué)性能;壓力過(guò)大，容易將纖維束壓緊，纖維間的縫隙變小，使得樹(shù)脂難以浸潤(rùn)每根纖維，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能下降;保壓時(shí)間越短，基體和增強(qiáng)體受熱時(shí)間也相對(duì)較短，聚丙烯基體沒(méi)有完全熔融，與纖維的黏結(jié)性差，復(fù)合材料的力學(xué)性能差。所以，本文經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得出最佳模壓成型工藝參數(shù)為:熱壓溫度190℃，保壓時(shí)間10 min，壓力10 MPa，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%。

復(fù)合材料的制備工藝流程為:玄武巖纖維→烘干→等離子體處理→纖維與PP鋪層、閉?！訜峒訅?、冷卻脫模。

1.4 復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試

采用CSS-88100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》和GB/T 1449—2005《纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 等離子體處理對(duì)玄武巖纖維表面形貌的影響

改性處理前后玄武巖纖維表面形貌的掃描電鏡(SEM)圖像如圖1所示。

從圖1可以看出，未經(jīng)等離子體處理的玄武巖纖維表面光滑;而經(jīng)等離子體處理后，纖維表面有許多微小顆粒，表面粗糙度增大，從而加大了其與基體樹(shù)脂的界面黏結(jié)力。

2.2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

圖1 等離子體改性前后玄武巖纖維表面形貌

等離子體改性的處理效果與氣體的種類(lèi)、真空度、功率及處理時(shí)間有很大的關(guān)系［5］。本試驗(yàn)采用氮?dú)庾鳛樘幚須怏w，采用正交試驗(yàn)法來(lái)研究真空度、功率及處理時(shí)間對(duì)玄武巖/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，從而得出最佳的等離子體處理工藝。本文按L9(34)正交表設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，將真空度、功率、處理時(shí)間作為試驗(yàn)因素，并各選三個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，以復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度作為考察指標(biāo)，如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平

纖維經(jīng)等離子體各工藝處理后，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度如表2所示。

表2 經(jīng)等離子體處理后復(fù)合材料的力學(xué)性能正交試驗(yàn)表

由表2分析可知，拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的優(yōu)化方案分別為A2B3C3和A1B3C3。根據(jù)表2，拉伸強(qiáng)度中A、B、C三個(gè)因素的極差分別為7、85和56，因此真空度、功率、處理時(shí)間三個(gè)因素對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響程度為B＞C＞A;而抗彎強(qiáng)度中A、B、C三個(gè)因素的極差分別為1.746、8.225和1.301，因此真空度、功率、處理時(shí)間三個(gè)因素對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響程度為B＞A＞C?？紤]到拉伸強(qiáng)度中A1和A2的平均值分別為221和222 MPa，兩者之間相差較小，并且A為最次要因素;而對(duì)抗彎強(qiáng)度而言，A并不是最次要因素，所以在拉伸強(qiáng)度中，可以選擇A1代替A2作為優(yōu)選的工藝參數(shù)，即拉伸強(qiáng)度的優(yōu)化方案為A1B3C3，這與抗彎強(qiáng)度的優(yōu)化方案一致。綜合起來(lái)，等離子體處理參數(shù)的最優(yōu)方案為A1B3C3，即真空度20 Pa、功率100 W、處理時(shí)間5 min。

為了驗(yàn)證正交試驗(yàn)所得出的最佳工藝參數(shù)的可靠性，本文采用真空度20 Pa、功率100 W、處理時(shí)間5 min處理玄武巖纖維，制備并測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能。得到的結(jié)果為:復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度247 MPa、抗彎強(qiáng)度49.319 MPa，從而驗(yàn)證了正交試驗(yàn)得到的優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。

2.3 改性處理對(duì)復(fù)合材料結(jié)晶性能的影響

聚丙烯是一種最常用的結(jié)晶性聚合物，作為復(fù)合材料的基體材料，其結(jié)晶性能對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有很大的影響［6］。增強(qiáng)纖維對(duì)基體樹(shù)脂結(jié)晶性的影響主要是對(duì)基體表面的異相成核作用，纖維、界面改性劑均可改變聚丙烯的結(jié)晶行為，加速聚丙烯的異相成核，增加其結(jié)晶度，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能［7］。

圖2所示為玄武巖/聚丙烯復(fù)合體系的DSC分析曲線(xiàn)，其中圖2(a)為纖維未經(jīng)改性時(shí)復(fù)合體系的DSC曲線(xiàn)，圖2(b)為通過(guò)正交試驗(yàn)得到的最佳力學(xué)性能的復(fù)合體系的DSC曲線(xiàn)，圖2(c)為纖維經(jīng)等離子體最佳工藝處理后復(fù)合體系的DSC曲線(xiàn)。

由表3可知:在玄武巖/聚丙烯復(fù)合體系中，纖維經(jīng)過(guò)等離子體改性后，復(fù)合體系的熔點(diǎn)變化不大，但均能使聚丙烯的熔融焓增加。纖維經(jīng)等離子體處理后，聚丙烯的熔融焓比未處理時(shí)的增加了15.03 J/g，結(jié)晶度由未改性時(shí)的28.5%增加到了35.7%。

圖2 復(fù)合體系的DSC曲線(xiàn)

表3 纖維經(jīng)等離子體改性后復(fù)合體系的結(jié)晶參數(shù)

玄武巖纖維表面光滑，且呈化學(xué)惰性，與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性差，它很難完全吸附聚丙烯大分子在其表面有序地排列，從而不能在更大程度上提高聚丙烯的結(jié)晶性。但當(dāng)纖維經(jīng)過(guò)等離子體處理后，纖維表面變得粗糙，比表面積增大，就能吸附更多的聚丙烯大分子鏈在材料的界面處有序排列而形成晶核，使聚丙烯異相成核的速度加快，增加了復(fù)合體系的結(jié)晶度。而且，聚丙烯大分子鏈在纖維表面有序排列，分子間的相互作用也變強(qiáng)，復(fù)合材料的力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)SEM圖像可看出，玄武巖纖維經(jīng)等離子體改性后，纖維表面附有許多細(xì)小的顆粒，表面變得粗糙，加大了纖維與樹(shù)脂的接觸面積，改善了復(fù)合材料的界面相容性。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)可知:當(dāng)真空度、功率、處理時(shí)間分別為20 Pa、100 W、5 min時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳，此時(shí)拉伸強(qiáng)度為247 MPa、抗彎強(qiáng)度為49.319 MPa。

(3)纖維經(jīng)等離子體改性后，對(duì)玄武巖/聚丙烯復(fù)合體系的熔點(diǎn)、熔融峰寬影響不大，而對(duì)其熔融焓影響較大。纖維經(jīng)等離子體處理后，聚丙烯的熔融焓比未處理時(shí)的增加了15.03 J/g，結(jié)晶度由未改性時(shí)的28.5%增加到了35.7%。說(shuō)明等離子體改性能提高復(fù)合材料的界面相容性，加速聚丙烯在纖維與樹(shù)脂界面處的異相成核，從而提高聚丙烯的結(jié)晶度。

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