芳綸Ⅲ織物及其中溫固化環(huán)氧復(fù)合材料性能研究

陳超峰，烏云其其格，薛晴嵐，楊文良，彭濤,3

(1.中藍(lán)晨光化工有限公司，成都 610041；2.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京；3.高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041)

芳綸Ⅲ具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐磨損、介電常數(shù)及介電損耗低等優(yōu)點(diǎn)，是目前可自主批量穩(wěn)定供應(yīng)的國產(chǎn)高性能有機(jī)纖維之一，在固體火箭發(fā)動機(jī)殼體及個體防彈裝備方面已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用。芳綸Ⅲ綜合性能優(yōu)異，其潛在應(yīng)用形式及領(lǐng)域較多，如航空發(fā)動機(jī)包容機(jī)匣、直升機(jī)艙/進(jìn)氣道/發(fā)動機(jī)殼/槳葉、機(jī)載/艦載/星載雷達(dá)罩、方艙等[1-3]，但缺乏相關(guān)基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步拓展和促進(jìn)應(yīng)用，本文重點(diǎn)對三種規(guī)格的芳綸Ⅲ織物/3233中溫固化環(huán)氧復(fù)合材料的基本性能進(jìn)行表征分析，獲得了復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切和滾筒剝離性能數(shù)據(jù)，同時針對可能的使用條件，對復(fù)合材料在低溫、濕熱和水煮條件下的相關(guān)性能進(jìn)行測試評價(jià)，以期為下游用戶提供可靠的使用性能參考和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

芳綸Ⅲ纖維由中藍(lán)晨光化工有限公司生產(chǎn)，F(xiàn)-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex的產(chǎn)品牌號分別為F-368E1、F-368E1和F-368A，纖維的基本參數(shù)見表3。

F-3P60、F-3S120和F-3S175織物分別采用F-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex纖維委托江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司織造，對應(yīng)進(jìn)口芳綸Ⅱ織物牌號為796、980和914[1]。F-3P60、F-3S120和F-3S175織物的基本參數(shù)見表4。

3233型環(huán)氧樹脂由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)，符合Q/6S 1517—2000的要求，樹脂黏度隨溫度變化情況見參考文獻(xiàn)[2]。

1.2 測試與表征

纖維力學(xué)性能采用CMT6104型電子萬能試驗(yàn)機(jī)[美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司]，按照GB/T 19975—2005方法，由中藍(lán)晨光化工有限公司自行測試。

織物力學(xué)性能和復(fù)合材料性能采用WDS-100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)制造廠)，由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司測試，測試方法在文中相應(yīng)的結(jié)果討論時注明。

復(fù)合材料測試條件有4種。室溫：試樣在23 ℃±2 ℃條件下測試；低溫：試樣在-55 ℃下保溫10 min后直接在-55 ℃下測試；濕態(tài)：試樣在70 ℃±3 ℃、85%±5%RH條件下達(dá)到吸濕平衡(間隔24 h以上試樣吸濕變化率小于0.01%)，然后在70 ℃±3 ℃下測試；水煮：是將試樣置于事先放置于100～105 ℃烘箱內(nèi)盛有蒸餾水的容器中48 h，取出(不烘干)室溫測試。

1.3 預(yù)浸料及層合板制備

F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物/3233中溫固化環(huán)氧預(yù)浸料、層合板和夾層板的制備由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司完成，制備方法見參考文獻(xiàn)[2]。復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能采用層合板，滾筒剝離強(qiáng)度采用夾層板，預(yù)浸料和層合板參數(shù)見表1和表2。

表1 芳綸Ⅲ/3233預(yù)浸料參數(shù)

表2 芳綸Ⅲ/3233層合板參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 芳綸Ⅲ纖維性能

F-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex三種規(guī)格芳綸Ⅲ纖維都采用濕法紡絲工藝制備，纖維連續(xù)三批次的線密度和力學(xué)性能均值和CV值列于表3中。

表3 芳綸Ⅲ纖維線密度及力學(xué)性能

從表3中可以看出三種規(guī)格的國產(chǎn)芳綸Ⅲ纖維連續(xù)三批次的斷裂強(qiáng)度和彈性模量均值分別達(dá)到28.7 cN/dtex和796.1 cN/dtex，具有較高的力學(xué)性能，明顯高于普通芳綸Ⅱ(18.5～22 cN/dtex)的力學(xué)性能。同時線密度和束絲力學(xué)性能CV值都小于5%，說明纖維穩(wěn)定性好。圖1顯示隨著線密度增加，纖維斷裂強(qiáng)度和延伸率增加，彈性模量降低，這和紡絲工藝及單纖構(gòu)成有關(guān)。23 tex、44 tex和135 tex的單纖線密度分別為3.7dtex、3.6dtex和3.3dtex，一方面隨著單纖線密度降低，對纖維強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大的皮層比例增加，束絲斷裂強(qiáng)度提升；另一方面單纖線密度降低，束絲中單絲根數(shù)增加，會造成單絲抱合性及均勻性降低，導(dǎo)致彈性模量降低。之所以設(shè)計(jì)不同的單纖纖度，主要是為了減少濕法紡絲工藝易斷絲問題對束絲性能和下游織造過程的影響。

圖1 三種芳綸Ⅲ纖維力學(xué)性能

2.2 芳綸Ⅲ織物性能

基于F-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex的三種芳綸Ⅲ織物F-3P60、F-3S120和F-3S175的基本參數(shù)列于表4中。

F-3P60、F-3S120和F-3S175三種織物是為了替代進(jìn)口的芳綸Ⅱ織物牌號796、980和914，織物組織結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用需求和進(jìn)口保持一致，拉伸斷裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)對比見表5。因芳綸Ⅲ纖維斷裂強(qiáng)度(>28.5 cN/dtex)較芳綸Ⅱ斷裂強(qiáng)度(18.5～22 cN/dtex)高出30%以上，因此對應(yīng)的芳綸Ⅲ織物的拉伸斷裂強(qiáng)度明顯高于芳綸Ⅱ織物，尤其是F-3S175較914的經(jīng)向、緯向拉伸斷裂強(qiáng)度分別提高81.7%和47.5%。

表4 芳綸Ⅲ織物參數(shù)及性能

注 表中數(shù)據(jù)為三批次平均值。

表5 芳綸Ⅲ和進(jìn)口芳綸Ⅱ織物拉伸斷裂強(qiáng)度

注 織物拉伸斷裂強(qiáng)度采用GB/T 7689.5—2001方法測試。

2.3 復(fù)合材料性能

對三種芳綸Ⅲ織物/3233中溫固化環(huán)氧復(fù)合材料F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233的基本性能進(jìn)行測試，連續(xù)三批次測試結(jié)果均值列于表6中。

表6 芳綸Ⅲ/環(huán)氧復(fù)合材料性能

續(xù)表

注 上表數(shù)據(jù)為室溫(23 ℃±2 ℃)條件測試(1.2中的測試條件1)。

經(jīng)三批次測試，三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等性能穩(wěn)定。由表6中數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233的層間剪切強(qiáng)度依次降低，而其他性能有依次增加趨勢。影響復(fù)合材料性能的因素很多，一般來說，單纖線密度降低會提高纖維束絲比表面積，增加纖維和樹脂的接觸面積，從而增強(qiáng)纖維和樹脂的界面結(jié)合力，有利于復(fù)合材料性能的提升。但同時織造結(jié)構(gòu)、織物厚度和上漿劑含量等會對復(fù)合材料性能造成直接影響。一方面緞紋織物在織造時對纖維的損傷較平紋織物小，緞紋結(jié)構(gòu)有利于纖維性能在織物中的轉(zhuǎn)化率提升，但平紋織物結(jié)構(gòu)均勻，厚度較薄，樹脂易浸透且可設(shè)計(jì)性增加；另一方面上漿劑有助于纖維卷繞和織造加工過程順利，減少纖維損傷，但上漿劑大多采用具有潤滑作用的硅油類物質(zhì)，其含量增加不利于纖維與樹脂的復(fù)合。

除徑向拉伸強(qiáng)度外，復(fù)合材料F-3P60/3233和796/3233[1]的性能大致相當(dāng)，但F-3P60/3233的經(jīng)、緯壓縮性能和滾筒剝離性能低于796/3233，說明芳綸Ⅲ復(fù)合材料在纖維構(gòu)成、纖維表面處理及樹脂匹配性等方面還有進(jìn)一步優(yōu)化和提升的空間。

2.4 不同測試條件的復(fù)合材料性能

為進(jìn)一步考察芳綸Ⅲ復(fù)合材料的使用性能，進(jìn)行了芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料的低溫、濕態(tài)和水煮條件下的性能測試，并和室溫性能進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2為F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料分別在室溫、低溫和濕態(tài)條件下的徑向拉伸性能對比，可以看出三種復(fù)合材料的徑向拉伸強(qiáng)度在室溫、低溫和濕態(tài)條件下測試結(jié)果依次降低，徑向拉伸模量在低溫條件下的測試結(jié)果最高。濕態(tài)條件下測試結(jié)果最低，應(yīng)該是在濕態(tài)處理過程中，水分沿纖維和樹脂界面侵入復(fù)合材料，降低復(fù)合材料性能。

圖2 芳綸Ⅲ/3233復(fù)合材料在室溫、低溫及濕態(tài)條件下的徑向拉伸性能(測試方法ASTM D 3039)

圖3為F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料分別在室溫和濕態(tài)條件下的徑向壓縮性能對比，可以看出濕態(tài)條件下三種織物復(fù)合材料的徑向壓縮強(qiáng)度和壓縮模量都較室溫條件下的測試結(jié)果大幅度降低，尤其是壓縮強(qiáng)度降低明顯，降低幅度分別為41.6%、41.0%和40.5%。

圖4為F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料分別在室溫和水煮條件下的彎曲性能對比，水煮條件下彎曲強(qiáng)度和彎曲模量都有不同程度的降低，其中彎曲強(qiáng)度降低較為明顯，降低幅度分別為24.9%、27.3%和23.4%。

圖5為F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233三種芳綸Ⅲ織物復(fù)合材料分別在室溫和水煮條件下的層間剪切強(qiáng)度對比，經(jīng)水煮后三種織物復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度分別降低31.4%、35.3%和31.6%。

圖3 芳綸Ⅲ/3233復(fù)合材料在室溫和濕態(tài)條件下的徑向壓縮性能(測試方法ASTM D 6641)

圖4 芳綸Ⅲ/3233復(fù)合材料在室溫和水煮條件下的彎曲性能(測試方法Z9 1301)

圖5 芳綸Ⅲ/3233復(fù)合材料在室溫和水煮條件下的層間剪切性能(測試方法Z9 1296)

3 結(jié)論

(1)三種國產(chǎn)芳綸Ⅲ纖維F-3/23 tex、F-3/44 tex和F-3/135 tex的斷裂強(qiáng)度可穩(wěn)定在28.7 cN/dtex以上，較普通進(jìn)口芳綸Ⅱ高出30%以上。

(2)對應(yīng)的三種織物F-3P60、F-3S120和F-3S175的拉伸斷裂強(qiáng)度都明顯優(yōu)于相應(yīng)的進(jìn)口芳綸Ⅱ織物，其中F-3S175的經(jīng)向、緯向拉伸斷裂強(qiáng)度分別達(dá)到4499 N/25 mm和4338 N/25 mm，較進(jìn)口織物914分別提高81.7%和47.5%。

(3)經(jīng)三批次測試，芳綸Ⅲ織物/3233中溫固化環(huán)氧復(fù)合材料F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等性能穩(wěn)定，層間剪切強(qiáng)度依次降低，而其他性能有依次增加趨勢。

(4)復(fù)合材料在低溫、濕熱和水煮條件下的性能測試結(jié)果表明,除低溫條件下的徑向拉伸模量稍有增加外，其他性能及濕熱、水煮條件測試結(jié)果較室溫條件都有不同程度的降低。其中濕態(tài)條件下F-3P60/3233、F-3S120/3233和F-3S175/3233的壓縮強(qiáng)度降低幅度分別為41.6%、41.0%和40.5%，水煮條件層間剪切強(qiáng)度分別依次降低31.4%、35.3%和31.6%。