聚丙烯-丙烯酸共混非織造增強復合材料的力學性能

P. Katkar， P. V. Kadole， A. Bhute， P. Bali

DKTE協(xié)會紡織與工程研究所(印度)

非織造布的制備工藝有多種，其中，針刺工藝被廣泛應用于生產(chǎn)大批量低密度的墊式結構非織造布。這種多孔結構使得聚合物基質能夠在復合材料的制造過程中更容易地滲透整個織物結構，因此非常適合復合材料的制備。然而，由于針刺非織造物的密度較低且微觀結構不均勻，其拉伸力學行為復雜，拉伸性能不穩(wěn)定，因而并不適合應用于承載材料。通過在針刺非織造基體中加入如聚合物黏合劑的方式可解決這一問題。因此，針刺非織造物也能采用復合材料制造中的增強材料，通過發(fā)揮復合材料中纖維成分﹑非織造結構及樹脂材料的性能優(yōu)勢，使最終的復合材料具有強度高﹑柔韌性好和質輕的特點。

本研究旨在使用假發(fā)制造業(yè)所產(chǎn)生的生產(chǎn)廢料，制備具有優(yōu)良力學性能的非織造增強復合材料。

1 方法

采用聚丙烯-丙烯酸(質量比為80∶20)混合纖維廢料在Dilo針刺小樣機(德國)上制備面密度分別為300﹑ 400和500 g/m2的3種非織造材料，編號分別對應1， 2和3。試驗的設計與分析采用Taguchi的L9正交陣列方法。采用手工鋪設的方法，以聚丙烯-丙烯酸針刺非織造布作為復合材料的增強體，分別制備以聚酯樹脂﹑乙烯基酯樹脂和環(huán)氧樹脂3種不同的熱固性樹脂為基體的復合材料，編號分別對應P， V和E。

2 結果

2.1 硬度

采用ASTM E-384標準的Vickers硬度測試方法對復合材料試樣的硬度進行測試，試驗儀器為Micro-Hardness的MVH-11型微觀硬度測試儀。試樣需在0.98 N的壓力下維持20 s進行測試。圖1為復合材料試樣的硬度對比分析圖。由Taguchi分析可知，復合材料的硬度受非織造布面密度的影響較大。另外，由于使用了不同類型的樹脂，非織造織物中纖維的相互作用也不同，因此，樹脂的選擇也顯著影響復合材料的性能。研究結果顯示，與其他兩種樹脂相比，使用環(huán)氧樹脂制備的復合材料具有較高的硬度。

圖1 復合材料的硬度對比

2.2 拉伸強力和斷裂伸長率

根據(jù)ASTM D638標準，在Instron 5565型材料測試儀上對復合材料試樣的拉伸強力進行測試。幾種復合材料試樣的拉伸強力對比如圖2所示。Taguchi分析表明，在所有3種樹脂材料制備的復合材料中，試樣面密度對其拉伸強力有顯著影響。復合材料的拉伸強力受非織造增強結構的影響比受樹脂類型的影響更大。隨著非織造增強材料面密度由300 g/m2增加到500 g/m2，所有復合材料的拉伸強力均有所增大。就樹脂的影響而言，使用了環(huán)氧樹脂的復合材料表現(xiàn)出更強的縱向(MD)承載力，與理論分析結果相符合。同時，因纖維在橫向(CD)有較高的取向度，9種復合材料試樣在橫向上也具有較高的強力。

圖2 復合材料的拉伸強力對比

圖3為復合材料試樣的拉伸斷裂伸長率對比。9種復合材料試樣的斷裂伸長率在MD和CD上有顯著的差異。與采用面密度為500 g/m2非織造布所制備的復合材料相比，300 g/m2非織造布所制備的復合材料的斷裂伸長率顯著降低。Taguchi分析表明，斷裂伸長率主要受增強材料性能的影響而非樹脂類型，這是由于復合材料的力學拉伸性能主要取決于其非織造增強結構在拉伸方向上的力學貢獻。單個復合材料試樣的MD伸長率和CD沒有顯著差異，這是因為非織造材料試樣在MD和CD上的斷裂伸長率差異較小。

圖3 復合材料的斷裂伸長率對比

2.3 彎曲強度和彎曲伸長率

復合材料試樣的彎曲強度測試根據(jù)ASTM D 7264標準，在Instron 5565型材料測試儀上進行測量。所有試樣的彎曲強度測試結果如圖4所示。9種復合材料試樣在MD和CD方向上的彎曲強度均表現(xiàn)出顯著的差異。Taguchi分析表明，復合材料樣品在CD和MD上的彎曲強度受樹脂類型的影響大于受非織造增強材料面密度的影響。在所有3種類型樹脂所生產(chǎn)的復合材料中，隨著非織造增強材料面密度的增大，其對應復合材料的彎曲強度也增加。乙烯基酯樹脂在3種樹脂中具有最低的密度，能夠更好地均勻滲透非織造增強材料的結構，使復合材料具有較少的孔隙。因此，乙烯基樹脂復合材料的彎曲破壞需更大的載荷。

圖4 復合材料彎曲強度

環(huán)氧樹脂復合材料表現(xiàn)出較適中的彎曲強度，而聚酯樹脂復合材料的彎曲強度最小。隨著非織造增強材料面密度的增加，復合材料對抗彎曲的能力增加，因此使用更高面密度的非織造織增強材料制造的復合材料顯示出更高的彎曲強度。

圖5 復合材料彎曲伸長率

圖5為復合材料的彎曲伸長對比。由圖5可知，材料的彎曲伸長受樹脂類型的影響較大，因為樹脂一旦硬化，其彎曲特性也會產(chǎn)生差異。由Taguchi分析可證實，相對于非織造增強材料的影響，9種復合材料試樣的彎曲伸長在5%LOS條件下受樹脂類型的影響更大。環(huán)氧樹脂復合材料由于剛性較大，顯示出相對較小的彎曲伸長。

2.4 機械加工性能

材料良好的機械加工性表現(xiàn)在多方面，如切割后材料具有良好的表面光潔度，加工工具的使用壽命相對更長，加工所需的人力、物力及加工成本相對較低等。對材料鉆孔產(chǎn)生的材料反饋信息是評估復合材料機械加工性的方法之一。

在5%LOS條件下，9種復合材料試樣鉆孔所需功率存在明顯的差異。圖6顯示了這些復合材料的鉆孔功率需求對比。Taguchi分析表明，隨著復合材料中非織造增強材料面密度的增大，鉆削復合材料所需的功率也產(chǎn)生了顯著變化，因為在從材料上表面到下表面的鉆孔加工過程中，隨著非織造增強材料面密度的增加，復合材料反饋到鉆頭的阻力隨之增加。因此，使用較大面密度的非織造增強材料生產(chǎn)的復合材料需要更大的力來鉆孔。3種基體材料中，環(huán)氧樹脂復合材料表現(xiàn)出更高的抗鉆孔性。

圖6 復合材料鉆孔功率需求

3 結論

由本文研究可得出以下結論。首先，樹脂類型及非織造增強材料的面密度是影響復合材料力學性能的關鍵因素。其次，環(huán)氧樹脂復合材料的硬度最大，在縱向上表現(xiàn)出更好的力學承載性。再次，乙烯基樹脂由于密度較低，能夠更均勻地滲透到非織造布的結構中，從而使復合材料具有良好的抗彎強度。最后，隨著非織造增強材料面密度的增加，復合材料的力學性能也隨之提高。