长玻璃纤维增强PET复合材料的研制

       长纤维增强热塑性复合材料（LFRTP）相对于短纤维增强的热塑性树脂基复合材料其最大的特点是具有高的刚度和更好的韧性, 可重复加工和再生利用,因此被称为世纪绿色材料, 符合可持续发展的战略方针。制造长纤维增强热塑性复合材料视其材料用途可选用玻璃纤维、碳纤维、合成纤维、麻纤维等,其关键在于纤维能否在树脂中获得良好的浸渍。目前常用的熔融浸渍方法是通过挤出机将高粘度聚合物熔融再与玻纤混合挤出造粒, 因为熔体粘度高而不易达到良好的浸渍效果, 且挤出机螺杆的剪切作用将会对玻纤造成损伤和切断变短, 从而降低复合材料的性能。

       本工作采用一种新的方法制备长玻璃纤维增强PET复合材料, 并研究了采用该工艺方法制取的长玻璃纤维增强PET复合材料的结构与性能。

1 实验部分

1·1 长玻纤增强PET复合材料的制备

       以精对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）为原料, 制备熔体, 同长玻纤一起引入自制的浸渍装置, 料条经水冷后切成希望长度的粒料, 经特殊热处理后制取要求特性粘度的复合粒料。

1·2长玻纤增强PET复合材料的注塑样条制备

      将热处理好的粒料按照下述条件进行注塑, 制取样条用于性能测试表征。

表1 长纤增强PET切片的注塑成型工艺

2 结果与讨论

2·1热处理条件对复合材料特性粘度的影响

2·1·1热处理温度对特性粘度的影响

        温度是热处理过程中需要控制的重要因素之一。随着温度的提高, 预浸粒料特性粘度增大。当温度低于200℃时, 缩聚反应速度增长缓慢, 温度高于200℃后, 反应速度明显加快, 但温度过高将导致预浸料熔融并发生热降解。经实验得出预浸料的最佳热处理温度为220~230℃。

2·1·2热处理时间及玻纤含量对特性粘度的影响

图1为热处理时间及不同玻纤含量对预浸料特性粘度的影响。如图1所示, 随着热处理时间的增加,不同玻纤含量P增强的相对特性粘度的增长有所不同。当玻纤质量分数为时, 预浸料的特性粘度增长较快, 而玻纤质量分数为51%时粘度增长则相对缓慢, 这可能是由于在热处理过程中, 末端的梭基与经基不断地接枝到玻纤表面, 从而造成末端官能团的减少, 而玻纤含量越多,PET剩余的官能团越少, 在一定程度上抑制了反应过程中相对特性粘度的增长, 造成了玻纤含量高的复合材料粘度增长趋势低于玻纤含量低的复合材料。

2·2长玻纤增强PET复合材料的断面形貌

       将经过热处理后的长玻纤增强PET粒料按照注塑条件制取样条并按ASTM标准进行试验, 采用扫描电子显微镜进行断面观察。

       复合材料要求纤维与基体树脂之间能够形成具有一定结合强度的界面, 这不仅有利于提高材料的整体强度, 更重要的是便于将基体所承受的载荷通过界面传递给纤维, 以充分发挥其增强作用。从以上各断口电镜照片中可以看到, 包埋在树脂中的单根玻璃纤维表面橙盖有一层基体树脂, 形成了良好的界面, 增强玻纤与基体树脂可以成功实现应力的传递, 从而使得材料的力学性能得到明显提高。

2·3长玻纤增强PET的力学性能

       在长玻纤增强复合材料中玻璃纤维作为材料中的骨架, 其对复合材料各项力学性能的影响起决定性作用。表2列出了不同玻纤含量的长玻纤增强PET复合材料的各项力学性能数据。

 

从表2可以看出, 随着玻纤含量的增加, 复合材料的拉伸强度不断增大。当玻纤质量分数为50%时,长玻纤/PET复合材料的拉伸强度是玻纤质量分数为20%时的122%。玻纤含量从20%~50%每增大10%，其拉伸强度平均增大7%。长玻纤增PET复合材料的弯曲强度也随着玻纤含量的增加而不断增大, 当玻纤质量分数为50%时, 复合材料的弯曲强度是玻纤质量分数20%为时的138%。玻纤含量从20%~50%每增大10%, 其弯曲强度平均增大12.7%。

       随着玻纤含量的增加, 其弯曲模量不断提高。玻纤含量从20%~50%每增大10%, 其弯曲模量平均增大。在玻纤含量为40%时, 长玻纤PET增强复合材料获得最大的冲击强度, 当玻纤含量达到50%时, 冲击强度反而下降。这是由于玻纤的大量加人, 破坏了复合材料的均一性, 形成了应力集中区,当材料受到冲击时, 应力集中区首先受到破坏。可见, 冲击强度不是简单的随着玻纤含量的增加而增大, 而是在某一值时达到最大。
在纤维增强复合材料中, 承受载荷的主要是纤维。因此一般来说基体中纤维的含量越高, 其增强效果越显著。此次实验中玻纤含量为的复合材料相比玻纤含量为的拉伸强度增大22%, 弯曲强度增大38%, 弯曲弹性模量增大了105%, 冲击强度增大37%。综合上述实验结果及实际材料的制备工艺考虑, 玻纤含量应介于30%~50%之间为宜。

3 结论

       1）采用自行研制的浸润装置制得的长纤维增强复合材料, 通过热处理试验表明热处理温度、时间对复合材料的特性粘度有显著的影响, 玻纤含量的变化对复合材料的特性粘度也有一定的影响。

       2）玻璃纤维的含量对复合材料的力学性能有显著的影响, 在研究的玻璃纤维含量一范围内, 拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量随玻纤含量的增加而提高, 冲击强度在玻纤含量为时最大。