熱塑性復(fù)合材料的樹脂基體涉及通用和特種工程塑料,,而PPS是特種工程塑料較為典型的代表,,俗稱塑料黃金。性能優(yōu)勢(shì)包含以下幾方面:優(yōu)異的耐熱性能,、良好的力學(xué)性能,、耐腐蝕,、自阻燃性達(dá)UL94 V–0級(jí)。由于PPS具有以上性能優(yōu)勢(shì),,且相較于其它高性能熱塑性工程塑料又具有易加工,、成本低的特點(diǎn),因此成為制造復(fù)合材料的優(yōu)良樹脂基體,。
PPS加短玻纖(SGF)復(fù)合材料具有強(qiáng)度高,、耐熱高、阻燃,、易加工,、成本低等優(yōu)點(diǎn),在汽車,、電子,、電氣、機(jī)械,、儀器,、航空、航天、軍事等領(lǐng)域取得了應(yīng)用,。
PPS加長玻纖(LGF)復(fù)合材料具有高韌性,、低翹曲、耐疲勞,、良好的制品外觀等優(yōu)點(diǎn),,可用于熱水器的葉輪、泵殼,、接頭,、閥門、化工泵葉輪與外殼,、冷卻水葉輪與外殼,、家電零部件等。
那么短玻纖(SGF)和長玻纖(LGF)增強(qiáng)PPS的復(fù)合材料的性能具體有何差異呢,?
本文將PPS/SGF(短玻纖)復(fù)合材料和PPS/LGF(長玻纖)復(fù)合材料的綜合性能進(jìn)行對(duì)比,,其中PPS/LGF復(fù)合材料采用熔融浸漬工藝制備及PPS/SGF復(fù)合材料采用熔融共混雙螺桿造粒工藝制備,采用熔融浸漬工藝的原因在于浸漬模具內(nèi)實(shí)現(xiàn)纖維束的浸漬,,并且對(duì)纖維不造成損傷,。最后,通過兩者力學(xué)性能的數(shù)據(jù)對(duì)比,,為應(yīng)用端科技人員在選擇材料時(shí)提供技術(shù)支撐,。
力學(xué)性能分析
樹脂基體中增加的增強(qiáng)纖維可形成支撐骨架,當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時(shí),,增強(qiáng)纖維可以有效地承擔(dān)外界載荷的作用,;同時(shí)可以通過斷裂、變形等方式吸收能量,,提高樹脂的力學(xué)性能,。
可以看到,提高玻纖的加入量,,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都逐步地增加,。主要原因在于玻纖含量增加時(shí),復(fù)合材料中有更多的玻纖承受外力的作用,,同時(shí)由于玻纖數(shù)量的增加,,使得玻纖之間的樹脂基體變薄,更有利于玻纖增強(qiáng)框架的搭建,;因此,,玻纖含量提升使得復(fù)合材料在受到外加載荷情況下,應(yīng)力更多的由樹脂傳遞至玻纖,,有效地提高了復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能,。
PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能比PPS/SGF復(fù)合材料均更高,在玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度分別為110MPa和122MPa,;彎曲強(qiáng)度分別為175MPa和208MPa,;彎曲彈性模量分別為8GPa和9GPa。
PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度,、彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量比PPS/SGF復(fù)合材料分別提高了11.0%,,18.9%和11.3%。PPS/LGF復(fù)合材料中玻纖的長度保留率更高,,在同樣玻纖含量條件下,,復(fù)合材料的抗載荷能力更強(qiáng),力學(xué)性能更佳,。
可見,,在玻纖含量較低時(shí),復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度降低,,主要原因是較低的玻纖含量無法在復(fù)合材料中形成較好的應(yīng)力傳遞網(wǎng)絡(luò),,使得玻纖在復(fù)合材料受到?jīng)_擊載荷下以缺陷的形式存在,,導(dǎo)致復(fù)合材料的整體沖擊強(qiáng)度降低,。
上述缺陷是指玻纖尖端或者裂紋尖端;熱塑性復(fù)合材料的失效的誘發(fā)點(diǎn)是玻纖尖端或者裂紋尖端,,從此點(diǎn)開始蔓延至復(fù)合材料完全被破壞,。玻纖質(zhì)含量較少時(shí),復(fù)合材料中增加了玻纖尖端,,此時(shí)由于玻纖尖端引起復(fù)合材料斷裂的作用要大于玻纖增強(qiáng)的作用,,所以沖擊性能會(huì)有一定程度的下降。
隨著玻纖含量的增加,,復(fù)合材料中玻纖可以形成有效的空間網(wǎng)絡(luò),,且增強(qiáng)作用大于玻纖尖端的作用,在受到外加載荷作用下更好地將外加載荷傳遞給增強(qiáng)纖維,,進(jìn)而提升復(fù)合材料的整體性能,,而在PPS/LGF體系中玻纖的長度更長,空間網(wǎng)絡(luò)更為密實(shí),,增強(qiáng)玻纖承載能力更強(qiáng),,其沖擊強(qiáng)度也更佳。玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)PPS/LGF比PPS/SGF的沖擊強(qiáng)度提高19.4%,,從31kJ/m2提升至37kJ/m2,,缺口沖擊強(qiáng)度提高54.5%(從7.7kJ/m2提高至11.9kJ/m2)。
PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料熱性能分析
結(jié)果顯示,,玻纖的引入大幅度地提高復(fù)合材料的耐熱性能,,其中玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),PPS/SGF復(fù)合材料和PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度分別達(dá)到250℃和275℃,PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度比PPS/SGF復(fù)合材料的高10%,。主要原因是玻纖的引入使復(fù)合材料內(nèi)部形成增強(qiáng)纖維的網(wǎng)絡(luò)骨架,,極大地提高復(fù)合材料的耐熱性能,PPS/LGF中玻纖尺寸更長,,耐熱性能提高優(yōu)勢(shì)更加明顯,。
PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料斷面分析
可見,玻纖在樹脂中較好的分散,,隨著玻纖含量的增加,,復(fù)合材料內(nèi)部增強(qiáng)纖維網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建更加完善;這也是復(fù)合材料整體力學(xué)性能隨著玻纖含量增加而提升的主要原因,。對(duì)比PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料,,PPS/LGF復(fù)合材料中的玻纖保留率更高,這也是PPS/LGF復(fù)合材料力學(xué)性能更為優(yōu)異的主要原因,。
綜上,,PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度,、彎曲彈性模量,、缺口沖擊強(qiáng)度和無缺口沖擊強(qiáng)度比PPS/SGF復(fù)合材料均有提升。30%玻纖增強(qiáng)的PPS/SGF復(fù)合材料的熱變形溫度達(dá)到250℃,,PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度達(dá)到275℃,。
(文章來源:艾邦高分子)