長纖維增強熱塑性復合材料（LFRTP）相對于短纖維增強的熱塑性樹脂基復合材料其最大的特點是具有高的剛度和更好的韌性, 可重復加工和再生利用,因此被稱為世紀綠色材料, 符合可持續發展的戰略方針。制造長纖維增強熱塑性復合材料視其材料用途可選用玻璃纖維、碳纖維、合成纖維、麻纖維等,其關鍵在于纖維能否在樹脂中獲得良好的浸漬。目前常用的熔融浸漬方法是通過擠出機將高粘度聚合物熔融再與玻纖混合擠出造粒, 因為熔體粘度高而不易達到良好的浸漬效果, 且擠出機螺桿的剪切作用將會對玻纖造成損傷和切斷變短, 從而降低復合材料的性能。

       本工作采用一種新的方法制備長玻璃纖維增強PET復合材料, 并研究了采用該工藝方法制取的長玻璃纖維增強PET復合材料的結構與性能。

1 實驗部分

1·1 長玻纖增強PET復合材料的制備

       以精對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）為原料, 制備熔體, 同長玻纖一起引入自制的浸漬裝置, 料條經水冷后切成希望長度的粒料, 經特殊熱處理后制取要求特性粘度的復合粒料。

1·2長玻纖增強PET復合材料的注塑樣條制備

      將熱處理好的粒料按照下述條件進行注塑, 制取樣條用于性能測試表征。

表1 長纖增強PET切片的注塑成型工藝

2 結果與討論

2·1熱處理條件對復合材料特性粘度的影響

2·1·1熱處理溫度對特性粘度的影響

        溫度是熱處理過程中需要控制的重要因素之一。隨著溫度的提高, 預浸粒料特性粘度增大。當溫度低于200℃時, 縮聚反應速度增長緩慢, 溫度高于200℃后, 反應速度明顯加快, 但溫度過高將導致預浸料熔融并發生熱降解。經實驗得出預浸料的最佳熱處理溫度為220~230℃。

2·1·2熱處理時間及玻纖含量對特性粘度的影響

圖1為熱處理時間及不同玻纖含量對預浸料特性粘度的影響。如圖1所示, 隨著熱處理時間的增加,不同玻纖含量P增強的相對特性粘度的增長有所不同。當玻纖質量分數為時, 預浸料的特性粘度增長較快, 而玻纖質量分數為51%時粘度增長則相對緩慢, 這可能是由于在熱處理過程中, 末端的梭基與經基不斷地接枝到玻纖表面, 從而造成末端官能團的減少, 而玻纖含量越多,PET剩余的官能團越少, 在一定程度上抑制了反應過程中相對特性粘度的增長, 造成了玻纖含量高的復合材料粘度增長趨勢低于玻纖含量低的復合材料。

2·2長玻纖增強PET復合材料的斷面形貌

       將經過熱處理后的長玻纖增強PET粒料按照注塑條件制取樣條并按ASTM標準進行試驗, 采用掃描電子顯微鏡進行斷面觀察。

       復合材料要求纖維與基體樹脂之間能夠形成具有一定結合強度的界面, 這不僅有利于提高材料的整體強度, 更重要的是便于將基體所承受的載荷通過界面傳遞給纖維, 以充分發揮其增強作用。從以上各斷口電鏡照片中可以看到, 包埋在樹脂中的單根玻璃纖維表面橙蓋有一層基體樹脂, 形成了良好的界面, 增強玻纖與基體樹脂可以成功實現應力的傳遞, 從而使得材料的力學性能得到明顯提高。

2·3長玻纖增強PET的力學性能

       在長玻纖增強復合材料中玻璃纖維作為材料中的骨架, 其對復合材料各項力學性能的影響起決定性作用。表2列出了不同玻纖含量的長玻纖增強PET復合材料的各項力學性能數據。

 

從表2可以看出, 隨著玻纖含量的增加, 復合材料的拉伸強度不斷增大。當玻纖質量分數為50%時,長玻纖/PET復合材料的拉伸強度是玻纖質量分數為20%時的122%。玻纖含量從20%~50%每增大10%，其拉伸強度平均增大7%。長玻纖增PET復合材料的彎曲強度也隨著玻纖含量的增加而不斷增大, 當玻纖質量分數為50%時, 復合材料的彎曲強度是玻纖質量分數20%為時的138%。玻纖含量從20%~50%每增大10%, 其彎曲強度平均增大12.7%。

       隨著玻纖含量的增加, 其彎曲模量不斷提高。玻纖含量從20%~50%每增大10%, 其彎曲模量平均增大。在玻纖含量為40%時, 長玻纖PET增強復合材料獲得最大的沖擊強度, 當玻纖含量達到50%時, 沖擊強度反而下降。這是由于玻纖的大量加人, 破壞了復合材料的均一性, 形成了應力集中區,當材料受到沖擊時, 應力集中區首先受到破壞。可見, 沖擊強度不是簡單的隨著玻纖含量的增加而增大, 而是在某一值時達到最大。
在纖維增強復合材料中, 承受載荷的主要是纖維。因此一般來說基體中纖維的含量越高, 其增強效果越顯著。此次實驗中玻纖含量為的復合材料相比玻纖含量為的拉伸強度增大22%, 彎曲強度增大38%, 彎曲彈性模量增大了105%, 沖擊強度增大37%。綜合上述實驗結果及實際材料的制備工藝考慮, 玻纖含量應介于30%~50%之間為宜。

3 結論

       1）采用自行研制的浸潤裝置制得的長纖維增強復合材料, 通過熱處理試驗表明熱處理溫度、時間對復合材料的特性粘度有顯著的影響, 玻纖含量的變化對復合材料的特性粘度也有一定的影響。

       2）玻璃纖維的含量對復合材料的力學性能有顯著的影響, 在研究的玻璃纖維含量一范圍內, 拉伸強度、彎曲強度、彎曲彈性模量隨玻纖含量的增加而提高, 沖擊強度在玻纖含量為時最大。