水性聚氨酯芳纶纤维复合带的制备与性能

     纤维增强复合材料( fiber reinforced po lymer/plastic, FRP) 是由纤维材料与基体材料按一定比例混合, 并经过一定工艺复合形成的新型高性能复合材料. 这种材料自 20 世纪 40 年代问世以来, 在航空、航天、 船舶、 汽车、 化工、 医学和机械等领域得到广泛的应用. 常用 FRP 的基体为树脂、 金属、 碳素、陶瓷等. 增强纤维种类有玻璃纤维、 对位芳纶纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维、 碳纤维、 陶瓷纤维、玄武岩纤维、PBO( 聚对亚苯基苯并双噁唑) 纤维以及金属纤维等.

      对位芳纶纤维是一种由刚性分子链形成的高结晶度、高取向度材料, 具有相对密度小、耐疲劳、耐剪切等一系列优异性能, 是理想的增强纤维材料. 对位芳纶纤维增强复合材料具有高强度、高弹性模量、耐腐蚀、质量轻和疲劳强度高等优异的性能, 广泛用于国防、 航空、 航天、 造船、 体育器材、 汽车、 建筑等行业.

      本文在不同的工艺条件下制备水性聚氨酯基对位芳纶纤维增强复合带, 对制备的纤维复合带进行力学性能测试, 并且运用 Weibull 统计方法对测试结果进行数据处理, 从而确定最佳制备工艺条件.

1  试  验

1. 1  试验原料

      对位芳纶纤维 T echnora, 1 670 dtex( 两束并股使用, 并股后的线密度为 3340 dtex) , 强度 2628. 14MPa, 日本帝人公司; 水性聚氨酯溶液, 不挥发物质的质量分数为 30%,合肥恒天新材料公司 .

1. 2  试验设备

      试验设备自制, 示意图如图 1 所示.

1. 3  复合带的制备

      将对位芳纶纤维在预浸槽中预浸水性聚氨酯溶液后通过加热箱, 除去水分, 然后通过压辊在一定压力下压制成带状, 即得到对位芳纶纤维复合带. 调节制备工艺为

      ( 1) 在160, 170, 180, 190, 200  5 个温度下分别制备复合带;

      ( 2) 纤维以不同速率通过加热箱, 速度分别选择为 0. 24, 0. 36, 0. 48, 0. 60 m/ min;

      ( 3) 纤维预浸束通过主动轮时, 砝码赋予其一定的成形压力, 压制成带状, 砝码压力分别选择为13. 1, 16. 3, 19. 6, 22. 9, 26. 1 M Pa.

      注: 由于砝码质量单位为 kg, 在比较砝码压力对强度影响时, 需将其换算成为常用单位 M Pa, 主动轮凹槽宽度为 b= 6 mm , 假定质量为 m 的砝码施加在长度l = 1 mm 的复合带上, 由式( 1) 可以计算砝码压力 p :

1. 4  强度测试

      使用 DXLL
20000 通用材料试验机( 上海化工装备有限公司) , 力值 1~ 20 000 N, 伸长 1 000 mm . 试验标准长度为 250 mm, 拉伸速率为200 mm/ min, 分别测定出不同工艺条件下制备得到的复合带的强度. 强度计算式:

      a= F/ A ( 2)

      式中: F 为最大断裂力; A 为复合带截面积.

1. 5  复合带的表面形貌观察

      选取长度为 1~ 1. 5 cm 的复合带, 表面喷覆厚度为 5~ 10 nm 的 Au, 然后采用 H ITACH I 生产的S
4800 场发射扫描电子显微镜( SEM ) 研究复合带表面的微观形貌, 放大倍数范围为 20~ 800 000 倍,加速电压为 0. 5~ 30 kV.

2  结果与讨论

      对于水性聚氨酯基芳纶纤维增强复合带而言,由于水性聚氨酯在整个复合材料体系中起到胶黏剂的作用, 且作为基体, 其力学性能相对于对位芳纶纤维差了几个数量级, 因此整个复合带的力学性能是受纤维控制的, 而对位芳纶纤维的强度服从Weibull 统计分布. 因此, 在对不同工艺条件下加工的复合带力学性能进行测试后, 通过 Weibull 分布模型对其进行统计, 从而可获得最佳制备工艺.

2. 1  复合带强度的 Weibull 分布理论

      1951 年, WEIBULL在弱节理论
基础上, 提出了 Weibull 强度分布理论, 其内容是指脆性材料中存在许多裂纹, 它们彼此独立互不干涉, 断裂始于连接最弱的地方. 根据 Weibull 强度分布理论, 进而提出了 Weibull 统计理论, 且 Weibull 统计理论应用于脆性材料的强度分散性分析的合理性和优越性已得到众多试验和事实验证.

      纤维增强复合材料中总存在一些微观或细微的缺陷源, 使得复合材料在强度试验中表现出较大的分散性, 迫使人们选择一些统计学方法进行数据分析、强度预测等. 根据纤维增强复合材料的破坏特点, 提出了复合材料强度基本环
的概念,应用最弱环理论描述复合材料的强度分布, 得出单向纤维增强复合材料的强度分布服从 Weibull 分布. 

2. 2  加工温度的选择

      用水性聚氨酯溶液对对位芳纶纤维 T echno ra进行涂布后, 需要对其进行高温热处理, 快速除去水分, 使聚氨酯树脂固化与纤维复合成型, 但是其加工温度不能超过 T echnor a 纤维的熔点, 避免纤维熔融.

      固定纤维走丝速度为 0. 36 m/ min, 砝码压力为16. 3 M Pa, 改变加工温度, 得到复合带强度线性回归分析图如图 2 所示, 由线性拟合方程计算得到的复合带统计应力0和 k 值如表 1 所示.

      从图 2 可以看出, 每个回归分析图上的图形近似直线, 说明运用 Weibull 统计方法来处理复合带强度是合适的. 由表 1 可知, 统计应力0先随着加工温度的升高而上升, 当加工温度达到 180 时达到最大, 随后下降. k 值随着温度的升高先上升后下降, 其在 190处 数 值 最 大. 一 般 而 言, 通 过Weibull 统计分布选取工艺, 最佳工艺条件是力学性能达到最佳, 而且 k 值也要越大越好. 因为 k 值越大, 说明强度分布越窄, 均一性越好. 具体到本文中, 180 为复合带的最佳加工温度. 虽然该温度下的 k 值要低于 190 说明 180 时强度分布比 190 的强度分布宽, 分散性稍大, 但是其0 却要远远超过 190 时的0 , 因此选择 180 作为加工温度.

2. 3  砝码压力的选择

      纤维束黏附着水性聚氨酯经过加热箱后, 胶黏剂受热固化并去除水分, 将纤维束中的纤维进行黏合. 然后通过压辊, 施加一定的压力将其压制成带.固定加工温度为180, 走丝速度为 0. 36 m/ min,改变砝码压力, 得到复合带强度线性回归分析图如图 3所示, 由线性拟合方程计算得到的复合带统计应力0和k 值如表2 所示.

      由表2 可知, 统计应力0随着砝码压力的增大先增大后减小, 当砝码压力为 16. 3 MPa 时, 0达到最大; 而 k 值呈先降低后升高的趋势. 综合0与 k 值来看, 虽然0峰值出现在 16. 3 M Pa 处, 但是 16. 3 MPa时对应的 k 值却是最小的; k 值在 26. 1 MPa 处最大, 但其对应的0却是最小的. 当压力为 19. 6 MPa时, 其0并不高于 16. 3 M Pa 处, 但两者差距并不很大, 对应的 k 值却比 16. 3 MPa 处的 k 值高得多; 同时 19. 6 M Pa 处的 k 值虽然比 26. 1 M Pa 处的小, 但其对应的0 却比 26. 1 M Pa 处的高得多, 因此应该选择 19. 6 M Pa 的砝码压力作为最佳工艺条件.

      图 4 为不同成型压力下复合带表面扫描电镜图, 随着砝码压力的上升, 纤维与聚氨酯间分散均匀性增加, 当达到一定成型压力时, 纤维均匀分散最好( 图4c) , 对复合带强度贡献也就越大; 当压力继续上升时, 预浸束受到的压力过大, 纤维在强大压力作用下向两边集中, 导致复合带厚度不均一, 其中的纤维排布不均, 出现中间薄两边厚的状况( 图 4(e) ,从而严重影响纤维的性能.

2. 4  走丝速度的选择

      纤维束黏附着水性聚氨酯以一定的速度经过加热箱, 纤维走丝速度的大小也会影响复合带的力学性能.固定加工温度为 180, 砝码压力为 19. 6M Pa, 改变走丝速度, 得到复合带强度线性回归分析图如图 5 所示, 由线性拟合方程计算得到的复合带统计应力0和 k 值如表 3 所示.

      增大而逐渐增大, 在纤维走丝速度为 0. 36 m/ m in 时达到最大, 随后随着走丝速度的增大却逐渐减小. 分析 k 值时发现其也大致呈这样的规律, 且 k 值最大值也出现在纤维走速为 0. 36 m / min 时. 从理论上来看, 这是由于水性聚氨酯树脂在180的加工温度下, 需要一定的时间受热固化, 完成黏结过程, 如果停留的时间过短, 则树脂还未完全固化, 无法起到黏结作用; 如果在其中停留时间过长, 虽然树脂已经完成固化, 但是纤维在高温环境下受热时间过长, 对其自身强度也有影响, 从而会降低整个复合带的强度.因此综合考虑, 选取 0. 36 m/ min作为纤维的走丝速度.

3  结  语

      ( 1) 通过 Weibull 统计方法研究不同条件下制备得到复合带的统计应力, 从而确定最佳复合带制备工艺. 从 Weibull 统计图上发现, 各图线性回归近似直线, 说明运用 Weibull 统计方法来处理复合带强度是合适的.

      ( 2) 随着加工温度的升高, 复合带的统计应力0先增大后减小, k 值也先增大后减小, 综合考虑0与 k 值, 复合带最佳加工温度为 180 .

      ( 3) 随着砝码压力的增大, 复合带统计应力
0先增大后减小, k 值先减小后增大, 综合考虑0与 k值, 复合带最佳成型压力为 19. 6 M Pa.

      ( 4) 随着纤维走丝速度的增大, 复合带的统计应力0先增大后减小, k 值也先增大后减小, 综合考虑
0与 k 值, 最佳纤维走丝速度为 0. 36 m/ min.