果蔬瓦楞紙箱纖維復合材料的力學性能研究

董娟娟,舒祖菊,方 遒

(1.安徽新聞出版職業技術學院 機電信息系,安徽 合肥 230601;2.安徽農業大學 輕紡工程與藝術學院,安徽 合肥 230022)

碳纖維作為一種經環氧涂層處理和石墨壓織的碳化纖維制品,由于具有質量輕、強度高等特性[1],在汽車、電子產品和包裝等工業中應用較為廣泛;尼龍6(PA6)作為一種由己內酰胺聚合而成的高分子化合物,由于具有良好的機械強度、抗沖擊性和抗溶解性等[2],在交通運輸、機械制造等行業廣泛應用。隨著包裝工程等對纖維復合材料要求的提高,在果蔬瓦楞紙箱中要求具有良好表面質量和拉伸性能的纖維復合材料[3-6],因此,有必要研究碳纖維增強PA6復合材料的力學性能和表面質量影響因素,而目前的難點主要集中在碳纖維增強PA6復合材料的浸漬上[7-9],碳纖維與PA6之間的浸漬效果在很大程度上會影響最終產品的使用性能。本文為了提升果蔬瓦楞紙箱纖維復合材料的力學性能等,研究了模具溫度、張緊力和壓延處與模具出口距離對復合材料力學性能和表面質量的影響,以期優化出果蔬瓦楞紙箱纖維復合材料的制備工藝,為高性能果蔬瓦楞紙箱纖維復合材料的開發與應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料和實驗設備

原材料包括日本東麗T700 SC-24K型碳纖維、福建實業TP-4319型PA6、抗氧劑A和抗氧劑B。

實驗設備包括:DZF-621型真空干燥箱、ADVENTURE 30型電子分析天平、RM-300A型轉矩流變儀、DVM5型驅動輕紗架、MOS6型三輥壓延機、SZ-83/500DV型塑料注塑成型機、SZ250型破碎機。

1.2 試樣制備

纖維復合材料的制備工藝流程如圖1所示[10]。首先,將PA6樹脂材料進行真空干燥,與一定比例的抗氧劑A和抗氧劑B混合均勻后進入螺桿擠出機;連續碳纖維經過預熱預分散處理后,將碳纖維和熔融樹脂混合進行熔融浸漬處理,包覆碳纖維。調整壓延工藝參數,包括模具溫度、張緊力、牽引速度等,并以一定的牽引力將復合材料穿過模具,得到一定寬度和厚度的復合材料預浸料,隨后進行冷卻、卷取等后處理,得到纖維復合材料預浸料。

圖1 纖維復合材料的制備工藝流程圖

1.3 測試方法

采用INSTRON-5969型萬能材料試驗機進行拉伸性能測試,測試標準為GB/T 1040-2006《塑料拉伸性能試驗方法》[11],拉伸速率為5 mm/min,結果為5組試樣的平均值;纖維復合材料的表面經過噴金處理后,在JSM 6800型掃描電子顯微鏡上觀察;宏觀表面形貌采用華為P40手機進行拍攝。

2 試驗結果與分析

2.1 模具溫度

圖2為模具溫度對拉伸性能的影響?？梢?隨著模具溫度從240 ℃ 上升至270 ℃ 時,纖維復合材料的抗拉強度先增加后減小,在模具溫度為250 ℃ 時取得抗拉強度最大值,約為836 MPa;從應力-應變曲線中可見,隨著應變增加,纖維復合材料的應力快速增加,在到達峰值應力后,繼續增加應變會造成應力快速下降,表明此時纖維復合材料的塑性較差。這主要是因為隨著模具溫度升高,加工過程中的樹脂熔融程度不同,如果模具溫度過低,樹脂無法完全熔融而造成流動性較差[12]、樹脂與纖維的浸潤性較差而無法完成完全包覆,而如果模具溫度過高,樹脂雖然充分熔融但是會造成界面浸漬性較差[12],拉伸強度也會降低,因此,適宜的模具溫度為250 ℃,此時樹脂與纖維可以實現良好浸漬。

圖2 模具溫度對纖維復合材料拉伸性能的影響

對不同模具溫度下纖維復合材料的拉伸斷口形貌進行觀察,結果如圖3所示。分別列出了模具溫度為240 ℃ 和250 ℃ 時復合材料的拉伸斷口低倍和高倍形貌。在較低的模具溫度下(240 ℃),纖維之間可見未被樹脂完全填充的空隙,且高倍下可見纖維表面樹脂的包覆性不好,這也是此時拉伸強度相對較低的緣故;當模具溫度升高至250 ℃ 時,拉伸斷口形貌中可見纖維間沒有明顯間隙,樹脂由于流動性較好而能夠完全填充間隙[13],且高倍下可見纖維表面樹脂包覆良好。拉伸斷口形貌觀察結果與圖2的拉伸性能測試結果相吻合。

圖3 不同模具溫度下纖維復合材料的拉伸斷口形貌

2.2 張緊力

圖4為張緊力對纖維復合材料預浸帶厚度的影響。其中,模具溫度為250 ℃?？梢?隨著張緊力從1 N增加至17 N時,纖維復合材料預浸帶厚度先減小后增加,在張緊力為13 N時取得最小值,繼續增加張緊力,纖維復合材料預浸帶厚度反而增加。這主要是因為施加張緊力會改變纖維的分布狀態,在一定程度上發揮展紗的作用[14],纖維復合材料制備過程中,張緊力和壓力協同作用,會使得纖維在拉直的同時與樹脂有較好的浸漬[15],因此,張緊力增加會使得纖維分散而厚度變小,但是當張緊力增加到一定程度時,纖維已經處于拉直狀態,繼續增加張緊力會影響浸潤而使得預浸帶厚度反而略有增加。

圖4 張緊力對纖維復合材料預浸帶厚度的影響

圖5為張緊力對纖維復合材料拉伸性能的影響。其中,模具溫度為250 ℃?？梢?隨著張緊力從1 N增加至17 N時,纖維復合材料的抗拉強度先增加后減小,在張緊力為13 N時取得最大值,繼續增加張緊力,纖維復合材料的拉伸強度反而減小。這主要是因為張緊力會改變分散在軋輥上纖維的厚度,并影響樹脂的浸潤效果[16],在較低的張緊力時,纖維無法實現拉直而影響樹脂與纖維的浸潤,拉伸強度相對較低,而如果張緊力過大,纖維在模具中的阻力增加,在局部不均勻處還會發生數量絲束斷裂或者刮傷的現象[17-18],因此,復合材料的抗拉強度會受到影響而減小。

圖5 張緊力對纖維復合材料拉伸性能的影響

2.3 壓延處與模具出口距離

在纖維復合材料制備過程中,最終成品的考核指標除了拉伸性能外,還包括表面質量。因此,進一步研究了壓延處與模具出口距離對纖維復合材料表面質量的影響,結果如圖6所示。當壓延處與模具出口距離較大時(90 mm),可見纖維復合材料的表面存在縱向溝槽、表面附著物等,整體表面較為粗糙;當壓延處與模具出口距離較小時(75 mm),可見纖維復合材料的表面存在縱向溝槽較淺,且表面附著物基本消失,整體表面較為光滑。這主要是因為壓延處與模具出口距離會影響預浸帶的冷卻時間,如果壓延處與模具出口距離較大時,預浸帶在進入壓延輥時已經冷卻[19],成型相對較差而影響表面質量,而在適宜的壓延處與模具出口距離時,在纖維復合材料進入壓延輥時仍然具有較好的塑性[20],成型質量相對較好。

圖6 壓延處與模具出口距離對纖維復合材料表面質量的影響

3 結論

1)隨著模具溫度從240 ℃ 上升至270 ℃,纖維復合材料的抗拉強度先增加后減小,在模具溫度為250 ℃時取得抗拉強度最大值,約為836 MPa;適宜的模具溫度為250 ℃,此時樹脂與纖維可以實現良好浸漬。拉伸斷口形貌觀察結果與圖2的拉伸性能測試結果相吻合。

2)隨著張緊力從1 N增加至17 N,纖維復合材料預浸帶厚度先減小后增加,在張緊力為13 N時取得最小值,繼續增加張緊力,纖維復合材料預浸帶厚度反而增加。隨著張緊力從1 N增加至17 N,纖維復合材料的抗拉強度先增加后減小,在張緊力為13 N時取得最大值,繼續增加張緊力,纖維復合材料的拉伸強度反而減小。

3)當壓延處與模具出口距離較大時(90 mm),纖維復合材料的表面存在縱向溝槽、表面附著物等,整體表面較為粗糙;當壓延處與模具出口距離較小時(75 mm),纖維復合材料的表面存在縱向溝槽較淺,且表面附著物基本消失,整體表面較為光滑。