竹纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究

梁春群，莫 攸

（广西师范学院化学与生命科学学院院，广西 南宁 530001）

竹纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究

梁春群，莫 攸

（广西师范学院化学与生命科学学院院，广西 南宁 530001）

采用硅烷偶联剂对竹纤维进行表面改姓，通过热压成型工艺制备了竹纤维增强环氧树脂（EP）复合材料。研究了竹纤维（BF）的长度、竹纤维含量和CaCO3含量对竹纤维/ 环氧（BF/EP）复合材料力学性能的影响。结果表明，竹纤维增强环氧复合材料，拉伸和冲击强度得到明显改善；当竹纤维含量为20%时, BF/EP复合材料的力学性能最佳, 拉伸和冲击强度分别达到37.64MPa、8.30MPa。

竹纤维 环氧树脂 复合材料 力学性能

目前纤维增强复合材料中的增强纤维主要是由玻璃纤维、芳纶和碳纤维等，这些增强纤维材料性能良好且均匀，但它们一般都存在着加工困难、耗能大、造价高、易造成环境污染等问题。而天然植物纤维如竹纤维等来源广泛、性能适中，它们在复合材料中的应用正越来越引起国内外材料界的重视[1～6]。我国竹类资源丰富,竹材产量高,而竹子的再生能力强,成材期短,生长迅速, 栽种成活后4～5年即可成林砍伐。竹材料纤维由于其强度高、原料丰富、天然抗菌性好、吸湿放湿和质感柔软等特点，目前主要用于建筑、造纸和纺织[7～9]等行业,因其有很好的强度特性,也用于制作高性能的复合材料[10]。本文对竹纤维进行改性，并将改性竹纤维作为增强材料，制备了竹纤维增强环氧树脂复合材料，并研究了材料的力学性能。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

原料：环氧树脂 E-44和低分子量聚酰胺树脂650(工业品)、氢氧化钠(AR)、硅烷偶联剂(KH-550)(工业品)、高锰酸钾(AR)、冰醋酸(AR)。

仪器：XWW-20型万能试验机、XYZ-12型哑铃型制样机、XQZ-1型缺口制样机、XJUD-55电子悬臂梁冲击试验机。

1.2 竹纤维的提取及表面改性

将竹片在碱浓度为30g·L-1，Na2SO4浓度为1 g·L-1,焦磷酸钠浓度为0.5 g·L-1的溶液里煮沸2h，脱去纤维表面的胶质，再用酸洗和水洗，最后处理成细丝状，在70℃下烘干5h，取出备用[11]。

往95%的乙醇水溶液中加入浓度为0.6%的KH-550型硅烷偶联剂,比例为6∶4,充分混合1h，用醋酸调节pH为4，把上面处理好的竹纤维放入上述溶液中浸泡1.5h,取出竹纤维并在70℃恒温烘箱中干燥。

1.3 复合材料的制备和性能测试

采用热压成型制作竹纤维增强环氧树脂复合材料板。室温下将竹纤维、环氧树脂、聚酰胺、邻苯二甲酸二丁脂、咪唑、无水乙醇混合均匀，将混合物放入模具中，在平板硫化机上预热15min,然后加压,在80℃下保压固化3h, 再在100℃下保压固化2h,开模取出放入烘箱抽真空至0.07MPa,在100℃下烘20h,制成复合材料。放置7d后测试相关的力学性能。拉伸性能按照GB/T 1040测试；冲击性能按照GB/T 1843测试。

2 实验结果与讨论

2.1 竹纤维含量对复合材料力学性能的影响

从图1和图2可知，竹纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能均比未添加竹纤维的环氧树脂复合材料的拉伸强度高。BF/EP复合材料的拉伸、冲击强度随着纤维含量的增加，当纤维含量增加到20%时，拉伸、冲击强度达到最大值，比纯 EP材料的拉伸、冲击强度分别增加了112%和54.7%；竹纤维含量继续增加，拉伸性能随之下降。这是因为竹纤维增强复合材料实现强化的最主要因素是基体将承受的载荷传递给增强纤维，当含量较低时,复合材料的强度主要取决于基体材料即树脂的强度, 在基材中所起的增强作用不足以抵消在基材中形成的应力缺陷所起的破坏作用, 随着含量的增加,复合材料所受应力均匀分布, 强度才得以提高, 当含量达到临界纤维体积分数时出现最大值，这与材料加工时原材料含量对体系工艺条件的影响和纤维含量在基体树脂中的分散程度有关。当纤维含量超过临界值时，BF用量继续增加造成了纤维在树脂中的分散性下降和界面间的粘合性变差，因此复合材料的力学性能下降。当纤维量超过40%时，复合材料的力学性能会急剧下降。

材料的断裂伸长率随着纤维含量的增加总体上呈下降趋势，纤维含量为零时，材料的断裂伸长率较大，当材料中加入增强纤维后，试样的断裂伸长率迅速降低，纤维增强复合的拉伸断裂实质上是其拉伸区间内最薄弱部分的所有基原纤维或树脂大分子逐渐被抽拔或拉断, 复合材料的材料断裂伸长率取决于纤维，一般而言,承受拉伸力的大分子和纤维的根数越多,纤维强力越大，断裂伸长率越小。因此，纤维含量的增加减小试样的断裂伸长率。

综上所述，竹纤维增强环氧树脂复合材料，大大提高了复合材料的力学性能。当纤维含量达20%时，复合材料的力学性能最佳，拉伸和冲击强度分别达到22.86MPa、7.78MPa，比纯EP材料分别增加了112 %、54.7%。

图1 竹纤维含量对复合材料拉伸性能的影响

图2 竹纤维含量对复合材料冲击性能的影响

2.2 竹纤维长度对复合材料力学性能的影响

从图3和图4可知, 复合材料的力学性能随着纤维长度的增加而显著提高，当纤维的长度为20mm时, BF/EP复合材料的力学性能最佳, 拉伸和冲击强度分别达到37.64MPa、8.30MPa。其后随着纤维长度的增加反而有所下降。对于不同的纤维的长度,作用在纤维上的拉应力也不同, 单向短纤维复合材料的强度取决于纤维长度L, 若L小于Lc（当应力达到纤维断裂时的最短纤维长度称为临界纤维长度Lc）, 则纤维上的拉应力达不到纤维的断裂强度,这时，纤维只能拔出；当L大于Lc时, 纤维会发生断裂[12]。所以，在临界纤维长度以下，纤维越长，纤维与基体之间的界面强度越大，纤维对基体的增强效果越好。如果纤维长度较小，则载荷将从基体传递到一段很短的纤维上去，纤维应力不能达到其应有的承载能力。另一方面，如果要求在一段小的纤维长度内由基体向纤维传递较大的力，则界面应力太大，可能引起界面脱胶或基体屈服。

图3 竹纤维长度对复合材料拉伸性能的影响

图4 竹纤维长度对复合材料冲击性能的影响

2.3 填料CaCO3的含量对复合材料力学性能的影响

从图 5和图 6可知，当复合材料加入 CaCO3时，复合材料的拉伸强度有较大的提高，复合材料的冲击强度则呈下降趋势，但是下降趋势很小，基本上没有影响材料的使用；随着含量的增加，材料的拉伸强度呈缓慢上升，当增加到 8%时达到最大值，拉伸强度达到33.79MPa,继续增加达到10%时，拉伸性能反而下降，这是由于CaCO3在材料中较易分散，而且还可以起到润滑作用，使基体树脂与竹纤维更易混合均匀，CaCO3粉末均匀分布和填充在树脂基体的微小间隙中,减少应力缺陷，当材料受到负载时,可以更迅速和均匀地传递应力,能有效地提高复合材料的拉伸强度。CaCO3用量过大，CaCO3与材料的相容性变差，界面粘合力减弱，造成材料的性能反而下降。

总之，适量地增加填料CaCO3，一方面既能提高材料的拉伸性能，另一方面又能部分降低生产成本。

图5 CaCO3含量对复合材料拉伸性能的影响

图6 CaCO3含量对复合材料冲击性能的影响

3 结论

（1）竹纤维增强环氧树脂复合材料，大大提高了复合材料的力学性能,当纤维含量达20%时，复合材料的力学性能最佳，拉伸和冲击强度分别达到22.86MPa、7.78MPa，比纯EP材料分别增加了112 %、54.7%。

（2）复合材料的力学性能随着纤维长度的增加而显著提高，当纤维的长度为 20mm时, BF/EP复合材料的力学性能最佳, 拉伸和冲击强度分别达到 37.64MPa、8.30MPa。

（3）从加工性能考虑，可以在材料中适当加入 CaCO3粉末填料，一方面可以适当降低材料成本，另一方面可以改善加工性能，使各原料更易充分混合均匀，还可以提高材料的硬度、拉伸强度。

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Preparation of Bamboo Fiber-reinforced Epoxy Resin Composites and Mechanical Properties Study

LIANG Chun-qun, MO You
(College of Chemistry and Life Science, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

Caustic soda solution was applied to treat and purify crude bamboo fiber(BF).Bamboo fiber was treated with coupling agent(KH550),and then it was blended with epoxy resin to prepare BF/epoxy（EP） composites by melt-blending process. Effects of content of fiber, length of fiber and content of CaCO3on mechanical properties of BF/EP were studied. The results showed that tensile strength and impact strength of composites reinforced by BF increased 112% and 54.7% respectively; when the length of BF was 20 mm, the BF content was 20% ,the tensile strength and the impact strength were best and reached 37.64MPa and 8.30MPa respectively. However, if CaCO3was blended with the composites, its mechanical properties were improved.

bamboo fiber; epoxy resin; composite; mechanical properties

TB 322

A

1671-9905(2010)08-0023-04

2010-05-17