玄武岩针刺毡复合材料工艺性能研究

杨 莉，徐文正

(安徽工程大学纺织服装学院，安徽芜湖241000)

0 前言

玄武岩纤维是前苏联经过30多年研究开发的一种无机纤维。因具有较好的力学性能和与塑料、金属、无机非金属等材料的良好结合性能，成为继碳纤维、玻璃纤维后的又一种新型增强体材料用于复合材料的生产和应用。同时，玄武岩纤维还具有突出的耐温性、耐久性及绿色无污染等优异性能［1－2］。

玄武岩纤维包括长丝和短纤维两种形态，因其玄武岩纤维的耐折性、耐磨性和柔韧性都较差，因此常以长丝状态进行加工，而玄武岩短纤维织物只适合于纤维毡或非织造布的形式存在。本文主要讨论增强体为非织造形态的玄武岩纤维复合材料的复合工艺对其性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

玄武岩针刺毡，面密度460g/m2，由浙江石金玄武岩纤维有限公司提供;硼酚醛树脂，黄色固体，由蚌埠市天宇高温树脂材料有限公司提供;无水乙醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司生产。

1.2 主要仪器及设备

电热恒温鼓风干燥箱，DHG－9070，上海三发科学仪器有限公司;实验室平板硫化机，25T，湖州橡胶机械有限公司;电子万能试验机，DDL600，长春试验机研究所;砂轮机，自制模具。

1.3 试样制备

因原玄武岩针刺毡较厚，因此将其二次加工成厚度为2mm，面密度为170g/m2的针刺非织造织物，并将其裁剪为尺寸120mm×180mm的样块备用，将粉碎后的硼酚醛树脂放入乙醇溶液中溶解，配制成含胶量为50%的胶液，根据实验方案将裁剪试样按一定比例浸渍于树脂凝胶液中，然后置于通风处干燥1d以上，得到预浸料。复合材料的制备采用层压工艺，将预浸料切割成尺寸为20mm×180mm，放入110℃ ～120℃烘箱中处理30min，然后取出在自制模具中铺层，层压制得所需复合材料试样［3］。

1.4 性能测试

按GB1447-2005和GB1449-2005测试复合材料的拉伸性能和弯曲性能，测试速率为10mm/min。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

本实验采用正交试验法，以复合材料中玄武岩纤维所占的百分含量(以下简称增强纤维含量)、成型压力、成型温度为影响因素，具体因子水平表如表1所示。

表1 因素水平表

2.2 数据分析

表2所示为样品的力学性能测试结果，表3所示为其拉伸强度和抗弯强度的极差分析。由表3可知，在所选影响因素中，增强纤维含量对复合材料的力学性能影响最大，而成型压力和成型温度对拉伸性能和弯曲性能影响规律不同，成型压力比成型温度对复合材料拉伸性能大，而对于复合材料弯曲性能的影响正好相反。同时发现，对于复合材料弯曲强度修正项极差较大，说明对于玄武岩针刺毡复合材料弯曲强度影响最大的因素并不在所选因素中。

表2 复合材料力学性能

2.3 增强纤维含量的影响

通过数据分析发现，增强纤维含量是所选三个因素中对复合材料力学性能影响最大的因素，但其对拉伸强度和弯曲强度的影响规律有所不同。复合材料的拉伸强度并不随着增强纤维含量的增加而线性增强，即当增强纤维含量为42%时，复合材料达到最大拉伸强度，当增强纤维含量增加，达到50%时，复合材料拉伸强度反而下降，但仍大于增强纤维含量为37%时。这与其他增强体结构的玄武岩复合材料拉伸强度受增强纤维含量的影响相同［4］，而针刺玄武岩复合材料的弯曲强度随增强体纤维含量的增加而线性减小。

分析其原因，在复合材料中玄武岩纤维为主要承力组分，因此随着增强纤维含量的增加，复合材料的抗拉性能增强，但随着增强纤维含量的增加，相应复合材料中的基体含量减少，当减少到一定程度后，难以完成对增强体材料的有效包覆。同时，在增强体织物浸渍过程中也发现，当增强纤维含量达到一定程度后，增强体不能被基体充分浸润，致使复合材料在拉伸受力时易出现分层及裂纹现象，使界面受损，导致复合材料拉伸性能下降。且玄武岩纤维的高强高模性能只体现在轴方向上，在剪切方向上质脆，柔韧性较差，因此当其含量增加时，导致其复合材料的整体弯曲性能下降。

2.4 成型压力的影响

成型压力对复合材料的拉伸性能和弯曲性能的影响规律不同。成型压力对复合材料的拉伸性能影响较大，仅次于增强纤维含量对复合材料的影响，而成型压力对复合材料的弯曲强度影响较小。复合材料的拉伸性能随成型压力的增大而线性减小;成型压力对复合材料的弯曲强度影响较小，其规律为当成型压力相对较小时，复合材料的弯曲强度随成型压力的增加而增强，当成型压力增大后，复合材料的弯曲强度下降。

表3 各因素影响分析

分析其原因，在复合材料的制备过程中，增加成型压力有利于熔融树脂的流动和扩散，可提高界面间的粘结效果，但成型压力增大时，树脂熔融所需温度升高;同时，由于玄武岩非织造织物本身强力较低，尺寸稳定性相对较差，当增大成型压力时，破坏了增强体织物结构的整体性，导致复合材料的整体力学性能下降。对于复合材料的弯曲强度而言，其基体材料的抗弯能力优于增强体结构，因此，当增大成型压力时，复合材料的弯曲强度提高。

2.5 成型温度的影响

成型温度在所选因素中对复合材料的力学性能影响相对最小，特别是对复合材料的拉伸性能的影响。在所选的成型温度因子里，在190℃时复合材料具有最佳的抗拉强度，在200℃时的抗拉强度最小。成型温度对复合材料弯曲强度的影响同样适合这种变化规律。这种变化规律与成型温度对其他增强体结构的玄武岩复合材料的变化规律是有区别的，如在采用相同的复合工艺条件下，成型温度的升高有利于平纹玄武岩复合材料力学性能的改善［5］。

分析其原因，主要跟玄武岩非织造织物的特殊增强体结构形态有关。因为玄武岩纤维本身吸湿性较差，因此，复合材料中增强体与基体的紧密结合主要依靠成型温度升高时树脂的熔融渗透，但非织造结构形式的玄武岩纤维织物空隙较大，树脂在浸渍过程中就可完成对增强体的渗透，减弱了复合成型过程中复合温度对界面结合性能的影响，反而会因为固体过程中温度过高而产生挥发性小分子的溢出，致使界面间产生明显的裂缝和分层现象，影响复合材料的整体性能。因此，增强体结构为非织造形式的复合材料其成型温度可适当降低。

2.6 其他因素的影响

通过实验测试发现，对复合材料弯曲强度影响最大的因素并不在所选因素中。玄武岩纤维是一种质脆、易弯折的纤维原料，因此，复合材料的弯曲性能多由基体树脂提供，这也可通过增强纤维含量增加对复合材料弯曲性能影响关系证明，而针刺非织造结构的玄武岩织物有别于其他加工方式形成的玄武岩织物，其表面结构疏松，含有较多的孔隙，更便于基体树脂的浸渍渗透。因此，玄武岩非织造布的孔隙程度，即玄武岩毡的织物性能应对复合材料的复合工艺及弯曲性能产生较大影响。

3 结论

(1)增强纤维含量的提高有利于复合材料拉伸强度的改善，但当增强纤维含量达到一定程度后，导致分层现象产生，致使复合材料拉伸强度的下降，复合材料的弯曲强度随增强纤维含量的增加而线性降低。

(2)成型温度的适当升高有利于复合材料力学性能的改善，但不与复合成型温度的增加成线性关系。

(3)在一定范围内增加成型压力有利于复合材料弯曲性能的提高，但成型压力过大时，复合材料弯曲性能下降。复合材料的拉伸强度随成型压力的增加而线性下降。

(4)增强体结构对复合材料工艺有较大影响，并对复合材料综合力学性能有一定程度的影响。

［1］邱菊生，钟智丽，石磊，等.纤维组分比例对玄武岩/聚丙烯复合材料力学性能影响研究［J］.天津工业大学学报，2010，29(1):23 －26.

［2］吴佳林.连续玄武岩纤维的研究进展及应用［J］.化纤与纺织技术，2012，41(3):38 －41.

［3］张俊华，李锦文，李传校，等.连续玄武岩纤维平纹布增强硼酚醛树脂基复合材料研究［J］.工程塑料应用，2008，36(12):17 －19.

［4］杨莉，马翔，尹良舟.单向玄武岩增强复合材料工艺与性能研究［J］.中国塑料，2014，28(7):55 －59.

［5］杨莉，洪伟涛，叶科胜，等.玄武岩增强硼酚醛树脂基复合材料工艺性能研究［J］.化工新型材料，2013，41(9):129－132.