纤维及其集合体增强复合泡沫塑料的研究进展

齐立泽,支 超,*

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院,陕西 西安 710048;2.西安工程大学 功能性纺织材料及制品教育部重点实验室,陕西 西安 710048)

1 复合泡沫塑料

1.1 现状

复合泡沫塑料是将空心微球分散到聚合物基质中组成的复合材料。通常,聚氨酯、环氧树脂、硅树脂、聚丙烯、聚酰胺和其他聚合物用作树脂黏合剂[1-3],而微球可以是玻璃、碳、陶瓷、聚合物、金属等[4-6]。复合泡沫塑料具有低密度、高比强度和刚度、高声学、机械阻尼能力、低吸湿性和优异的隔热性能[7-10]。这些特性使复合泡沫塑料成为一种有吸引力的候选轻质结构材料,用于夹层结构中的芯、航空航天工业中的结构部件、阻尼板和水下浮力结构等[11-13]。

中空玻璃微球的加入有效降低了复合泡沫塑料的密度,但是限制了其力学性能[14]。为了改善复合泡沫塑料的力学性能,研究者们采用在聚合物中更换不同粒径、密度和高强度的微球或者将微球进行包覆等方法[15-17],但是其压缩强度改善不明显[18],甚至弯曲强度还要低于纯泡沫[19]。

作为轻质的复合材料,需要最大限度提高机械强度,以保持用作结构材料的足够强度,从而实现高度的重量节省。增强体的引入是改善复合泡沫塑料力学性能最常用的方法,研究人员为此进行了很多探索[20]。

1.2 分类

从纺织领域来说,纺织材料可分为纤维及其集合体。结合纤维的来源可分为化学纤维和天然纤维,而纤维集合体包括织物及间隔织物[21]。因此,对目前纤维及其集合体增强复合泡沫塑料的力学性能进行了对比分析,并进行了总结和展望。

2 纤维增强复合泡沫塑料

纤维是一种常用的性能优良的增强材料,常见的纤维包括玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)和天然纤维,在复合泡沫塑料中添加纤维是改善力学性能的方法之一[22]。纤维增强复合泡沫塑料材料作为汽车、航空航天、船舶和土木工程结构应用中的承重和能量吸收构件正得到越来越多的认可[23]。

2.1 GF增强复合泡沫塑料

GF是一种应用广泛的非金属无机材料,通过添加具有拉伸强度高及机械强度高等优良特点的GF来增强复合泡沫塑料,增强了复合材料的力学性能[24]。

王保民等[25]探讨了聚醚醚酮/空心微珠/GF复合材料的力学性能。结果发现,粉煤灰空心微珠和GF作为混杂增强体,“点、线”结合在复合材料中形成多维均匀的分散状结构,复合材料各个方向的力学性能差异性小,并具有增强的协同作用。此外,当粉煤空心微球重量份数为10%、GF为20%时,聚醚醚酮/空心微珠/GF复合材料的抗冲击和耐摩擦性能得到明显提高。

Yu等[26]研究发现向环氧树脂复合泡沫塑料中添加10%短GF时复合泡沫的抗压强度和抗拉强度分别比不含纤维的复合泡沫塑料提高了70%和49%,但加入量超过10%时,复合泡沫的强度会降低。

钱蒙[27]制备了空心玻璃微珠质量比为5%,GF不同质量比的5组配比的GF/玻璃微珠/环氧树脂复合泡沫材料。当GF填充质量比为10%时,复合材料的拉伸强度、屈服极限和弯曲强度,与未添加GF的复合泡沫塑料比较分别高出约48%、69%和57%,但是其密度仅增加了3%。

Ferreira等[28]评估了短GF加入对环氧树脂复合泡沫塑料的弯曲刚度、断裂韧性以及压缩和冲击性能的影响。研究发现,玻璃纤维的加入仅使弯曲刚度和断裂韧性略有改善,但显著增加了吸收的冲击能量。

2.2 CF 增强复合泡沫塑料

CF具有优越的强度重量比(T700,抗拉强度为4.9 GPa,密度为1.78 g/c m3),已被广泛用于许多领域,如航空航天、军事、汽车工业等[29-30]。但是纤维的成本和来源可能会限制其应用范围[31]。

Zhao等[32]研究发现随着高性能CF向环氧复合泡沫塑料中逐渐增加,复合泡沫的密度略有增加,但复合材料的力学性能显著提高。同时含有3 wt%短CF的复合泡沫的单轴抗压强度为141.7 MPa,是文献中报道的最高值之一,如图1所示。此外,Zhang等[33]研究发现增加复合泡沫塑料中碳纳米纤维(CNF)的体积分数可以较为明显地提升材料的断裂韧性。

图1 Zhao等[32]的样品实物、SEM图、表征和对比图

目前复合泡沫塑料在暴露于极端环境的结构中有许多应用,在短期和长期极端环境暴露下会影响复合泡沫塑料的力学性能[34-35]。有学者研究了在室温中长期浸水条件下CF增强复合泡沫塑料的水分降解。在该研究中检测到颗粒降解的证据,注意到机械性能的降低,并发现在弯曲载荷下,脆性断裂开始于试样的拉伸侧。除此之外,Zelt mann等[36]研究了含有15vol%~50vol%的玻璃微珠(GMB)和1 wt%~5 wt%的CNF增强剂的环氧复合泡沫塑料通过浸入90℃水中两周来加速风化后的力学性能。由于风化后复合材料力学性能的增强和保持被认为是由于基体的膨胀和基体表面形态的改变而增加了对纳米纤维的牵引力,因此包含5wt%CNF的复合材料在风化后强度增加了27%。

由于有些树脂基体本质上是非极性的,在增强纤维、中空微球和聚合物基体之间会产生弱的界面黏合,导致较差的拉伸强度和其他相关的机械性能[37]。因此改善三者之间的界面黏附性,这对于增强复合泡沫塑料的力学性能是非常关键的。Gogoi等[38]研究了中空玻璃微球(HGM)的加入对短碳纤维(SCF)增强聚丙烯(PP)混杂复合材料物理力学性能的协同效应。经硅烷处理的表面具有—NH2基团的HGM通过氢键与马来酸酐接枝PP的羧基相互作用,导致界面附着力相对增加。结果表明,混合10%和8%的HGM和SCF的复合材料表现出最高的拉伸和弯曲强度,比纯PP分别提高约110%和约112%。当添加8 wt%SCF的比拉伸强度与含有40 wt%纤维含量的市售PP复合材料相似。

此外,Wang等[39]通过数值模拟的方法研究了CF的取向对中空玻璃微球-环氧复合泡沫力学性能的影响。数值结果表明,CF的取向影响基体的弹性模量,当CF沿力的方向分布时,基体的弹性模量达到最大值。

2.3 天然纤维增强复合泡沫塑料

天然纤维是自然界原有的或经人工培植的植物、人工饲养的动物上直接取得的纺织纤维[40]。例如竹子的纤维素纤维是沿着其长度排列,从而在该方向上提供最大的拉伸强度、弯曲强度和刚度[41]。天然纤维材料与碳纤维、玻璃纤维相比具有相对低的密度、低成本、低能耗、易于回收、完全可生物降解等优点,引起了人们的极大兴趣[42-44]。

如图2所示,Ku mar等[45]制备了短竹纤维和中空玻璃微球(HGM)填料的轻质高强度混杂聚丙烯(PP)复合泡沫塑料。对密度低、抗压强度高的HGM填料进行硅烷化处理,以提高聚合物基体的润湿性。当HGM含量为10wt%时,随着短竹纤维含量的增加,复合材料的拉伸、弯曲和冲击强度等力学性能稳步提高。有趣的是,在短竹纤维含量高达10%的混杂PP复合材料中,拉伸强度与纯聚丙烯材料相当。

图2 Ku mar等[45]制备轻质高强复合泡沫的示意图及性能测试图

Gha msari等[46]将4组体积分数不同(0%、1.5%、2.5%和3.5%)的剑麻纤维添加到复合泡沫塑料中以提高复合泡沫的力学性能。随着纤维含量的增加,剑麻纤维复合泡沫的玻璃化转变略有降低。通过增加纤维含量改善了界面结合,导致了阻尼因子降低。总的来说,剑麻纤维改善了复合泡沫的黏弹性,而密度没有任何显著变化。

可以发现,在纤维增强复合泡沫塑料中,纤维增强复合泡沫塑料对提高其拉伸和弯曲性能具有重要意义。纤维的分散性在提高复合材料抗压强度方面发挥着重要作用。当纤维含量过多时,会导致在纤维之间产生桥接效应(多个纤维粘在一起)。桥接效应恶化了纤维和树脂的润湿性,导致应力集中点增加,复合泡沫强度降低[32]。此外,在纤维体积分数较高的泡沫中有更多的空隙,因此也会降低泡沫的压缩性能[17]。因此需要进一步对复合泡沫塑料进行改善,而纤维集合体是很好的选择。

3 纤维集合体增强复合泡沫塑料

3.1 二维织物

在需要大纤维体积比的情况下,使用连续纤维网比使用随机分布的纤维更容易实现目标性能特性。连续纤维网的设计和受控制造为增强复合泡沫塑料力学性能提供了可能性,但目前连续纤维网增强复合泡沫塑料的研究较少[47]。

如图4所示,Wang等[47]将玻璃纤维网格布和玻璃纤维分别加入到复合泡沫塑料中,并对它们的弯曲性能进行了比较研究。结果显示,与未被增强的复合泡沫塑料相比,玻璃纤维网格布和玻璃纤维的加入均可以提升材料的弯曲强度和弯曲模量,而玻璃纤维网格布的增强效果更明显。当向复合材料中添加两层玻璃纤维网格布时,材料的弯曲强度和弯曲模量分别为未被增强材料的2.5倍和2倍,但是,材料的密度同时增加了约10%。

Ku mar等[48]将经过酚醛树脂浸渍的No mex纸和牛皮纸制成蜂窝结构(RIPH),并加入到粉煤灰微珠/酚醛树脂复合泡沫塑料中,将其压缩性能与纯粉煤灰微珠/酚醛树脂复合泡沫塑料进行比较,试验表明RIPH的加入能较为明显地增强复合泡沫塑料的压缩强度和压缩模量。

可以发现二维纤维网的加入增强了复合泡沫塑料弯曲性能和压缩性能。但是复合泡沫塑料与增强相之间存在固结不够坚固的问题,会导致材料在拉伸试验中出现分层的现象[49]。因此使用完整度和强度高的材料增强复合泡沫塑料得到了广泛的研究。

3.2 三维织物

常见的三维织物是间隔织物。间隔织物是由三维织机一体织造而成,芯层的间隔丝将上下两面层织物紧紧地连接在一起[50]。因此,以它为“骨架”的复合夹芯材料具有很高的皮芯剥离强度,相比于传统的蜂窝夹芯和泡沫夹芯复合材料来说具有更好的抗分层、耐冲击的优点[51-52]。

Corigliano等[53]将机织间隔织物作为增强骨架加入到空心玻璃微珠/环氧树脂复合泡沫塑料中,并在上下表面各增加了一层玻纤增强塑料和一层梭织平纹玻纤布,组成了“三明治”夹芯结构,结果显示此种材料的抗压性能一般。这是因为使用的空心玻璃微珠的粒径较大、球壁较薄造成强度较低所致。

Zhi等[54]研究了经编间隔织物(WKSF)增强复合泡沫塑料的低速冲击性能。结果表明,与纯复合泡沫塑料相比,大多数WKSF试样显示出更高的峰值冲击力和主要损伤能量。Zhi等[55]研究发现WKSF增强了复合泡沫塑料的弯曲强度和模量,但对复合材料的密度几乎没有影响。此外,如图3所示,不同表面层结构、间隔丝倾角、微球的体积分数和类型对复合材料的低速冲击性能和抗弯曲性能有显著影响。

图3 不同结构的WKSF及弯曲强度和模量

支超等[56]将WKSF、空心玻璃微珠增强体与环氧树脂基体复合,进行了三点弯曲试验。与环氧树脂基复合泡沫塑料相比,WKSF的加入对其弯曲强度值提高了48.84%,比弯曲强度达到77.74 MPa·c m3/g。

可以发现,间隔织物的加入将更好地改善复合泡沫塑料的力学性能。选择更大的倾角、更紧密的表层结构和更高密度的间隔织物,复合材料表现出更好的抗弯曲能力。选择间隔丝直径更粗、横纵密度更大的间隔织物,复合材料表现出更好的抗压能力。

4 结束语

添加纤维及其集合体可改善复合泡沫塑料的拉伸、压缩、弯曲强度、断裂韧性等力学性能。复合泡沫塑料中不同类型的增强相各有优缺点,但是综合来看间隔织物具有很强的结构可设计性和立体性,可以满足不同领域需求的力学性能。随着社会和科技的发展,研究者们采用了其他类型的材料对复合泡沫塑料进行增强[57-58],使其应用领域不断扩大。