一種玻璃纖維複合材料的製備方法與流程
2023-10-10 07:39:04 4
本發明屬於材料製備領域，尤其涉及一種玻璃纖維複合材料的製備方法。
背景技術：
玻璃纖維是一種高強度、高模量的無機非金屬纖維，其化學組成主要是二氧化矽、三氧化硼及鈉、鉀、鈣、鋁的氧化物，熔點 680℃ ，沸點 1000℃。玻璃纖維作為強化塑料的補強材料應用時，最大的特徵是抗拉強度大。抗拉強度在標準狀態下是6.3-6.9g/d，溼潤狀態5.4-5.8g/d。玻璃纖維是樹脂基複合材料中常用的增強材料，與傳統金屬材料相比，玻璃纖維具有很多優異性能：（1）拉伸強度高，斷裂伸長率小；（2）彈性係數高，剛性好；（3）在彈性限度之內吸收衝擊能量大；（4）屬於無機纖維，耐介質性良好，耐熱性能和尺度穩定性優良；（5）經偶聯劑處理後與樹脂結合性能良好。
目前，發達國家對熱塑性微孔發泡技術的實際應用開發及商業化推廣較多。我國對這項技術的研究尚處於起步階段，在理論上取得了一定進展，並已在實驗室製備出多種型號的熱塑性微孔塑料，但離熱塑性微孔塑料的產業化還有一段距離。對於熱固性微孔塑料，國內外關於化學發泡法製備酚醛、聚氨酯、環氧、不飽和聚酯等熱固性泡沫塑料的研究較多。對玻璃纖維、聚醯胺纖維、氨綸纖維增強酚醛泡沫塑料的增強效果、酚醛複合泡沫塑料的增強機理與微觀結構進行一系列的研究，取得一些積極進展。
技術實現要素：
本發明旨在解決上述問題，提供一種玻璃纖維複合材料的製備方法。
本發明的技術方案為：
一種玻璃纖維複合材料的製備方法，其特徵在於包括如下步驟：（1）稱取25g不飽和聚酯放入杯中；（2）分別依次取苯乙烯、促進劑、固化劑放入不飽和聚酯中，攪拌均勻；（3）將配好的樣品放入乾燥箱中，一分鐘後取出，迅速攪拌均勻後再放回乾燥箱中；（4）如此反覆直至樣品由液體變為糊狀，關緊乾燥箱，保溫後取出即可；（5）攪拌5次後進入保溫階段，為防止酚醛微球燒焦失效，保溫打開箱門，自然冷卻；完成複合材料的製備。
本發明所述的玻璃纖維複合材料的製備方法，其特徵在於：述固化劑的含量為0.7%。
本發明所述的玻璃纖維複合材料的製備方法，所述促進劑的含量為0.3%。
本發明所述的玻璃纖維複合材料的製備方法，所述攪拌間隔時間為40秒。
本發明所述的玻璃纖維複合材料的製備方法，所述保溫時間為5min。
本發明的技術效果在於：
本發明所述的玻璃纖維複合材料的製備方法，通過本發明所述製備方法製備含玻璃纖維的複合材料力學性能優於不含玻璃纖維的複合材料，且當玻璃纖維的含量為19.2%時，材料的力學性能最優，拉伸強度、抗彎強度、衝擊強度均得到有效改善，且本發明所述製備方法簡單，易於操作，善於推廣使用。
具體實施方式
實施例
一種玻璃纖維複合材料的製備方法，其特徵在於包括如下步驟：（1）稱取25g不飽和聚酯放入杯中；（2）分別依次取苯乙烯、促進劑、固化劑放入不飽和聚酯中，攪拌均勻；（3）將配好的樣品放入乾燥箱中，一分鐘後取出，迅速攪拌均勻後再放回乾燥箱中；（4）如此反覆直至樣品由液體變為糊狀，關緊乾燥箱，保溫後取出即可；（5）攪拌5次後進入保溫階段，為防止酚醛微球燒焦失效，保溫打開箱門，自然冷卻；完成複合材料的製備。
本發明所述的玻璃纖維複合材料的製備方法，其特徵在於：述固化劑的含量為0.7%。
本發明所述的玻璃纖維複合材料的製備方法，所述促進劑的含量為0.3%。
本發明所述的玻璃纖維複合材料的製備方法，所述攪拌間隔時間為40秒。
本發明所述的玻璃纖維複合材料的製備方法，所述保溫時間為5min。
通用型不飽和聚酯的分子結構中含有非芳香族的不飽和雙鍵，該樹脂加入引發劑發生自由基聚合反應，固化後成為不溶不熔的熱固性樹脂。它是目前國內外玻璃鋼製品生產中用量最多的熱固性樹脂。它具有特別有利的加工工藝條件，而且價格便宜，但固化後機械強度很低，不能滿足大部分使用的要求。
隨微球含量的增加，複合材料中泡孔密度逐漸增大。泡孔密度隨微球含量的增加先增後降，在微球含量為4%時泡孔密度達到最大。由於微球是中空結構，空心微球的強度與模量大於不飽和聚酯基體的強度與模量，當材料受到外力變形時會在基體內的空心微球處產生應力集中，在樹脂基體中產生細微裂紋，同時樹脂基體產生塑性變形，微球的中空結構吸收衝擊能量，從而提高了整個體系的韌性，當裂紋在應力作用下繼續擴展時，微球的存在阻止了裂紋的生長，改變了裂紋的傳播方向，消耗了由細微裂紋向宏觀裂縫轉化的能量，起到了增強增韌的作用。另一方面，微球與基體之間不僅有機械結合，在微球表面的羥基與聚酯鏈之間還存在化學鍵合作用，隨著微球含量的增加，氫鍵增多，微球和基體的界面結合能力增強，從而提高了材料的力學性能，但是當微球含量超過一定量後，形成團聚，微球表面的羥基和聚酯鏈的交聯密度過高，交聯點分布不均勻，粒子之間過於接近，應力集中作用超過臨界應力，反而會促進裂紋的產生，並向宏觀裂縫進行轉化所以，複合材料的韌性和強度曲線均呈現先增加後降低的趨勢。
當苯乙烯含量在20%-30%的範圍內，樹脂被稀釋的程度越來越高，試樣的密度越來越小；在30%-40%的範圍內，試樣密度呈現上升趨勢，從曲線可以看出，塑料密度在苯乙烯含量為30%時達到最低，為0.83g/cm3。故從苯乙烯含量對密度的影響來看，30%為苯乙烯的較優配比。
對於苯乙烯對材料密度的影響而言，在苯乙烯含量為30%時材料密度達到最小；對於苯乙烯對壓縮強度的影響而言，在苯乙烯含量為20%時材料抗壓強度達到最大；對於苯乙烯對衝擊強度的影響而言，在苯乙烯含量為20%時衝擊強度最大，而此時，材料密度並不是很大，並且此時材料抗壓強度最大。
當固化劑含量在0.5%-0.9%時，隨固化劑含量的升高，密度持續下降。結合試驗過程中觀察的現象，固化劑含量越少，試樣固化難易程度越低；含量越高，固化劑與促進劑的反應越劇烈，固化速度也就越快，而當固化劑含量為0.5%時固化時間明顯增多。
當固化劑含量在0.5%-0.9%時，當固化劑含量為0.9%時，材料的衝擊強度最大，而此時材料的密度也最小，並且此時材料的抗壓強度降低程度也較小，故固化劑的較優選擇為0.7%。
當促進劑含量在0.3%-0.5%時，隨促進劑含量的增大，密度先增大後下降。其中，在0.3%-0.4%範圍內密度增大，在0.4%-0.5%範圍內，試樣密度又變小。
當促進劑含量在0.3%-0.5%時，抗壓強度隨促進劑含量的增加逐漸增大。由圖可以看出，當促進劑含量為0.5%時，材料抗壓強度最大，為86Mpa. 故對於抗壓強度而言，促進劑含量0.3%為最優配比。
隨著玻璃纖維含量的增加，拉伸強度先上升後下降。當纖維含量為16.2%時，拉伸強度達到最大值48MPa，故從玻璃纖維含量對試樣拉伸強度的影響來看，較優的玻璃纖維含量配比是16.2%。
隨玻璃纖維含量的增加，在0-10.7%的範圍內，隨著玻璃纖維含量的增加，複合材料的韌性增大，抗彎強度逐漸上升。達到10.7%後，玻璃纖維的增強效果在一個範圍內，發揮效用最佳，抗彎強度急劇上升，在19.2%處達到峰值，為413.3MPa
從玻璃纖維含量對試樣密度影響來看，玻璃纖維含量越低，效果較優，從玻璃纖維含量對拉伸強度的影響看來，16.2%為較優方案；從玻璃纖維含量對試樣的抗彎，衝擊性能影響來看，較優的玻璃纖維含量配比是19.2%。綜合考慮，應選擇玻璃纖維含量的較優配比為19.2%。
微孔複合材料的力學性能隨著纖維含量的增加而增強，特別在玻璃纖維從無到有時，微孔複合材料的拉伸，衝擊性能明顯大大提高。這與玻璃纖維增強複合材料的增強，增韌分不開。拔出效應是指在裂紋擴展過程中，由剪切應力引起的，使晶須從基體中被拔出而消耗能量的一種現象。當晶須取向與裂紋表面呈較大角度時，由基體傳向晶須的力在二者界面上產生的剪切應力達到了基體的剪切屈服強度，但未達到晶須的剪切屈服強度時，晶須不會被剪斷而會從基體中被拔出。使用長徑比高的晶須增韌聚合物基複合材料，晶須對增韌主要貢獻是來源於裂紋擴展過程中晶須拔出所消耗的能量。當晶須與基質的界面剪切應力很低，而晶須的長度較大，強度較高時，撥出效應顯著。隨著界面剪切應力增大，界面摩擦力增大，拔出效應降低，當界面剪切應力足夠大時，作用在晶須上的剪切強度可能引起晶須斷裂而無拔出效應。研究表明：晶須的拔出常伴隨著裂紋橋接。當裂紋尺寸微小時，晶須橋聯起主要作用，而隨著裂紋增大，裂紋尖端處的晶須進一步被破壞，晶須拔出則起到主導作用。
當裂紋擴展到晶須，並且裂紋表面與晶須取向夾角較小甚至平行時，裂紋必須繞過或者穿過晶須才能繼續發展，因此改變了擴展方向，即發生了裂紋偏轉，導致裂紋擴展路徑增長，新生裂紋表面積增大，因此將使材料在被破壞的過程中吸收更多的能量，使材料的韌性提高。玻璃纖維在增強微孔複合材料時，出現的另一增強方式就是通過裂紋偏轉與橋接，增加斷裂路徑而消耗能量值，進而達到增強的效果。