地下工程用纤维增强复合材料的制备与性能研究_陈潋.pdf

86陈 潋 地下工程用纤维增强复合材料的制备与性能研究地下工程用纤维增强复合材料的制备与性能研究陈 潋（中铁三局集团有限公司，山西太原 030001）摘要：为了提升地下工程用纤维增强复合材料的力学性能，采用熔融共混方法制备多种玻璃纤维添加量的纤维增强复合材料，研究了玻璃纤维添加量对复合材料密度和灰分、熔融和结晶以及力学性能的影响。结果表明，添加玻璃纤维制备得到的 PA66/GF 复合材料的密度和灰分都大于 PA66，且随着玻璃纤维添加量的增大，PA66/GF 复合材料的密度和灰分都逐渐增大；纤维增强尼龙复合材料中添加 20%30%的玻璃纤维不会显著改变复合材料的熔点，但是结晶温度有所提升、结晶时间明显缩短。研究结果将有助于高性能地下工程用纤维增强复合材料的开发与应用。关键词：地下工程；玻璃纤维；添加量；纤维增强复合材料；力学性能中图分类号：TB 33Preparation and Properties of Fiber Reinforced Composites for Underground EngineeringCHEN Lian(China Railway Third Bureau Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030001,Shanxi,China)Abstract:In order to improve the mechanical properties of fi ber reinforced composite materials for underground engineering,fi ber reinforced composites with diff erent glass fi ber content were prepared by melt blending method.The eff ects of glass fi ber content on the density,ash content,melting,crystallization and mechanical properties of the composites were studied.The results showed that:the density and ash content of PA66/GF composites prepared by adding glass fi ber are greater than PA66,and with the increase of glass fi ber addition,the density and ash content of PA66/GF composites increase gradually;the addition of 20%30%glass fi ber in fi ber reinforced nylon composites will not signifi cantly change the melting point of the composites,but the crystallization temperature has increased and the crystallization time has been signifi cantly shortened.The research results will contribute to the development and application of high performance fi ber reinforced composites for underground engineering.Key words:underground engineering;glass fi ber;addition amount;fi ber reinforced composites;mechanical property作者简介：陈潋，本科，高级工程师，研究方向：工程材料等。在日常生活中公路隧道、水下隧道和地下构筑物随处可见，这些以地面以下为开发利用地下空间资源所建造的地下工程与我们的生活息息相关，且用于地下工程的材料性能对于地下工程的稳定性、安全性等具有重要意义。随着地下工程环境复杂性的提高以及深度不断向更深度方向发展，对地下工程用材提出了更高的要求，其中，纤维增强复合材料具有密度小、强度高和耐腐蚀性能高等特点1-2，在地下工程中具有良好的应用前景，但是仍然存在纤维种类（如玻璃纤维、碳纤维）不好确定等问题3-6。本文采用熔融共混方法制备多种玻璃纤维添加量的纤维增强复合材料，研究玻璃纤维添加量对复合材料密度和灰分、熔融和结晶以及力学性能的影响，结果将有助于高性能地下工程用纤维增强复合材料的开发与应用。1 材料与方法实验材料：德国巴斯夫的工业级尼龙 66（PA66），中复神鹰碳纤公司的工业级玻璃纤维和硅烷偶联剂（KH-560），自制增容剂。在高混机中将 PA66、自制增容剂混合均匀，采用连续进纤熔融共混工艺，在 TSE-40 型双螺杆挤出机上进行玻璃纤维增强尼龙复合材料（PA66/GF）的制备7。双螺杆挤出机有五个温度区间，分别为 258263、264269、270275、276280 和 281285，螺杆转速设定为 350r/min，PA66/GF 复合材料制备过程中，在喂纤口加入质量比分别为 20%、25%和 30%的玻璃纤维，相应地制备出的 PA66/GF 复合材料分别记为PG-A、PG-B 和 PG-C。利用 Matsu Ha Ku 电子密度测试仪测试不同玻璃纤维添加量的复合材料的密度8；利用卡博莱特 NK-6型箱式电阻炉烧蚀复合材料（725、3h），测试复合材料的灰分9；熔融和结晶行为使用差示扫描量热仪 DSC822e 进行分析10；对利用 CMT 6140 型万能试验机测试拉伸性能，拉伸速率为 10mm/min，结果为 6 根试样平均值；断口形貌使用 JSM-6400 型钨灯丝扫描电镜进行观察；弯曲强度测试采用 CMT 6140 型万能试验机进行，弯曲速率为 2mm/min，跨度 64mm，结果取 6 根试样平均值；室温冲击性能测试利用 DJF-20 动态冲击分析仪进行，结果取 6 根试样平均值。2 试验结果与分析DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.001合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期87表 1 为纤维增强尼龙复合材料的密度和灰分。对于未添加玻璃纤维的 PA66，密度和灰分分别为 1.140gcm-3和 0；对 于 添 加 纤 维 的 PA66/GF 复 合 材 料，PG-A、PG-B 和 PG-C 的密度分别为 1.264gcm-3、1.304gcm-3和1.345gcm-3，灰分分别为 22.8%、27.3%和 31.1%。由此可见，添加玻璃纤维制备得到的 PA66/GF 复合材料的密度和灰分都大于 PA66，且随着玻璃纤维添加量的增大，PA66/GF 复合材料的密度和灰分都呈现逐渐增大趋势。究其原因，这主要是因为玻璃纤维的密度（2.512.87 gcm-3）远大于 PA66（1.13gcm-3），以及玻璃纤维沸点远大于热处理温度而使得玻璃纤维熔化但没有挥发所致11，此外，当玻璃纤维添加量为 30%时的 PG-C 复合材料的密度仍然小于金属。表 1 纤维增强尼龙复合材料的密度和灰分Table 1 Density and ash content of fiber reinforced nylon composites项目PA66PG-APG-BPG-C密度/gcm-31.1401.2641.3041.345灰分/%022.827.331.1表 2 为不同玻璃纤维含量的纤维增强尼龙复合材料的熔融和结晶参数。对于未添加玻璃纤维的尼龙材料，熔点、结晶温度和结晶时间分别为 264.72、217.51和 55.26s；当玻璃纤维添加量为 20%时，纤维增强尼龙复合材料 PG-A 的熔点、结晶温度和结晶时间分别为264.46、235.48 和 34.35s；当 玻 璃 纤 维 添 加 量 为25%时，纤维增强尼龙复合材料 PG-B 的熔点、结晶温度 和 结 晶 时 间 分 别 为 264.65、236.06 和 37.08s；当玻璃纤维添加量为 30%时，纤维增强尼龙复合材料PG-C 的熔点、结晶温度和结晶时间分别为 265.25、235.68 和 36.54s。对比分析可知，纤维增强尼龙复合材料中添加 20%30%的玻璃纤维不会显著改变复合材料的熔点，但是结晶温度有所提升、结晶时间明显缩短。图 2 不同玻璃纤维含量的纤维增强尼龙复合材料的熔融和结晶参数Fig.2 Melting and crystallization parameters of fiber reinforced nylon composites with different glass fiber contents试样熔点/结晶温度/结晶时间/sPA66264.72217.5155.26PG-A264.46235.4834.35PG-B264.65236.0637.08PG-C265.25235.6836.54如图 1 所示，对于未添加玻璃纤维的尼龙材料，拉伸强度、伸长率分别为 85.3MPa 和 35.4%；当玻璃纤维添加量为 20%时，纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度、伸长率分别为 127.4MPa 和 2.6%；当玻璃纤维添加量为 25%时，纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度、伸长率分别为 133.7MPa 和 2.9%；当玻璃纤维添加量为 30%时，纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度、伸长率分别为148.5MPa 和 2.8%。对比分析可知，添加玻璃纤维的纤维增强尼龙复合材料的拉伸强度相较 PA66 有明显提高，但是伸长率有明显下降。拉伸强度/MPa断裂伸长率玻璃纤维含量/%拉伸强度1601401201008040353025201510500 5 10 15 20 25 30 图 1 玻璃纤维含量对纤维增强尼龙复合材料拉伸性能的影响Fig.1 Effect of glass fiber content on tensile properties of fiber reinforced nylon composites图 2 为纤维增强尼龙复合材料的显微形貌。对比分析可知，三种不同玻璃纤维含量的复合材料中的玻璃纤维都被基体所包覆，在断面中仍然可见部分纤维被拔出的线性，但是在受外力作用时玻璃纤维仍然起到了良好的承载作用12。(a)PG-A (b)PG-B (c)PG-C图 2 纤维增强尼龙复合材料的显微形貌Fig.2 Micromorphology of fiber reinforced nylon composites如图 3 所示，对于未添加玻璃纤维的尼龙材料，弯曲强度、弯曲模量分别为 92.2MPa 和 2980MPa；当玻璃纤维添加量为 20%时，纤维增强尼龙复合材料的弯曲强度、弯曲模量分别为 165.4MPa 和 6288MPa；当玻璃纤维添加量为 25%时，纤维增强尼龙复合材料的弯曲强度、弯曲模量分别为 186.7MPa 和 6438MPa；当玻璃纤维添加量为 30%时，纤维增强尼龙复合材料的弯曲强度、弯曲模量分别为 197.5MPa 和 7742MPa。对比分析可知，添加玻璃纤维的纤维增强尼龙复合材料的弯曲强度、弯曲模量都相对 PA66 有明显提升，这主要与玻璃纤维添加后可以形成骨架而增强复合材料的弯曲能力有关13。弯曲强度/MPa玻璃纤维含量/%2202001801601401201008080007000600050004000300020000 5 10 15 20 25 30 弯曲强度弯曲模量图 3 玻璃纤维含量对纤维增强尼龙复合材料弯曲性能的影响Fig.3 Effect of glass