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1、 芳纶纤维纬平针织物增强聚酰胺复合材料的制备和机械性能O.A. Khondker*, T. Fukui, M. Inoda, A. Nakai, H. Hamada摘要：纤维/基体界面的结合形态对复合材料的整个机械性能有着十分重要的影响。为了生产出具有更高粘着性能的由完全可循环利用纤维增强的复合材料，聚乙烯和聚乙烯材料被预先用作单一高分子的复合材料原料。在本文，另一种单一高分子复合材料原料被定义为“整体”复合材料。选用聚酰胺材料与芳纶纤维结合以便获得更好的界面粘结。纬编技术在芳纶纤维尼龙复合材料生产中被用作增强体。芳纶纤维环氧树脂针织复合材料也被制备以便和芳纶纤维尼龙热塑性复合材料进行比较。芳
2、纶纤维尼龙复合材料和芳纶纤维环氧树脂复合材料的机械性能以及它们和纤维基体界面粘着性的关系及相互影响已经被研究。随着处理时间的增加，芳纶纤维尼龙复合材料的拉伸模量和强度分别增加和减少。另外，扫描电子显微镜观察清晰地表明，形成时间越长，纤维和基体之间的粘着性越强。虽然与芳纶纤维环氧树脂复合材料相比芳纶纤维尼龙针织复合材料在纵行方向强度较低，但是它们在横列方向上的强度性能有可比性。在芳纶纤维尼龙复合材料中，随着处理时间的加长，拉伸模量呈现上升趋势时，而拉伸强度却明显下降。这表明，可在一个合适的形成条件获得最佳拉伸性能。芳纶纤维尼龙针织复合材料相对芳纶纤维环氧树脂复合材料界面粘结性更好，后者纤维基体松
3、解。关键词：A.芳纶纤维；B.纤维/基体;E.针织；整体复合材料1. 引言在酸性条件、高温暴晒等恶劣环境侵蚀下热固性复合材料表现出比热塑性材料寿命更长，稳定性更强的特性。为了研究这些材料的持久性，首先要研究获得详细的实验数据。科技进步带来了一些挑战，保护环境便是其中之一。制造复合材料时，热固性基体遭有一些环保争论，因为他它们不能重复利用或循环使用。不可循环利用材料能对环境产生多种影响。近几年来，越来越多的使用热塑性基体来制造纤维增强复合材料，高极限应变、形成时间短、可循环利用和可重新熔化成形是其中一些因素。无机纤维和有机基体结合能产生高性能复合材料，如CFRP(碳纤维增强塑料)、GFRP(玻璃
4、纤维增强复合材料)。然而，非同类材料由于性能完全不同基本上难以粘着。无机增强体如玻璃纤维和碳纤维的使用，使得热塑性复合材料难以循环利用。最近几年，一些研究者准备用同种材料组成的增强体和基体来制备几种新的复合材料。Maron和他的团队被认为是最早把和芳纶纤维锦纶作为“整体”复合料进行广泛研究的人。为了避免由于纤维/基体粘合性差造成物质恶化，也为了获得更好的界面性、热性 机械性、经济性和生态环保性，人们提出了无界面复合材料的概念。不同增强体和基体构成的同种材料的复合材料显示出更高的界面强度。这些材料可被定义为整体复合材料，它们由于纤维基体界面的粘着性强而几乎没有粘着性能的化学分离现象。最近研究者把
5、聚乙烯和聚丙烯材料作为单一高分子复合材料研究，报告指出这些材料的界面粘着性能获了提高。聚酰胺材料也被选来与芳纶纤维结合使得整体复合材料种类增加。单一PE/PE复合材料的形成条件和拉伸性能，以及它们和界面性能的关系被人研究。聚乙烯纤维纬平针织物用来生产PE/PE复合材料薄而匀称加工条件，它对机械性能的影响也被研究。有一个合适的形成条件可使得生产的复合材料具有更好的拉伸和弯曲性能。PP/PP复合材料界面也被研究，纤维基体界面的穿晶结构形态增强了PP/PP复合材料的机械性能。正是纤维基体界面高度一的穿晶粒存在，聚丙烯短纤维增强的聚丙烯复合材料界面结合明显更加有效。用于编织的聚丙烯胶带和纤维的机械性能
6、和形态以及它们对热压缩的影响已经被研究。形态研究表明聚乙烯和聚丙烯单一高分子复合材料是可以制备的，这些复合材料符合完全可循环利用工程复合材料的要求。微型复合材料芳纶纤维/锦纶66 界面的穿晶结构已经被用动态的机械热分析研究，增强体和横晶粒形态松弛所需要的催化能量也更多。横晶粒对芳纶纤维和碳纤维增强的锦纶66复合材料性能的影响归结于它更好的弹性机械性能。研究也表明单一芳纶纤维锦纶66复合材料在纵向性能的提高反而取决于横晶粒层的厚度。电介质光谱学被用来研究横晶粒对芳纶纤维锦纶66微型复合材料分子动态的影响。电介质光谱学对PE/PE复合材料复杂松解的分析证实被处理纤维可以极生产有序横晶粒。由于聚合物
7、材料和性能的多样化横晶粒的影响还没有结论。只有更详细地研究横晶粒界面的具体影响才能下一般性的结论。在过去的几十年传统纺织制造技术如机织、编带、针织较多地采用来生产网状或接近网状预制件。先进纺织增强材料具有纺织结构的三维特性，任何一点纤维都可以在一个平面。纺织复合材料创造了大量的生产机会，其技术应用在航空、国内工程结构以及造船业、型运输工业，因为它们能生产可靠又价廉的高质量更耐冲击和不易分离的复合材料结构和配件。编带材料可以让复杂形状形成褶裥而不起皱，然而传统衣服和胶布材料要经过裁剪才能形成工字型、T型、圆形和方通、非常规截面的全硬面板和环形。接近网状的针织预制件和它们的良好成形性能够减少材料浪
8、费和生产时间，使得制造成本降低。针织在一些应用中呈现出很好的特性，如那些要求能量吸收强、良好抗冲击性，以及结构复杂和要求预成形能力。在本文，采用纬编技术来生产芳纶纤维材料的纬平针纺织品。对一些能用来生产具有多种纤维适应性的结构预制件和等厚纤维增强体的纤维来说，针织是一种快速、持续和十分通用的成形方法。通过结合薄膜层和压缩成形技术，锦纶6薄膜可用来制备芳纶纤维尼龙针织复合材料。由不同形状同种材料（相似酰胺结合）组成的芳纶纤维复合材料如纤维基体材料具有较高粘着性能。芳纶纤维环氧树脂复合材料同样被生产，以便用来和芳纶纤维尼龙复合材料比较机械性能及其它们和纤维基体界面粘着性的关系。2.实验研究2.1.
9、原料在这一研究中，芳纶纤维（东丽 杜邦，凯芙拉29,1500丹尼尔）和尼龙薄膜（东丽 杜邦）分别被用作增强体和基体。而纬平针织物是由（日本）京都技术协会用芳纶纤维制造的。芳纶纤维尼龙针织复合材料是结合薄膜分层技术和热压缩形成技术制造。通常都把芳纶纤维置于高温环境中随时间变化来观察其性能 。用同轴纤维束拉伸试验来研究境温度对芳纶纤维弹性模量和最高弹性强度的影响。纤维束在两个290的金属盘之间分别加热5分钟、10分钟、20分钟、40分钟，时间再长无法测试。图1a,b显示芳纶纤维束弹性模量和最高强度岁热暴露时间变化的影响。芳纶纤维束的弹性模量随热暴露时间变化几乎保持不变。可是，弹性强度随热暴露时间增
10、加较大程度的降低。当加热到40分钟时，原来的芳纶纤维弹性强度几乎降低了32。这被认为是分子链形态可能在高温下已经改变。图2.a是一张典型纬平针结构的图像。纬平针结构的线圈一个单元体有多种结构类型，主要包括四个部分：针编弧、纤维结合处、圈柱、树脂聚集处，如图2.b所示。2.2 芳纶纤维尼龙和芳纶纤维环氧树脂针织复合材料的制备和测试方法以每分钟加热10的速度对不同的尼龙薄膜进行扫描量热追踪得到其熔点为217。因此，用稍高于尼龙薄膜熔点的240的温度来形成复合材料。在这一形成温度，尼龙薄膜完全熔化并且成为容易完全湿透增强芳纶纤维的增强复合材料基体。获得更好浸渍一个重要的加工参数是形成时间。在一个更短
11、的形成时间里，基体树脂似乎不能完全浸透纤维束。但是，时间长点基体渗入纤维束的能力明显提高。用薄膜层的方法，把两个金属盘预热到100，把一层芳纶纤维针织物和尼龙薄膜放到两个热金属盘之间。把金属盘温度加到240，是采用等温升温至指定的240的形成温度。为了获得更高透明度，应缓慢自然的冷却。最终复合材料得线圈密度（纵密和横密）测得分别为4横列/CM和内的线圈数和5纵向/CM。芳纶纤维尼龙针织复合材料纤维体积分数接近24。是采用纤维的面积重量来计算针织复合材料的体积分数的。 如图12所示，典型的扫描电子显微镜图片比较了芳纶纤维尼龙和芳纶纤维复合材料两者的纤维基体界面的粘着性能。证实了芳纶纤维环氧树脂复
12、合材料纤维基体界面分裂，而芳纶纤维尼龙复合材料则没有这种现象。这些结果表明，芳纶纤维尼龙复合材料相对芳纶纤维环氧树脂复合材料具有更好的界面粘着性能。2. 结束语在这一研究中，芳纶纤维尼龙针织复合材料作为“整体”复合材料，是在不同的形成时间中制备的。芳纶纤维环氧树脂针织复合材料也在同样条件下制备以和它进行比较。也对两者的机械性能进行的研究。增强芳纶纤维的拉伸强度随着热曝露时间的增加而较大的下降，然而，热暴露时间对芳纶纤维的拉伸模量几乎没影响。芳纶纤维尼龙针织复合材料拉伸模量和强度随着热暴露时间的增加分别增加和降低。结果表明，可在一个合适的形成条件下获得最佳拉伸性能。扫描电子显微镜观察清晰表明，形
13、成时间越长，纤维和集体的粘结越强。 虽然与芳纶纤维环氧树脂复合材料相比芳纶纤维尼龙针织复合材料在纵行方向强度较低，但是它们在横列方向上的强度性能有可比性。与芳纶纤维环氧树脂复合材料相比，芳纶纤维尼龙针织复合材料机械性能的各向异性较小，后者也呈现出相对较好的界面粘结性能。参考文献： 1 Fukui T, Tsujii T, Nakai A, Hamada H. Fabrication and mechanicalproperties of unidirectional PE/PE composites. J Soc Mater Sci 2002; 51:13238.2 Fukui T, Inod
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