连续玄武岩纤维增强UHMWPE复合材料的研制

连续玄武岩纤维增强UHMWPE复合材料的研制

贾涛芳,宋庆祥

山东格瑞德集团有限公司，山东德州 253000

摘要：以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）为基体，玄武岩纤维单向布为增强材料，制备了连续玄武岩纤维增强UHMWPE预浸带，将若干层预浸带采用模压工艺制备了复合材料板，研究了玄武岩纤维的含量对于复合材料力学性能、层间破坏强度、热性能的影响。结果表明，当玄武岩纤维质量分数为40%、50%、40%时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、维卡软化温度达到了最大值，分别为170.625MPa、67.431MPa、144.656℃，比纯UHMWPE分别提高了610.938%、461.925%、7.952%；当玄武岩纤维含量为40%时，层间剪切强度达到最大值17.178MPa；冲击强度随纤维含量的提高而不断增大；当纤维含量低于30%时，热变形温度也随着纤维的含量提高而不断增大。通过电镜观察复合材料界面，预浸带中的纤维获得了良好的浸渍，整体均匀性良好。

关键词：连续玄武岩纤维；UHMWP；复合材料；力学性能

引言

玄武岩纤维（BF）是一种新型的无机非金属纤维，具有高强、耐热耐碱、环保绿色等特点，与玻璃纤维相比，耐腐蚀性更优，具有良好的环境耐受性，同时玄武岩纤维的性价比优于玻璃纤维与碳纤维。利用玄武岩纤维增强UHMWPE可以结合两者的优势，使材料的性能大大提高。

笔者旨在充分利用玄武岩纤维及UHMWPE耐腐蚀、耐摩擦的特点，开发一种新型刮板用复合材料。将玄武岩纤维单向布作为UHMWPE的增强材料制备了预浸带，将预浸带采用模压工艺层压为板材，研究了连续玄武岩纤维的含量对于板材力学性能、层间破坏强度、热性能的影响。

1.实验部分

1.1主要原料

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）：挤出级，无锡市富坤化工有限公司；

玄武岩单向布，BUF13-3.6-200-60，浙江石金玄武岩纤维有限公司；

脱模剂、硅烷偶联剂（KH-550）等：市售。

1.2主要仪器及设备

单螺杆挤出机组：SJ-45/30型，张家港市华德机械科技有限公司；

平板硫化机：XLB-D（Q）型，湖州顺力橡胶机械有限公司；

万能电子强力仪：3369型，美国Instron公司；

冲击试验机：T602-179型，美国英斯特朗公司；

热变维卡软化试验机：ZWK1302-A型，深圳市新三思材料检测有限公司；

扫描电子显微镜（SEM）：TM-1000型，日本日立公司。

1.3试样制备

（1）玄武岩单向布的表面处理

为了改善玄武岩纤维表面与UHMWPE的相容性，用浓度为1%的KH-550采用溶液法处理玄武岩纤维单向布[15]。

（2）连续玄武岩纤维增强UHMWPE复合材料的制备

单螺杆挤出机组模具采用加压薄片通道设计，经单螺杆挤出机混炼挤出，UHMWPE与玄武岩纤维单向布在薄片通道混合，经口模成型，通过牵引机牵引冷却，制得预浸带，牵引速度为0.8m/min，挤出机及模具温度为230℃。

通过调整螺杆转速为10-35r/min，获得玻纤含量为10-60%。

将若干层预浸带铺层在平板硫化机上，热压制得复合材料板材。热压工艺参数为：热压温度190℃，成型压力8MPa，恒温时间30min。

1.4测试与表征

拉伸性能按GB/T 1447-2005测试，拉伸速率为2mm/min；弯曲性能按GB/T 1449-2005测试，测试速率为2mm/min；层间剪切性能按GB/T 1450.1-2005测试，测试速率为1.0mm/min；冲击性能按GB/T 1451-2005测试，冲击速度为3.8m/s；热变形温度按GB/T1634.1-2019测试，施加应力为0.45MPa；维卡软化温度按GB/T1633-2000 测试，升温速率为50℃/h，载荷为5Kg。

采用SEM观察试样的纤维分布状况并拍照。

2结果与讨论

2.1纤维含量对复合材料力学性能的影响

经试验得知，随着BF含量的增加，复合材料的力学性能呈现先上升后下降的趋势。当BF的质量分数分别达到40%、50%时，拉伸强度与弯曲强度达到最大值170.625MPa、67.431MPa，比纯UHMWPE分别提高了610.938%、461.925%。

当BF含量为10%时，复合材料的力学性能提升不明显，而BF达到20%时，复合材料的力学性能大幅度提升。这是因为当有外力作用在复合材料上，在BF含量较低时，大部分应力还是作用于UHMWPE上，因而力学性能较差。但随着BF含量的提高，纤维与树脂接触的面积开始增大，浸渍效果不断增强，把纤维拔出树脂基体的阻力也在增加，纤维“骨架”开始发挥作用。而纤维含量过高时，纤维在基体中分布均匀性下降，材料内部缺陷增加，复合材料的力学性能开始下降。

2.2纤维含量对复合材料层间破坏强度的影响

经试验得知，随着BF含量的增加，层间剪切强度显现先上升后下降的趋势，当BF质量分数为40%时，复合材料的层间剪切强度达到最大值为

17.178MPa。在纤维含量低时，UHMWPE粘度相对较大，影响了树脂与纤维的浸润，从而导致层间剪切强度较低。而随着BF含量的提高，UHMWPE的粘度适应了浸润的需要，从而整体的浸润性得到提高。但BF含量过高时，分散不均匀导致产生贫胶缺陷，从而复合材料的界面粘接强度下降，层间剪切强度也跟着下降，即易在冲击下产生分层现象。

冲击强度呈现不断提高的趋势，与纯UHMWPE相比，添加10%BF时，冲击强度提高了4.571%，添加60%BF时，冲击强度提高了25.672%。复合材料在受到冲击时，BF的断裂、脱粘、拔出吸收了大量的能量，抑制了微裂纹的扩展，且冲击方向与BF取向垂直，BF起到了“铆钉”作用，因而添加BF可以提高复合材料的冲击韧性。

2.3纤维含量对复合材料热性能的影响

经试验得知，在质量分数低于30%，随着BF含量的提高，热变形温度也逐渐渐提高。当BF含量超过30%以后，BF含量增加对于热变形温度影响不大。纤维含量为30%时，热变形温度为135.562℃，与纯UHMWPE相比，提高了73.798%。随着BF含量的提高，维卡软化点温度呈现先增大后减小的趋势，当玄武岩含量为40%时，维卡软化点温度达到最大值为144.656℃，与纯UHMWPE相比，提高了7.952%

由于BF耐温高，良好的浸润效果保证了复合材料三维立体结构支撑应力的效果，随着纤维含量的提高，效果得到不断加强，因而复合材料的热变形温度得到提升。但超过一定量后，树脂相对含量降低，没有完全浸润纤维，破坏了三维立体结构的完整性，影响了热变形温度的提高。

由于挡板在工作中会处于摩擦受力受热状态，从测试结果可以看出，连续玄武岩纤维增强UHMWPE复合板材可以适应一般的工况范围。

3结论

将经过表面处理的连续玄武岩纤维，通过预浸带工艺制得玄武岩纤维单向布增强UHMWPE带材，通过铺层模压，制得复合材料板材。

（1）连续玄武岩纤维可以显著的提高UHMWPE复合材料的力学性能、层间破坏强度及热性能，复合材料总体性能良好，可以满足养殖行业刮板使用。

（2）当BF含量为40%、50%、40%、40%时，拉伸强度、弯曲强度、维卡软化点、层间剪切强度达到最大值分别为170.625MPa、67.431MPa、144.656℃、17.178MPa，比纯UHMWPE相比，前三项性能分别提高了610.938%、461.925%、7.952%，随着纤维含量的提高，这四项性能均呈现先上升后下降的趋势。随着纤维含量的提高，冲击强度呈现上升的趋势。当纤维含量低于30%时，随着纤维含量的提高，热变形温度呈现先上升趋势，当BF含量超过30%以后，热变形温度基本不变。

（3）通过电镜观察，复合材料界面良好，整体浸润性良好，制备工艺具有可行性。

参考文献

[1]宋润滨，孙文山，端木永东，等.铸造用混砂机刮板国产化的研究[J].哈尔滨理工大学学报，2000，5(3)：98-100.

[2]张新永.一种耐磨型刮板输送机中部槽在平煤十二矿岩石保护层采面的应用与实践[J].中国机械，2019(17)：157-158.

[3]丁向杰.刮板运输机的检修与维护[J].科技信息，2013 (18)：396-397.