第３９卷第８期 化工技术与开发 Ｖ０ｌ－３９ Ｎｏ．８ ２０１０年８月 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｕｇ．２０１０ 竹纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究 梁春群，莫攸 （广西师范学院化学与生命科学学院院，广西南宁５３０００１） 摘要：采用硅烷偶联剂对竹纤维进行表面改姓，通过热压成型工艺制备了竹纤维增强环氧树脂（ＥＰ）复合材料。研 究了竹纤维（ＢＦ）的长度、竹纤维含量和ＣａＣＯ３含量对竹纤维／环氧（ＢＦ／ＥＰ）复合材料力学性能的影响。结果表明，竹纤 维增强环氧复合材料，拉伸和冲击强度得到明显改善；当竹纤维含量为２０％时，ＢＦ／ＥＰ复合材料的力学性能最佳，拉伸和冲 击强度分别达到３７．６４ＭＰａ、８．３０ＭＰａ。 关键词：竹纤维环氧树脂复合材料力学性能 中图分类号：ＴＢ ３２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－９９０５（２０１０）０８・００２３－０４ 目前纤维增强复合材料中的增强纤维主要是 ｌ ｇ・Ｌ～，焦磷酸钠浓度为０．５ ｇ・Ｌ 的溶液里煮沸２ｈ，脱 由玻璃纤维、芳纶和碳纤维等，这些增强纤维材料 去纤维表面的胶质，再用酸洗和水洗，最后处理成 性能良好且均匀，但它们一般都存在着加工困难、 细丝状，在７０＂Ｃ下烘干５ｈ，取出备用Ｉｌ“。 耗能大、造价高、易造成环境污染等问题。而天然 往９５％的乙醇水溶液中加入浓度为Ｏ．６％的 植物纤维如竹纤维等来源广泛、性能适中，它们在 ＫＨ－５５０型硅烷偶联剂，比例为６：４，充分混合１ｈ，用 复合材料中的应用正越来越引起国内外材料界的 醋酸调节ｐＨ为４，把上面处理好的竹纤维放人上述 重视【】一。我国竹类资源丰富，竹材产量高，而竹子的 溶液中浸泡１．５ｈ，取出竹纤维并在７０＂Ｃ恒温烘箱中 再生能力强，成材期短，生长迅速，栽种成活后４～５ 干燥。 年即可成林砍伐。竹材料纤维由于其强度高、原料 １－３复合材料的制备和性能测试 丰富、天然抗菌性好、吸湿放湿和质感柔软等特点， 采用热压成型制作竹纤维增强环氧树脂复合 目前主要用于建筑、造纸和纺织ｒ卜９】等行业，因其有 材料板。室温下将竹纤维、环氧树脂、聚酰胺、邻 很好的强度特性，也用于制作高性能的复合材料【ｍ】。 苯二甲酸二丁脂、咪唑、无水乙醇混合均匀，将混 本文对竹纤维进行改性，并将改性竹纤维作为增强 合物放人模具中，在平板硫化机上预热１ ５ｍｉｎ，然后 材料，制备了竹纤维增强环氧树脂复合材料，并研 加压，在８０＂Ｃ下保压固化３ｈ，再在１００＂（２下保压固化 究了材料的力学性能。 ２ｈ，开模取出放人烘箱抽真空至０．０７ＭＰａ，在ＩＯ０￣Ｃ下 １ 实验部分 烘２０ｈ，制成复合材料。放置７ｄ后测试相关的力学性 能。拉伸性能按照ＧＢ／１ｒ １０４０测试；冲击性能按照 １．１主要原料与仪器 Ｇ 汀１８４３测试。 原料：环氧树脂Ｅ．４４和低分子量聚酰胺树脂 ６５０（工业品）、氢氧化钠（ＡＲ）、硅烷偶联剂 ２实验结果与讨论 （ｒ￣－５５０）（Ｉ业品）、高锰酸钾（ＡＲ）、冰醋酸（ＡＲ）。 ２．１竹纤维含量对复合材料力学性能的影响 仪器：ＸＷＷ－２０型万能试验机、ＸＹＺ．１２型哑 从图ｌ和图２可知，竹纤维增强环氧树脂复合 铃型制样机、ＸＱＺ．１型缺口制样机、ＸＪＵＤ一５５电子 材料的力学性能均比未添加竹纤维的环氧树脂复 悬臂梁冲击试验机。 合材料的拉伸强度高。ＢＦ／ＥＰ复合材料的拉伸、冲 １．２竹纤维的提取及表面改性 击强度随着纤维含量的增加，当纤维含量增加到 将竹片在碱浓度为３０ｇ・Ｌ～，Ｎａ２ＳＯ４浓度为 ２０％时，拉伸、冲击强度达到最大值，比纯ＥＰ材 收稿日期：２０１０．０５．１７ 化工技术与开发 第３９卷 料的拉伸、冲击强度分别增加了ｌ１２％和５４．７％；竹 纤维含量继续增加，拉伸性能随之下降。这是因为 竹纤维增强复合材料实现强化的最主要因素是基 体将承受的载荷传递给增强纤维，当含量较低时， 复合材料的强度主要取决于基体材料即树脂的强 度，在基材中所起的增强作用不足以抵消在基材中 形成的应力缺陷所起的破坏作用，随着含量的增加， 复合材料所受应力均匀分布，强度才得以提高，当 含量达到临界纤维体积分数时出现最大值，这与材 料加工时原材料含量对体系工艺条件的影响和纤 维含量在基体树脂中的分散程度有关。当纤维含量 超过临界值时，ＢＦ用量继续增加造成了纤维在树 脂中的分散性下降和界面间的粘合性变差，因此复 合材料的力学性能下降。当纤维量超过４０％时，复 合材料的力学性能会急剧下降。 材料的断裂伸长率随着纤维含量的增加总体 上呈下降趋势，纤维含量为零时，材料的断裂伸长 率较大，当材料中加入增强纤维后，试样的断裂伸 ∞垒＼ 黼侣囊 ８ 长率迅速降低，纤维增强复合的拉伸断裂实质上是 其拉伸区间内最薄弱部分的所有基原纤维或树脂 大分子逐渐被抽拔或拉断，复合材料的材料断裂伸 长率取决于纤维，一般而言，承受拉伸力的大分子和 纤维的根数越多，纤维强力越大，断裂伸长率越小。 因此，纤维含量的增加减小试样的断裂伸长率。 综上所述，竹纤维增强环氧树脂复合材料，大 大提高了复合材料的力学性能。当纤维含量达２０％ 时，复合材料的力学性能最佳，拉伸和冲击强度分 别达到２２．８６ＭＰａ、７．７８ＭＰａ，比纯ＥＰ材料分别增 加了１１２％、５４．７％。 ∞ 皇 嚼 圣 ０ １０ ∞ ∞ 柏 竹纤维含量，＿ 图１竹纤维含量对复合材料拉伸性能的影响 Ｕ １Ｕ 日 ■Ｕ 纤维含量／－ｔ＇‘ 图２竹纤维含量对复合材料冲击性能的影响 ２．２竹纤维长度对复合材料力学性能的影响 从图３和图４可知，复合材料的力学性能随着 纤维长度的增加而显著提高，当纤维的长度为 ２０ｍｍ时，ＢＦ／ＥＰ复合材料的力学性能最佳，拉伸和 冲击强度分别达到３７．６４ＭＰａ、８．３０ＭＰａ。其后随着 纤维长度的增加反而有所下降。对于不同的纤维的 长度，作用在纤维上的拉应力也不同，单向短纤维 复合材料的强度取决于纤维长度厶若上小于上ｃ（当 应力达到纤维断裂时的最短纤维长度称为临界纤 维长度三ｃ），则纤维上的拉应力达不到纤维的断裂 强度，这时，纤维只能拔出；当上大于工ｃ时，纤维 会发生断裂【挖】。所以，在临界纤维长度以下，纤维 越长，纤维与基体之间的界面强度越大，纤维对基 体的增强效果越好。如果纤维长度较小，则载荷将 从基体传递到一段很短的纤维上去，纤维应力不能 达到其应有的承载能力。另一方面，如果要求在一 段小的纤维长度内由基体向纤维传递较大的力，则 界面应力太大，可能引起界面脱胶或基体屈服。 哥 皂 氍 圣 飘 ０ ５ １０ 侣 ２０ ∞ ∞ 算 竹纤维长度／岫 图３竹纤维长度对复合材料拉伸性能的影响 ３ ５ 鼍第８期 梁春群等：竹纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究 ２５ ∞ 越隈懵是 ０ ６ ● ０ ５ ４０ １５ ２０ 葛 ∞ 饕 竹纤维长度／皿 图４竹纤维长度对复合材料冲击性能的影响 ２＿３填料ＣａＣＯ３的含量对复合材料力学性能的影响 从图５和图６可知，当复合材料加入ＣａＣＯ３ 时，复合材料的拉伸强度有较大的提高，复合材料 的冲击强度则呈下降趋势，但是下降趋势很小，基 本上没有影响材料的使用；随着含量的增加，材料 的拉伸强度呈缓慢上升，当增加到８％时达到最大 值，拉伸强度达到３３．７９ＭＰａ，继续增加达到１ ０％时， 拉伸性能反而下降，这是由于ＣａＣＯ３在材料中较易 分散，而且还可以起到润滑作用，使基体树脂与竹 纤维更易混合均匀，ＣａＣＯ３粉末均匀分布和填充在 树脂基体的微小间隙中，减少应力缺陷，当材料受到 负载时，可以更迅速和均匀地传递应力，能有效地提 高复合材料的拉伸强度。ＣａＣＯ３用量过大，ＣａＣＯ３ 与材料的相容性变差，界面粘合力减弱，造成材料 的性能反而下降。 总之，适量地增加填料ＣａＣＯ３，一方面既能提 高材料的拉伸性能，另二方面又能部分降低生产成 本。 ３Ｂ ３Ｉ 麓 置 －２ ０ ２ ● ６ ８ １０ １２ ｃａｃ０ ｔ％ 图５ ＣａＣＯ３含量对复合材料拉伸性能的影响 ８ 帕 皇 ＼ 骤６ 懵 是 ● ・２ ０ ｚ ４ § ５ １ｕ １ｚ ＣａＣＯ３Ｃｒｌ／ｗｔ￣ 图６ ＣａＣＯ３含量对复合材料冲击性能的影响 ３ 结论 （１）竹纤维增强环氧树脂复合材料，大大提 高了复合材料的力学性能，当纤维含量达２０％时，复 合材料的力学性能最佳，拉伸和冲击强度分别达到 ２２．８６ＭＰａ、７．７８ＭＰａ，比纯ＥＰ 举盼别增加了ｌｌ２％、 ５４．７％。 （２）复合材料的力学性能随着纤维长度的增 加而显著提高，当纤维的长度为２０ｍｍ时，Ｂ耽Ｐ 复合材料的力学性能最佳，拉伸和冲击强度分别达 到３７．６４ＭＰａ、８．３０ＭＰａ。 （３）从加工性能考虑，可以在材料中适当加 入ＣａＣＯ３粉末填料，一方面可以适当降低材料成 本，另一方面可以改善加工性能，使各原料更易充 分混合均匀，还可以提高材料的硬度、拉伸强度。 参考文献： 【１】汪克来，蔡键．竹纤维增强塑料材料性能研究【Ｊ】．安徽 建筑工业学院学报（自然科学版），２００５，１３（２）：７８－８０． 【２ 颜大为，蔡敏．２】竹塑复合材料的力学性能分析研究【Ｊ】．安 徽建筑工业学院学报（自然科学版），２００６，１４（４）：１９．２２． 【３３］ 杨勇．竹纤维增强ＰＰ复合材料的研究【Ｊ】．塑料，２００４， ３３（３）：４７－５０． 【４】李亚滨，寇士军．竹纤维／聚己内酯复合化的研究【Ｊ】．天 津工业大学学报，２００４，２３（３）：２６．２８． 【５】孙正军，程强，江泽慧．竹丝／环氧复合材料力学性能 【Ｊ】．航空制造技术，２００８，（６）：８９—９１． 【６ 唐伟家．６】竹纤维填充生物塑料制汽车内饰件【Ｊ】．合成材 料老化与应用，２００７，３６（１）：５４． 【７】 邵敬党．天然竹纤维的性能及其应用【Ｊ】．四川丝绸， ２００６，（４）：２３－２４． 【８］８ 李宁，白洋．竹纤维性质及其应用【Ｊ】．纺织科技进 屉 膏ｉ化工技术与开发 第３９卷 展，２ＯＯ７，（３）：ｌ５・１７． 【ｌ１】徐伟，唐人成．烧碱处理法从粗竹纤维中提取天然竹纤 【９】柏俊岩，柏俊峰，秦喜庆．竹纤维的纺织性能及其应用前 维【Ｊ】．生物质化学工程，２００６，４０（３）：１－５． 景【Ｊ】．河南纺织高等专科学校学报，２００７，１９（３）：４．９． 【１２】高光，杨之礼．ｓＦ的基础研究【Ｊ】．华南理工大学学 【１０】林冠烽，程捷，黄彪．竹纤维的开发和应用【Ｊ】．亚热带农 报，１９９２，２０（３）：１０４—１１４． 业研究。２００７，３（１）：６９—７２． Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂａｍｂｏｏ Ｆｉｂｅｒ－ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｅｐｏｘｙ Ｒｅｓｉｎ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ Ｓｔｕｄｙ ＬＬ耋ＮＧ Ｃｈｕｎ－ｑｕｎ，Ｍｏ Ｙｏｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｇｕａｎｇｘｉ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｕｓｔｉｃ ｓｏｄａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｒｅａｔ ａｎｄ ｐ耐 ｃｒｕｄｅ ｂａｍｂｏｏ ｆｉｂｅｒ（ＢＦ）．Ｂａｍｂｏｏ ｆｉｂｅｒ ｗａｓ ｔｒｅａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｇｅｎｔ（ＫＨ５５０）。ｎａｄｔｈｅｎｉｔｗａｓｂｌｅｎｄｅｄｗｉｈｔ ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎｔｏｐｒｅｐａｒｅＢＦ／ｐａｏｘｙ（ＥＰ）ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙｍｅｌｔ－ｂｌｅｅｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＥｆｆｅｃｔｓＯｆ ｏｃＲｔｃｎｔ ｏｆｆｉｂｅｒ，ｌｅｎｇｔｈ ｏｆｆｉｂｅｒ ｅｎｄ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ＣａＣ０３ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆＢＦ／ＥＰ ｗｆｆｆｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｅｎｓｉｌｅ 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ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｏｕｒｃｏｍｍｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｓｍｉｎｅ；ｄｉｃｈｌｏｒｏｅｔｈａｎｅ；ｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ；ｃａｔａｌｙｓｔ；ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ （上接第４６页） Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｃｅ Ｉｒｏｎ ｉｎ Ｃａｐｒｏｌａｃｔａｍ ｂｙ Ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ ＣＨＥＮＬｉｎ－ｙｉｎｇ （Ｓｉｃｈｕａｎ Ｓａｌｔ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｚｉｇｏｎｇ ６４３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｔｅ ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｕｍｉｎｏｌ ａｎｄ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ ｃａｔａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｆｅｒｒｏｕｓｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｒａｃｅ ｉｒｏｎ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｗｉｈｔ ｄｉｓｃｍｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｕｔ ａｎａｌｙｚｅｒ．Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｙｔ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｙｔ ｏｆｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ Ｗａｓ ｇｏｏｄ・ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｒｅａｃｔｉｏｎ；ｔｒａｃｅ ｉｒｏｎ；ｌｕｍｉｎｏｌ；ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｘｙｇｅｎ