碳酸钙/玻璃纤维增强聚酯复合材料的强度和冲蚀性能研究外文翻译资料

 2022-08-08 11:23:13

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碳酸钙/玻璃纤维增强聚酯复合材料的强度和冲蚀性能研究

摘要：

本实验研究了碳酸钙填充不饱和聚酯/玻璃纤维(UPR/GFR)复合材料的强度和侵蚀特性。制备了含量分别为40、50和60 wt%，粒径分别为1、2、3、5和10微米的CaCO3颗粒的UPR样品，并在拉伸载荷、压痕和侵蚀条件下进行测试。获得并分析不饱和聚酯/玻璃纤维(UPR复合材料)/ CaCO3复合材料的抗拉强度、硬度和冲蚀磨损率。结果表明: CaCO3在复合材料中所占比例越高，粒径越小，玻璃纤维增强/不饱和聚酯复合材料(UPR-GFR)的强度和抗侵蚀性能越高。此外，在90°冲击角时，冲蚀磨损率最高。结果表明:CaCO3填充的UPR/GFR复合材料的冲蚀磨损呈脆性。

关键词:高分子复合材料；碳酸钙；强度；侵蚀

1. 引言

由于其易于操作，成型特性和固化性能[1,2]，不饱和聚酯(UPR)是实际应用中最重要的热固性树脂之一。在复合材料技术中，将CaCO3、玻璃纤维、炭黑等颗粒状填料加入到聚合物中，可能是提高聚合物刚度、模量和降低成本的好方法[3-5]。填料的填充特性、尺寸和界面结合[6]等因素会影响复合材料的拉伸性能。填料的最大体积填充率反映了颗粒的尺寸分布和形状。Srivastava和Shembekar [7]研究表明，粉煤灰颗粒作为填充剂可以提高环氧树脂的断裂韧性。聚合物复合材料越来越多地应用于工程应用，如齿轮，泵叶轮等易遭受冲蚀磨损的组件。然而，复合材料的抗侵蚀性能较差[8,9]。因此，有必要评估它们的强度和侵蚀行为。一般来说，影响复合材料冲蚀磨损的变量有:复合材料的力学性能、纤维含量、冲蚀粒度、冲击角和冲击速度。回顾过去对于复合材料冲蚀磨损的研究，大部分集中在材料性能的影响上，而不是操作参数[10-13]。Srivastava和Pawar[14]研究了添加剂、冲击角和腐蚀粒子速度对纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和添加2g和4 g粉煤灰颗粒的复合材料冲蚀磨损速率的影响。他们得出，掺4g粉煤灰的GFRP复合材料的冲蚀磨损率最低，60°撞击角时冲蚀最大。Finnie[15]、Barkoula和Karger-Kocsis [16]研究了撞击角、速度等操作条件对小颗粒侵蚀下聚合物复合材料侵蚀性能的影响。Barkoula和Karger-Kocsis [16]在示意图中总结了聚合物复合材料在侵蚀条件下的行为，见图1。

图1. 脆性和韧性类型的冲蚀磨损[4]的示意图

这张图显示并说明了典型的侵蚀图是撞击角和时间的函数。侵蚀机制可分为韧性和脆性两类。在韧性类型中，由于圈闭，重量先是增加，然后是线性减少。在脆性类型a的情况下，可以观察到线性重量损失，在90°角时损失较大。韧性材料的特点是最大侵蚀发生在低冲击角(15-30°)。但是，这个分组并不是最佳的[17]。Hutchings[18]观察到，材料的行为会随着侵蚀条件的变化而变化。Hager等人对几种热固性和热塑性塑料复合材料进行了侵蚀试验，观察到了半韧性行为。大多数测试的复合材料在60°冲击角下可观察到最大侵蚀。Tsiang[20]对Al2O3颗粒侵蚀砂进行了不同的观察。他的结论是，在GF/EP和其他一些热固性基体中，侵蚀是以脆性方式发生的，而在热塑性基体中，以半韧性侵蚀为主。Rajesh等人[21]研究了五种不同的聚酰胺的冲蚀磨损，观察到所有聚酰胺在30°冲击角时表现出最大的冲蚀磨损，这表明是韧性破坏行为。Tilly和Sage[22]研究了速度、冲击角、腐蚀粒度和重量对尼龙、碳纤维增强尼龙、环氧树脂、聚丙烯和玻璃纤维增强塑料冲蚀磨损的影响。他们的结果表明，这些颗粒填充材料表现为理想的脆性方式，无碱玻璃纤维增强环氧复合材料的侵蚀速率小于其他复合材料的5倍。无碱玻璃纤维增强环氧树脂复合材料在45°和60°冲击角下表现出半韧性侵蚀，而在75°和90°冲击角下表现出脆性侵蚀和最大失重。Zahavi和Schmitt[23]、Miyazaki和Takeda[24]也对纤维增强聚合物复合材料的侵蚀行为进行了研究，得出了90°冲击角下的侵蚀速率最大。Bitter[25, 26]在对侵蚀现象的研究中指出，韧性行为在30°冲击角附近表现出峰值侵蚀速率，这是因为侵蚀中切削机制占主导地位。由于以往的研究主要集中在聚合物复合材料的侵蚀行为和强度行为两方面，因此在这方面的研究存在一定的不确定性。为了得到更明确的结论，有必要同时研究聚合物复合材料的强度和侵蚀行为。

在复合技术中，添加剂常被用于复合材料中，以使总体材料成本最小化。比如在GFR不饱和聚酯(UPR)中加入CaCO3。添加剂对GFR-UPR复合材料的强度和冲蚀磨损性能有一定的影响。本实验研究了CaCO3/ GFR填充不饱和聚酯(UPR)复合材料的抗拉强度、硬度和冲蚀磨损性能。研究并评价了碳酸钙质量分数、碳酸钙粒度和冲击角对强度、硬度和抗冲蚀性能的影响。制备了CaCO3含量为40、50和60 wt%， CaCO3粒径为1、2、3、5和10微米的UPR试样，并在拉伸载荷和侵蚀条件下进行测试。结果表明，填料含量、填料粒径和试验条件对UPR/GFR/ CaCO3复合材料的强度和冲蚀行为有显著影响。

2. 实验程序

2.1. 复合材料的材料与制备

本文研究的复合材料是由不饱和聚酯树脂(UPR)、玻璃纤维(GF)和碳酸钙粉组成的UPR/GFR/ CaCO3复合材料。资料详见表1。

表一：材料

在制样过程中，不饱和聚酯和苯乙烯分别以重量为100:25的比例混合。另外，过氧化甲乙酮作为催化剂，BC500作为抑制剂;硬脂酸锌作为稳定剂;氧化镁作为增稠剂;加入降粘剂和颜料，并混合10min，然后转入Z型混合器中，加入表面改性剂和CaCO3混合0.5 h。然后在浆料中加入25 wt%的玻璃纤维，再混合15分钟。然后将混合物静置一周后制备样品。最后，利用液压机在1500 MPa压力下对混合料进行模压，制备试样（拉伸、硬度和冲蚀）。然后将样品在150°C的温度下在模具中固化约60秒。

2.2抗拉强度、硬度和冲蚀试验

在5 mm/min的速度、23℃的速度下进行拉伸试验。记录了试样的拉伸强度和断裂伸长率。采用巴氏硬度法进行压痕试验。对每个样品进行了多次测试，并记录了平均值。侵蚀试验采用自制的侵蚀试验台进行，见图2。

图2. 侵蚀磨损试验台示意图

该钻机由压缩空气供应系统、供砂系统和样品架单元组成。在测试过程中，夹持器被保持在相对于碰撞沙粒的流动方向30°、60°和90°的选定角度。以粒度为400 ~ 500微米的Al2O3冲击砂粒为侵蚀元素。在每次测试前后，用丙酮清洗复合样品，用刷子去除附着在表面的Al2O3颗粒，并记录其重量。所有试验均以40m/s的撞击速度进行。通过失重法来测定冲蚀磨损量。标准化侵蚀率(Ws)用公式(1):

Ws = Wc /WEr (1)

其中，Wc表示复合材料的重量损失和WEr是腐蚀剂的总重量(Al2O3)( WEr= 2360g )。Wc是使用1times;10-4g精度的天平称量侵蚀磨损试验前后样品的质量确定的。每次冲蚀磨损试验执行两次，并计算平均磨损值。

3.结果和讨论

图3~5为CaCO3含量(以重量计)和CaCO3粒径对UPR/GFR/ CaCO3复合材料力学性能的影响。图3为CaCO3含量对10微米CaCO3粒径UPR/GFR/CaCO3复合材料拉伸强度的影响。从图中可以看出，拉伸强度随着CaCO3含量的增加而增加。由于研究主要集中在填料含量，而不是纯复合材料上，因此以40％含量的复合材料为基准，将CaCO3含量提高50％可使拉伸强度提高约18％。因为与UPR相比，所有添加的成分材料在本质上都是脆性的，因此这反映在复合材料作为一个整体的力学性能。因此，随着CaCO3含量的增加，UPR/GFR/CaCO3复合材料的抗拉强度有所提高。图4展示了CaCO3含量对断裂伸长率和巴氏硬度的影响。在这种特殊情况下，测试了10微米粒径的CaCO3 UPR/GFR/CaCO3复合材料。从图中可以看出，随着CaCO3含量的增加，断裂伸长率逐渐降低，硬度逐渐增加。从图中可以看出，CaCO3含量增加50%，断裂伸长率下降40%，硬度增加10%。CaCO3含量的增加导致复合材料脆性的增加。因此，这导致了断裂伸长率的降低和复合材料硬度值的增加。另一方面，材料越脆，被除去的体积分数越大，因此侵蚀率也就越高。

图3. 碳酸钙含量对复合材料(粒径10mu;m)抗拉强度的影响

图4. 碳酸钙含量对复合材料断裂伸长率和硬度的影响

图3和图4的结果表明，50%含量的CaCO3复合材料具有均衡的性能(抗拉强度、硬度和断裂伸长率)。因此，仅对CaCO3含量为50%的化合物进行进一步的研究。

图5为CaCO3粒径对UPR/GFR/ CaCO3复合材料抗拉强度的影响。从图中可以看出，随着CaCO3颗粒尺寸的增加，抗拉强度降低。这是因为对于特定的CaCO3含量，随着颗粒尺寸的增加，基体与CaCO3颗粒之间的接触面减小，导致与基体的结合更弱，从而导致复合材料的强度下降。

图5. CaCO3粒径对UPR/GFR/ CaCO3复合材料抗拉强度的影响

图6. 冲击角和CaCO3粒径对UPR复合材料冲蚀磨损率的影响（腐蚀介质为Al2O3，速率为40 m·s-1）

图6展示了冲击角和CaCO3粒径对UPR复合材料冲蚀磨损率的影响。从图中可以看出，冲击角越大，CaCO3颗粒尺寸越大，UPR/GFR/ CaCO3复合材料的冲蚀磨损率越高。这可以解释为，当坚硬颗粒撞击脆性材料时，塑性压痕发生，并从塑性区延伸出长裂纹。因为这些裂纹不会停止，并到达表面，导致材料去除。90°的冲击导致塑性区更大的深度，从而导致更大的材料去除率最大的侵蚀率。

图7为50 wt%和1mu;m粒径CaCO3含量的UPR/GFR/ CaCO

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