全 文 ：复 合 材 料 学报 第 26 卷 　第 6 期 　　12 月 　 2009年
Acta Materiae Compositae Sinica Vo l.26 No.6 December 2009
文章编号:1000 3851(2009)06 0008 10
收稿日期:2008 12 01;收修改稿日期:2009 04 10
通讯作者:戴干策 , 教授 , 研究方向为聚合物改性和热塑性复合材料　E-mai l:g cdai@ecus t.edu.cn
剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测
孙占英 , 韩海山 , 戴干策＊
(华东理工大学 化学工程联合国家重点实验室 , 上海 200237)
摘　要:　采用注塑工艺制备剑麻纤维增强聚丙烯复合材料 , 研究纤维含量 、 长度及其分布 、不同基体树脂和相
容剂类型等对复合材料冲击性能的影响。分析单纤维强度的分散性 , 采用修正的Weibull分布模型估算临界纤维
强度 , 并对复合材料的冲击强度进行预测。结果表明:剑麻/聚丙烯的冲击强度随纤维含量增加而升高 , 树脂基
体的性质对冲击强度具有显著的作用;界面层为刚性层的相容剂 MAPP对冲击强度具有负作用 , 而界面层为柔
性层的相容剂 PP g GMA 对冲击强度具有提高作用;同等含量下 , 使用 PP g GMA 后复合材料的冲击强度
比使用 MAPP 提高 21.7%。通过 KH 550 硅烷溶液处理后的纤维与 PP g GM A 反应 , 在界面处引入更加柔性
的界面层 , 使冲击强度比引入 MAPP 提高 50.7%。将纤维取向因子引入冲击强度模型后 , 预测值与实测值符合
较好。
关键词:　剑麻纤维;复合材料;冲击强度;预测;Weibull分布;界面
中图分类号:　TB332;TQ327.9　　文献标志码:A
Prediction on impact strength of sisal fiber/polypropylene composites
SUN Zhanying , HAN Haishan , DAI Gance＊
(S ta te Key Labor ator y of Chemical Enginee ring , East China Unive rsity o f Science and Technolo gy , Shanghai 200237 , China)
Abstract:　The sisal fiber (SF)reinfo rced po lypr opylene com posites were manufactured by injec tion molding .The
effects of fiber content , fibe r leng th dist ribution , matrix types and compatibilizer types on the impac t streng th of the
composites were studied.The distribution o f indiv idual fiber tensile strength w as analyzed.The tensile strength o f
fibe rs at the critical fiber leng th was estimated by the modified Weibull distribution model.The impac t strength o f
the com posites w as predicted.The results show that the impact streng th increa ses with the fiber content.The
matrix type s have impor tant influence on the impact streng th.Owing to fo rming a rigid interfacial laye r betw een the
matrix and fiber , the MAPP compa tibilizer has a nega tive influence on the im pact strength , w hile the PP g GMA
compa tibilizer has a positive influence on the impact strength owing to fo rming a sof t interfacia l layer .The impact
streng th of the composite w ith PP g GMA is 21.7% higher than w ith MAPP a t the same compatibilize r content.
When the sof te r inte rfacial lay er is introduced through the reactions of the natural fiber trea ted by KH550 silane with
PP g GM A compa tibilizer , the impact streng th is 50.7% higher than tha t with M APP.The predic ted and the
experimental values are r easonably we ll appro ximated considering the fiber orientation factor to the impact st reng th
model.
Keywords:　sisal fiber;composites;impact streng th;prediction;Weibull distribution;inte rface
　　天然纤维复合材料由于其低成本 、环保等优点
而得到广泛的研究 , 用于轿车的产品有门内板 、行
李厢 、顶棚 、座椅背板 、衣帽架 、仪表盘等[ 1] 。然
而由于其较低的力学性能 , 尤其冲击强度较低 , 其
应用范围目前还比较有限 。对于聚丙烯体系 , 天然
纤维复合材料的冲击强度比相同纤维含量的玻璃纤
维复合材料低一个数量级。因此 , 为拓宽天然纤维
复合材料的应用 , 对冲击强度的深入研究显得尤为
必要。
纤维增强树脂基复合材料的冲击性能宏观上主
要与纤维和基体的性能 、纤维含量 、纤维的长度及
排列方式以及界面的结合强度等因素有关 , 细观上
DOI :10.13801/j.cnki .fhclxb.2009.06.002
主要涉及到纤维断裂 、纤维脱粘 、纤维拔出以及基
体变形与开裂等因素 。 Thomason 和 Vlug[ 2] 对玻
璃纤维增强聚丙烯体系进行研究 , 指出材料的冲击
强度随纤维长度 、纤维含量的增加而增大;纤维断
裂对复合材料的冲击强度影响较大 , 而纤维拔出影
响较小。Norman等人[ 3] 研究纤维的取向对复合材
料冲击强度的影响 , 发现纤维垂直于冲击方向时复
合材料具有最高的冲击强度 , 纤维平行于冲击方向
时冲击强度最低 , 纤维随机取向则具有适中的冲击
强度 。
目前 , 对于提高天然纤维复合材料力学性能已
开展了大量研究工作 。为了提高该类材料的冲击性
能 , 需注意 2 个主要问题:(1)纤维的选取 。据
Pavithran等人[ 4] 和卢珣等学者[ 5] 研究指出 , 天然
纤维复合材料的冲击性能与纤维次生壁 S2层的螺
旋升角有很大关系 , 螺旋升角在 20°左右时复合材
料的冲击性能达到最大值 。他们研究并比较了 4种
不同天然纤维的螺旋升角 , 认为采用剑麻纤维比采
用其它天然纤维制备的复合材料具有更佳的冲击性
能。(2)相容剂的使用 。目前在天然纤维增强热塑
性树脂基复合材料中用量最多的相容剂为 MAPP ,
尽管 MAPP 可以提高天然纤维复合材料的拉伸与
弯曲性能 , 但同时会降低复合材料的冲击强度。因
此 , 若要综合平衡考虑材料体系的各项性能 , 尤其
是冲击强度的改善 , 需要探讨新的改性方法 。
Co t t rell[ 6]最早对单向复合材料冲击强度进行
预测 , 但是该预测方法在随机取向纤维复合材料中
的应用受到质疑 。为此 , 针对随机取向纤维复合材
料 , Thomason 和 V lug[ 2] 提出新的冲击强度预测模
型。随后 M ieck 等人[ 7] 发展了 Thomason 和 Vlug
模型 , 并用来预测天然纤维复合材料冲击性能 , 发
现与实测值符合得较为理想 。但 Thomason 和
Vlug 模型以及 M ieck 模型未考虑纤维的取向对复
合材料冲击性能的影响 , 且他们的模型是根据缺口
Charpy 性能提出 , 对于缺口 Izod 性能预测是否适
用还未见报道。这些模型的另一大缺陷是纤维的拉
伸强度采用的是平均值 , 而实际中纤维表面与内部
存在着数量较多的缺陷 , 因此 , 其实际拉伸强度具
有较大的分散性 。天然纤维与玻璃纤维 、碳纤维等
合成纤维相比具有更大的分散性 , 其特定长度下的
强度应采用Weibull分布求出。本文中针对上述不
足 , 对剑麻纤维增强聚丙烯体系进行研究 , 并改进
现有模型用于冲击性能预测。
1　材料与实验
1.1　材　料
聚丙烯(PP):Y1600 , 上海石油化工股份公
司 , 熔融指数 1.6 g/min;Y3700 , 上海石油化工股
份公司 , 熔融指数 3.7 g/min;M1600 , 韩国 LG化
学有限公司 , 熔融指数 2.5 g/min;K7926 , 上海赛
科石油化工有限责任公司 , 熔融指数 2.6 g/min;
045 2 , 南京金陵塑胶化工有限公司 , 熔融指数
0.2 ～ 0.6 g/min。马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP):
A018 , 上海仲真材料科技有限公司 , 接枝率为
1.1%。剑麻纤维:广东东方剑麻集团 , 合格品等
级 。甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA):上海元吉化
工有限公司 。过氧化二异丙苯(DCP):国药集团化
学试剂有限公司。苯乙烯 、丙酮:上海凌峰化学试
剂有限公司。二甲苯:上海菲达工贸有限公司。
0.05 mo l/L 盐酸 异丙醇溶液:实验室自制。
0.05 mol/L NaOH 乙醇溶液:实验室自制。硅烷
偶联剂:KH550 , 上海耀华化工厂。抗氧剂:1010 、
168 , 瑞士气巴 基嘉公司。
1.2　PP g GMA的制备
将粉料聚丙烯 045 2 、DCP 、GMA 与苯乙烯
按一定质量比混合均匀后 , 在双螺杆挤出机
(GE2.8.30 41 , 卢森堡Gauder 集团)上熔融接枝
并造粒 , 得到 PP g GMA 。粒料经纯化后按照参
考文献[ 8]进行化学滴定 , 经计算分析得出 PP g
GMA 的接枝率为 2.32%。
1.3　复合材料试样制备
先将剑麻纤维放入烘箱中烘干 , 设定温度为
80 ℃, 时间为 8 h 。然后按照不同配方分别称取相
应牌号的 PP(Y1600 、 Y3700 、 M1600 、 K7926)、
MAPP 、PP g GMA 、抗氧剂(1010与 168按一
定质量比混用)等与干燥后的剑麻纤维经双螺杆挤
出机挤出造粒 , 粒料经干燥后在注塑机(TTI 80 ,
广东东华机械有限公司)中注塑成标准样条 。剑麻
纤维与相应牌号的 PP 复合材料记为 SF/PP;加入
MAPP 相容剂后复合材料记为 SF/MAPP PP ;加
入 PP g GMA 相容剂后复合材料记为 SF/GMA
PP;纤维经 KH550处理后再加入 PP g GMA
相容剂后复合材料记为 SF KH550/GMA PP。
1.4　测试方法
在悬臂梁冲击试验机上(XJU 22J , 承德试验
机总厂), 按 ASTM D256 标准测定注塑样条的缺
口悬臂梁冲击强度 , 同一配方样品至少测试 5 根样
·9·孙占英 , 等:剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测
条。单纤维测试样品制备及强度测定按文献[ 9] 在
万能材料试验机(CMT4204 , 深圳新三思公司)上
进行 , 拉伸速度 1 mm/min , 标距长度(测试时夹具
之间纤维长度 , 下同)分别选取 20 、 30 、40 mm , 每
组标距长度至少测试 50根纤维。
将样条经二甲苯煮沸 , 分离出剑麻纤维 , 然后
将纤维放在载玻片上用显微镜(XM2002A , 上海光
学仪器六厂)拍照 , 并经 U THSCSA Image Tool分
析软件测出纤维长度与直径。每个配方样条至少测
试 500根纤维。
分别对 SF/GMA PP 和 SF KH550/GMA
PP 体系 30%纤维质量分数复合材料进行化学滴
定 , 同时对未经纯化的 PP g GMA 进行化学滴
定 , 通过与纯化的 PP g GMA 滴定后对比分析
得出 SF/GMA PP 和 SF KH550/GMA PP 体
系中 PP g GMA 未参与反应的 GMA 含量 。
将单根剑麻纤维放入 2片 500 μm 的聚丙烯薄
膜中央 , 然后将其放入 2 片钢板模具之间 , 经
190℃热压一定时间并冷却至室温 , 按照文献[ 10]
裁取相应样品尺寸测定临界纤维长度。样品测试在
万能材料试验机上进行 , 测试速度为 2 mm/min ,
至少测定 10 根样品 , 样品碎片长度与直径采用
U THSCSA Image Tool分析软件测定 。
2　实验结果与分析
2.1　相容剂及纤维含量对冲击强度的影响
剑麻纤维含量对 SF/PP 、 SF/MAPP PP 及
SF/GMA PP 体系冲击强度的影响示于图 1 , 基体
树脂为 Y1600。可以看出 , 未加 MAPP 时 , 随着纤
维含量的增加 , 材料冲击强度大幅上升 。可知纤维
断裂及拔出作用对材料冲击强度有很大的改善。纤
维含量越高 , 这种改善作用就越明显。加入 MAPP
后 , 虽然材料冲击强度随纤维含量整体上也呈现上
升的趋势 , 但上升的幅度明显低于未加 MAPP 的
复合材料 。这是由于 MAPP 的加入使纤维与基体
之间结合更加紧密 , 不存在明显空隙 , 形成良好的
界面 , 而良好界面的形成对冲击强度具有不利的影
响 , 这为众多的研究者所证实[ 11 12] 。从图 1中还可
看出 , 加入 MAPP 后 , 在纤维含量为 6%(质量分
数 , 下同)时 , 冲击强度反而降低 , 说明在低纤维含
量下界面的负影响远大于纤维断裂及拔出的正影
响 , 而使冲击强度呈现下降的趋势 。图中虚线所示
为纯聚丙烯基体冲击强度值 , 其与加入 MAPP 的
复合材料冲击曲线相交于约 10 %纤维含量处 , 当纤
维含量超过 10%时复合材料的冲击强度比纯基体
得以提高。可见 , 在加入 MA PP 的条件下 , 复合材
料冲击强度得以提高的最低纤维含量应为 10%。
图 1中 SF/GMA PP 体系冲击强度亦会随剑麻纤
维含量的增加而提高。可以看出 , 相容剂 PP g
GMA 的加入不会比引入 MAPP 更多地降低复合
材料的冲击强度。
图 1　剑麻纤维含量及相容剂对冲击强度的影响
Fig.1　Ef fect s of si sal f iber con tent and
com pat ibili zer on impact st rength
2.2　纤维长度及其分布对冲击强度的影响
图 2所示为 SF/PP 、 SF/MA PP PP 体系中纤
维的长度分布。可以看出 , 2种复合材料具有较为
一致的长度分布 , 但未加 MAPP 时复合材料的纤
维统计平均长度 L n比加入时的略长 , 且方差 σ略
小 。这说明加入 MAPP 后使纤维与基体结合良好 ,
纤维在复合材料的加工过程中不能够自由移动 , 导
致其承受较大的变形而断裂 。但图 2(a)、2(b)中的
纤维长度均较短(数均长度小于 2 mm), 且方差差
别不大(1.91与 1 .96较为接近), 故 MAPP 的加入
未能显著地影响纤维的平均长度及其分布 , 因此 ,
加入 MAPP 的剑麻/聚丙烯复合材料的纤维长度及
其分布对冲击强度影响很小。而 MAPP 的加入由
于能显著地改善复合材料的界面结合 , 使材料破坏
时发生脆性断裂 , 冲击能量难以及时吸收 , 使冲击
强度降低。
2.3　树脂基体类型对冲击强度的影响
复合材料受到外力冲击时 , 树脂基体类型对能
量的吸收具有十分重要的作用 。图 3 比较了 SF/
PP 体系中不同基体树脂对剑麻纤维复合材料冲击
·10· 复合 材料 学 报
图 2　剑麻纤维质量分数为 30%时复合材料中的纤维长度分布
(Ln—纤维数均长度 , σ—纤维长度方差)
Fig.2　Fiber length dist ribut ion of composi tes at 30% si sal
f iber mass fract ion (Ln—number average fiber length ,
σ— fiber length stan dard deviation)
性能的影响 。其中 , Y3700 、Y1600为均聚聚丙烯 ,
M1600 、K7926为共聚聚丙烯 , 基体树脂韧性大小
依次为:K7926(106.18 J/m)>M1600(79.53 J/m)
>Y1600(25 .09 J/m)>Y3700(21.67 J/m)。从图
中可以看出 , 随着基体韧性的增加 , 复合材料的冲
击强度依次增加 。这主要归功于基体变形和开裂对
能量较大的吸收作用 。因此 , 如若以提高复合材料
冲击性能为目的 , 树脂基体的选择可考虑采用具有
较高韧性的共聚聚丙烯。
图 3 剑麻纤维质量分数为 30%时不同树脂基体对冲击性能的影响
Fig.3 Effect s of matrix types on impact st rength
at 30% sisal fib er mass f raction
2.4　相容剂类型对冲击强度的影响
图 4为 30%剑麻纤维含量时 MAPP 、 PP g
GMA 及纤维经 KH550 处理后再加入 PP g
图 4 剑麻纤维质量分数为 30%时不同
相容剂对冲击性能的影响
Fig.4 Ef fect s of compat ibiliz er ty pes on impact st rength
at 30% si sal f iber m as s f ract ion
GMA(加入质量分数均为 10%)对复合材料冲击性
能的影响。图中 PP 代表SF/PP 体系;MAPP 代表
SF/MAPP PP 体系;GMA 代表 SF/GMA PP
体系;KH550 代表 SF KH550/GMA PP 体系。
MAPP 相容剂的加入往往会对复合材料拉伸 、弯曲
等性能产生有利作用 , 但对冲击性能将会产生负面
影响。这主要是由于纤维与基体的界面结合过强所
致 。为改善冲击性能 , 在界面处引入柔性层已经成
为一种可行的方法[ 13] 。而柔性层的作用大小与柔
性分子链长短存在着重大的依赖关系 。通过对 PP
进行不同单体的熔融接枝反应 , 制备出具有不同接
枝分子链长短的功能化聚丙烯 , 成为在界面处引入
柔性层的一种简单实用的选择方案。大量工业化应
用的 MAPP 由于本身为 PP 接枝马来酸酐基团 , 其
接枝的基团分子链偏短 , 在界面处结合易产生刚性
层而非柔性层。而 PP g GMA 为 PP 接枝甲基
丙烯酸缩水甘油酯 , 其接枝基团的分子链较长 , 容
易在界面处形成柔性层 。由图 4可以看出 , 尽管
PP g GMA 比 MAPP 的接枝率高(PP g
GMA :2.32%, MAPP:1.1 %), 但能较好地改善
复合材料的冲击强度 , 提高幅度为 MAPP 的
21.7%。与 MAPP 相比 , 相容剂 PP g GMA 更
适用于对冲击性能要求较高的天然纤维复合材料体
系 。对于同时要求各项性能均较好的纤维复合材
料 , 可考虑 2 种相容剂的复配使用。通过对 SF/
GMA PP 和 SF KH550/GMA PP 体系 30 %纤
维含量的复合材料滴定后发现 PP g GMA 中未
·11·孙占英 , 等:剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测
参与反应的 GMA 含量分别为 0.68%与 0 .67%,
均低于 2.32 %, 因此可知 PP g GMA 中的环氧
基团大都参与反应。2种相容剂的界面结合情况如
图 5所示 。
图 5 MAPP和 PP g GM A 与剑麻纤维反应示意图
Fig.5 Reactions of sisal fib er w ith M APP and PP g GM A com patibi li zers
为进一步说明界面分子链长度对冲击性能的影
响 , 对剑麻纤维表面进行改性处理 , 所选择的处理
剂为 KH550硅烷偶联剂。纤维经 KH550处理后 ,
再与 PP g GMA 反应 , 在界面处引入更加柔长
的分子链(如图 6所示), 从而可形成更为柔性的界
面层 。从图 4 中可以看出 , 纤维经浓度为 2%的
KH550处理后 , 所制备的复合材料冲击强度有更
大幅度的增加 , 达到 80.86 J/m , 提升幅度为
MAPP 的 50.7%。这就证明增加界面分子链长度 ,
确实有助于提高复合材料冲击强度。再者 , 常规的
加入弹性体的方法虽然能够使材料的冲击性能有所
增加 , 但不可避免地将会导致其它性能(如拉伸 、
弯曲性能)的降低。而该种方法对复合材料其它性
能的影响很小 , 因此该种方法适用于制备高性能化
的天然纤维复合材料 , 特别对天然纤维复合材料低
冲击性能的改善具有较大的应用价值 。
3　复合材料冲击强度预测
3.1　纤维强度的分散性及临界强度的确定
为了对复合材料冲击强度进行准确的预测 , 纤
·12· 复合 材料 学 报
图 6 PP g GMA 与经 KH 550处理的剑麻纤维反应示意图
Fig.6 Reaction s of sisal fib er t reated by K H550 silane w ith PP g GMA compatibilizer
维临界强度的确定是极其关键的一步。纤维临界强
度是指当纤维长度达到临界纤维长度时所对应的纤
维强度值。由于纤维临界长度值普遍较小 , 采用实
验单独测量该长度下的纤维强度不易实现 , 通常采
用测量系列标距长度的纤维强度数据后外推得到 。
单纤维拉伸强度的分散性已经被众多的研究者
所证实 , 其强度大多符合 Weibull分布[ 15 16] 。天然
纤维具有比玻璃纤维 、碳纤维 、芳纶纤维等人工纤
维更加复杂的内部构造 , 因此其强度更具分散性 。
将Weibull分布用于天然纤维拉伸强度的统计已获
得广泛关注[ 17 19] 。
天然纤维二参数的Weibull分布可表示为[ 17]
F(σf)=1-exp -L σfσ0
β (1)
式中:σf为纤维拉伸强度;F(σf)为纤维在应力等于
或小于 σf时的破坏概率;L 为纤维测试时选取的标
距长度;σ0 为尺度参数;β 为形状参数 , 又称
Weibull模数。
纤维破坏概率的估算采用下式:
F(σf)=i/(n +1) (2)
式中:i为纤维在拉伸应力σi下断裂的根数;n为所
测单纤维的总根数。
对式(1)两边取对数得到
ln{-ln[ 1-F(σf)]}=βln(σf)+ln(L)-βln(σ0)(3)
本实验中测试了标距长度分别为 20 、 30 、
40 mm时纤维的拉伸强度 , 图 7 所示为 20 mm 标
距长度时纤维拉伸强度随直径的变化关系 , 30 、
40 mm 标距长度时与此趋势类似 , 本文中不再给
出 。可以看出 , 纤维拉伸强度大致随直径变大而降
低 , 呈现出负相关关系 。在同一纤维直径下 , 纤维
强度又有很大的差异。这说明天然纤维的表面缺陷
和内部缺陷随直径变大而增加 , 且沿纤维长度方向
上也有变化 。
由标距长度为20 、30 、40 mm 时纤维的拉伸强
度值 , 根据式(2)与式(3)可以得出图 8所示的不同
标距长度下纤维拉伸强度分布双对数图。由图 8可
以看出 , 在每个标距长度下纤维的拉伸强度均符合
二参数Weibull分布 。
由文献[ 17]可知 , 纤维的平均拉伸强度与标距
长度应满足如下关系:
σf =σ0 L-1/ βΓ(1+1/β) (4)
对式(4)两边取对数 , 便得到下式:
ln(σf)=-1β ln(L)+ln[ σ0 Γ(1 +1/β)] (5)
·13·孙占英 , 等:剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测
图 7 剑麻纤维拉伸强度的分散性
Fig.7 Dis t rib ution of si sal f iber tensile st ren gth
at 20 mm gauge leng th
图 8　不同标距长度下剑麻纤维拉伸强度分布
Fig.8　St rength dist ribut ion of sisal fibers at dif f erent gauge lengths
根据式(5)和标距长度为 20 、 30 、 40 mm 时纤
维拉伸的平均强度值 , 便得到图 9 所示的纤维平均
拉伸强度与不同标距长度的对数关系图 。
表 1　剑麻纤维拉伸强度的Weibull分布参数
Table 1　Weibull distribution parameters of fiber tensile strength
Gau ge
length/mm
Shape
param eter , β
S cale
parameter , σ0/MPa
Mean
st rength/MPa
S tandard
deviat ion
C orrelat ion
coef fi cien t
20 2.60 1461 413 200 0.960
30 2.48 1642 365 178 0.966
40 2.62 1630 347 119 0.980
20 , 30 , 40＊ 3.95 978 - - 0.992
＊ T he param eters are calculated by formula(5)
图 9 剑麻纤维拉伸强度与标距长度的对数关系
Fig.9 Average si sal f iber tensile st reng th as a
logarithmic function of gauge length
从图 8中的实验点的拟合曲线可以计算得到形
状参数(Shape parameter , β)和尺度参数(Scale pa-
rameter , σ0), 其结果汇总于表 1中 。根据式(5)由
标距长度 20 、30 、40 mm计算得出纤维拉伸强度的
Weibull分布参数也列于表 1中 。可以看出 , 形状
参数随恒定标距长度的变化很小 , 故在下面的分析
中假定对任意标距长度的形状参数均为一恒定值。
而由图 9所得到的 Weibul l分布参数与在恒定标距
长度下得到的数据存在差异 , 其他研究者也得到类
似的结果[ 18 , 20] 。
为消除此种差异 , Andersons等人提出以下修
正Weibull分布模型[ 18] :
F(σf)=1-exp -Lα σfσ0
β (6)
本文中根据 Andersons等人的Weibull分布模
型来估算纤维的临界强度。由于改进后的模型估算
的 β值较接近在恒定标距长度下得到的 β值 , 又考
·14· 复合 材料 学 报
虑到临界纤维长度最接近标距 20 mm , 故 β取值为
2.60 。式(6)中 , α为纤维平均拉伸强度与标距长度
关系的修正系数。Watson和 Smith 研究指出 , 对
杂化碳纤维束可取α=0 .48[ 21] 。而天然纤维为微纤
丝所组成 , 可看成杂化纤维束结构 , 且 A nde rsons
针对亚麻研究得出α=0.46[ 18] 。纤维的 Weibull分
布参数确定后 , 便可根据下式求出纤维的临界强
度:
σfcσL = LL c
α/ β (7)
式中:σfc为纤维的临界强度;L c为实测的纤维临界
长度。表 2给出临界纤维强度的预测值 , 其中参考
长度 L 取值为标距 20 mm , σL为此标距长度下的纤
维拉伸强度的平均值 , d f为临界纤维长度测定时的
纤维直径平均值 。
表 2　纤维临界强度的确定
Table 2　Prediction for tensile strength at critical f iber length
α β L /mm σL/M Pa L c/mm df/mm σfc/MPa
With ou t MAPP
With MAPP
0.46 2.60 20 413 6.85
2.27
0.23
0.11
499
607
根据表 2中数据 , 由下式可以得出界面剪切强
度τ值:
L c =σfcd f
2τ (8)
未加 MAPP 时τ为 8.38 MPa;加入 MAPP 后τ为
14.71 MPa 。
3.2　模型预测
Thomason 和 V lug[ 2] 对玻璃纤维增强聚丙烯
体系研究指出 , 虽然纤维拔出对复合材料冲击性能
具有一定的贡献 , 但若采用纤维拔出占主要作用的
模型对复合材料冲击强度进行预测时会存在较大误
差。因此 , 他们提出采用纤维断裂占主要作用的模
型来进行预测:
Ucom =V f σ2f Ld
2E f
L n
Ln +L c +(1-V f)U m (9)
式中:U com为复合材料冲击强度;V f为纤维的体积
分数;σf为纤维的拉伸强度;Ld为纤维的脱粘长度;
Ef为纤维的弹性模量;Lc为临界纤维长度;Um为基
体冲击强度;Ln为复合材料中的纤维数均长度。
该模型值得注意的是:纤维贡献项中 Lc的变化
会引起 Ld的变化 , 加入 MAPP 后 , L c变小 , Ld亦会
变小 , 而且 Ld的变化比 L c的变化更加明显 。如
Thomason和 Vlug[ 2] 研究得出 , L c由 3 .4 mm 变到
1.8 mm 时(变化了 1.6 mm), L d将从 18.2 mm 变
到 8.7 mm(变化了9.5 mm), 而纤维的脱粘对冲击
能量具有较大的吸收作用 。因此 , 加入 MAPP 后
由于纤维脱粘长度的大幅降低而导致复合材料较低
的冲击性能。若要考虑材料综合性能时 , 加入
MAPP 的同时尚需采取增加纤维的强度及纤维含
量等措施加以弥补 。
事实上 , 式(9)中 L d的测试不易实现 , 一般采
用下式进行估算:
L d =2U fE fσ2f (10)
该式中的U f为纤维的断裂能。需要注意的是:估算
L d时 , E f和σf应采用与测试Uf时一样的纤维长度所
对应的数值 。为避免繁琐的 L d测试及其估算 ,
M ieck等人[ 7] 将式(8)和式(10)代入式(9), 得到如
下简化模型:
U com =V f 2τUfL n
2τL n +σfcd f +(1-V f)U m (11)
可以看出 , 只要得到U f值 , 便可以根据前文所述数
值得到复合材料冲击强度U com值。式中纤维断裂能
U f值采用标距长度为 20 mm 的单纤维断裂实验大
致测出:U f =190 kJ/m2 。式(11)中U com值随 τ值
及σfc值的变化而改变。由式(8)可知 , τ值和σfc值
的变化均与 L c有关 , 而 Lc的变化会引起 L d的变化。
因此 , τ值及σfc值的变化最终与 Ld的变化存在较大
的联系 , MAPP 加入后 τ值变大 , σfc值亦变大 , L d
变小 。虽然此时纤维上载荷变大 , 但是脱粘长度变
小 , 因而材料抵抗外力做功就少 , 从而对外来冲击
能量吸收少 。而未加 MAPP 时 , τ值较小 , σfc值亦
较小 , L d变大 , 虽然纤维上载荷相对较小 , 但是脱
粘长度较大 , 因而材料抵抗外力做功较多 , 从而对
外来冲击能量吸收较多 。由此可知 , Ld的变化对复
合材料冲击性能具有决定性作用 。
SF/PP 和 SF/MAPP PP 体系冲击强度预测
值如图 10所示 。可以看出 , 采用 Mieck 模型的预
测值与实验值相差甚大 , 未加 MAPP 时预测值比
·15·孙占英 , 等:剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测
图 10　剑麻纤维质量分数为 30%时冲击强度预测值与实验值的比较
Fig.10　Comparison betw een theoret ical prediction and experimental
values of impact st rength at 30% sisal fiber mass f ract ion
实验值高 103%, 加入 MAPP 时预测值比实验值高
160%。因此 , 需要对 Mieck 模型加以修正 , 其模
型主要缺点是未能考虑到纤维取向对冲击性能的影
响 , 故需要在纤维作用项中引入纤维取向因子 。
Beckermann等人[ 22] 指出:复合材料中纤维完好取
向时 , 取向因子为 1;纤维三维无规取向时 , 取向
因子为 0.2;纤维在面内二维随机取向时 , 取向因
子为 0 .375[ 23 24] 。考虑到本实验中样条为注塑工艺
制备 , 纤维多在面内随机取向 , 故取向因子选取
η=0.375。修正后的模型如下:
Ucom =ηV f 2τUf Ln
2τLn +σfcd f +(1-V f)U m (12)
由图 10中可以看出 , 采用修正后的模型预测
值与实验值符合得较好。SF/PP 复合材料预测值
与实验值符合得非常理想 , 而在SF/MAPP PP 复
合材料中预测值较实验值高出 21 %, 这说明相容剂
对复合材料冲击强度的影响十分复杂 , 这方面的研
究工作仍需深入开展 。
4 结　论
(1)剑麻/聚丙烯复合材料冲击强度随纤维含
量的增加而上升 , MAPP 相容剂的加入对冲击强度
具有负作用 , 在加入 MAPP 的条件下 , 复合材料冲
击强度得以提高的最低纤维含量为 10%。基体性
质对复合材料冲击强度的影响较大 , 韧性基体能显
著提高材料的冲击性能。
(2)引入功能化的 PP g GMA 能够在界面
处形成吸收能量的柔性过渡层 , 使得冲击强度有较
大幅度的提高 , 比加入同等含量的 MAPP 提高约
21 .7%。纤维先经 KH550 硅烷溶液处理后 , 再与
PP g GMA 反应能够在界面处引入更长的柔性
分子链 , 使冲击强度比加入同等含量的 MAPP 提
高约 50.7 %。
(3)剑麻纤维拉伸强度的分散性较大 , 采用二
参数Weibull分布模型计算出的 Weibull分布参数
与恒定标距下得到的数据存在着差异 。利用修正的
Weibull分布模型计算得出纤维的临界强度 , 未加
MAPP 时为 499 MPa , 加入 MAPP 后为 607 MPa 。
(4)M ieck 模型预测剑麻/聚丙烯复合材料冲
击强度时误差较大 , 引入纤维取向因子后预测值与
实验值符合得较好。改进后的模型可用来对缺口
Izod冲击性能进行预测。
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