黄麻纤维增强复合材料拉伸强度的复合填料组合优化文翻译资料

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黄麻纤维增强复合材料拉伸强度的复合填料组合优化

ANURAG GUPTA^1,2,lowast;, HARI SINGH¹ and R S WALIA³

1Mechanical Engineering Department, National Institute of Technology, Kurukshetra 136119, India

2Mechanical Engineering Department, Krishna Institute of Engineering and Technology, Ghaziabad 201206, India

3Mechanical Engineering Department, Delhi Technological University, New Delhi 110042, India

摘要：在目前的研究工作中，拉挤工艺被用来开发黄麻纤维增强聚酯（GFRP）复合材料，并在自主研发的拉挤实验装置上进行了实验。该复合材料以天然黄麻纤维为增强材料，以不饱和聚酯树脂为基体，以蔗渣纤维、炭黑和碳酸钙（CaCO₃）为混合填料。评价了蔗渣纤维、炭黑和碳酸钙的重量含量对拉挤GFRP复合材料抗拉强度的影响，确定了最佳的混合填料组成，以提高其抗拉强度。采用田口L9正交试验设计，将3种填料混合，制备出不同配比的混合填料。在不饱和聚酯树脂基体中掺入15%不同重量比的混合填料。田口L9正交设计(OA)用于试验方案设计，同时采用方差分析(ANOVA)进行抗拉强度分析。通过改变填料的重量，建立了复合材料抗拉强度在7%误差范围内的回归模型。在混合填料的最佳配比之下，对拉挤黄麻纤维复合材料的抗拉强度进行了验证试验，得到了拉挤黄麻纤维复合材料的抗拉强度为73.14 Mpa。

关键词：复合材料；拉挤工艺；炭黑；蔗渣纤维；碳酸钙；不饱和聚酯树脂

1. 介绍

利用可再生资源开发高强度和重量比的工程材料已成为世界各国研究人员的一项艰巨任务。环保型天然纤维作为汽车零部件的填充材料，具有多种生态效益。剑麻、黄麻、红麻、椰棕、棕榈等天然纤维的增强效果在热固性材料和热塑性材料中表现良好^[1-4] 。在各种天然纤维中，黄麻纤维是最有前途的一种，因其高纵横比、高韧性、高抗拉强度和高比模数等优点，在复合材料中具有良好的应用潜力。黄麻复合材料已被证明是非常划算的材料，特别是用于建筑和建筑业、包装、铁路客车内饰和汽车，以及存储设备。近年来，人们做了大量的工作来开发新的复合材料，使用不同的纤维和填料，提高了强度重量比和更好的机械性能。该复合材料可通过合理选择基体和增强材料而得到，其强度和模量可与传统金属材料相媲美甚至更好。结果表明，在聚合物树脂中加入填料是改善复合材料性能的较好选择。颗粒填料不仅在经济上具有重要意义，而且尤其在聚合物的物理性能方面具有重要的改性作用。许多研究人员发现，在聚合物基体中加入碳酸钙、玻璃纤维、炭黑等颗粒填料可以改变聚合物的刚度和弹性模量，降低聚合物复合材料的成本。^[5-8]

聚合物复合材料由于加入了颗粒填充材料而表现出了更好的性能，引起了研究者的兴趣。特定的填料(添加剂)用来增强和改善复合材料的质量。不饱和聚酯树脂(UPR)是一种应用广泛的热固性树脂，具有易于加工、成型和固化的特点^[9]。Borkar等人^[10]的研究表明，在聚酯树脂基体中加入二氧化硅和碳酸钙作为填充物，对于25 - 50%填充物的手铺工艺，在3 - 15%的范围内降低了拉伸强度。

Sudhir和Chandan^[11]利用纤维与填料的混合来研究蔗渣和黄麻纤维复合材料的性能。在改性黄麻纤维环氧复合材料中，糠醇接枝的蔗渣纤维在20% ~ 50%的载荷下，抗拉强度、抗弯强度和冲击强度分别提高了43%、52%和59%。Gupta等人^[12]研究了蔗渣纤维、炭黑和碳酸钙作为填料在玻璃纤维聚酯树脂复合材料中的作用。研究发现，随着蔗渣纤维含量的增加，拉挤玻璃纤维增强聚酯(GFRP)复合材料的抗拉强度随着碳酸钙和炭黑含量的增加而增加，抗拉强度随着碳酸钙和炭黑含量的增加而降低。Murty和De^[13]研究了二氧化硅和炭黑对黄麻与天然橡胶之间的附着力的影响，发现在炭黑存在的情况下，黄麻纤维实现加固的最小负荷降低了。研究还发现，粘土对黄麻纤维橡胶复合材料的性能有一定的影响。Abdul Khalil等人^[14]的研究表明，由于炭黑与环氧树脂之间的附着力得到了改善，因此炭黑环氧复合材料比纯环氧材料具有更好的弯曲性能。拉挤成形是制备纤维增强塑料(FRP)连续长型复合材料的一种非常流行的方法，但对填料对拉挤黄麻复合材料拉伸强度影响的研究非常有限。拉挤复合材料通常与高强度和刚度联系在一起，特别是由于高纤维含量高达70%。拉挤成型相对于其他复合成型的优点是:低资金和操作成本，很少的精加工和爆燃操作，以及更好的产品物理性能^[6,7]。

拉挤是“拉”和“挤压”两个词的组合并且将长而连续的纤维(黄麻纤维、玻璃纤维、碳纤维等)浸湿在树脂中，如聚酯、聚氨酯、乙烯基酯环氧树脂等，通过拉挤成型。纤维浸湿或浸渍在树脂浴中，并通过冷模去除多余的树脂和型材进行初始成形。成型的湿纤维首先经过精密加工和镀铬加热的钢模，钢模对热固性树脂进行固化，并通过拉拔机构对固化的拉挤FRP复合型材进行拉拔。拉挤工艺一般采用添加剂和填料来解决生产困难，提高物理机械性能，降低生产成本^[8]。在本研究中，研究了炭黑、蔗渣纤维和碳酸钙对拉挤黄麻增强不饱和聚酯树脂复合材料拉伸强度的影响。

1. 实验

实验工作采用了自行设计开发的拉挤装置。拉挤试验试样的完整拉挤装置如图1所示。

整个装置安装在如图1所示的H型铁部件上，并由以下部件组成：

1. 预缩机:为树脂浸渍的黄麻纤维提供初始形状的冷模;它还可以从纤维中挤出多余的树脂，如图1所示
2. 热模:用不锈钢开模拉挤黄麻纤维增强复合带，如图1所示。分型模便于清洗和维护。保护性表面25mu;m厚镀硬铬做是为了避免磨损由于硬填料粒子的拉挤死。加热模具时，电加热器设有温度控制器。为了测量和控制模具温度，在模具分型线上设置热电偶。
3. 拉出装置:拉出装置如图1所示。这个装配由四个部分组成：
   1. 1个3Phi;马力交流电机。
   2. 控制仪表速度的装置。
   3. (a)交流频率驱动1马力电机和(b) 1:60速比齿轮箱。
   4. 牵引辊:3台。

图 1自主研发的拉挤装置。A:黄麻纤维;B:树脂浴;C:预成型(冷模);D:热死;E: 1

图1 自主研发的拉挤装置。A:黄麻纤维;B:树脂浴;C:预成型(冷模);D:热死;E: 1

• 1. 应用材料
     1. 不饱和聚酯树脂用作基体。
     2. 本实验采用特克斯2200g*km 1单元的黄麻纱作为增强层。
     3. 填料:
        1. 甘蔗蔗渣纤维直径(13.0mu;m ,30和60mu;m长度),
        2. 炭黑粒子的大小为50mu;m,100mu;m粒度的碳酸钙
     4. 6%浓度的萘酸钴作为加速剂。
     5. 氧化一甲基乙基酮作催化剂。

设计参数和选择的水平是根据中试确定的。在中试试验中观察到，高粘度的填料-树脂共混物难以将黄麻纤维浸渍到树脂共混物中。因此，总填料重量含量不能超过一定的限度。田口L9正交实验的各项工艺参数和选择的等级如表1所示。

以蔗渣、炭黑和碳酸钙的重量分数为可变工艺参数，研究了填料对拉挤工艺中黄麻纤维增强聚酯(JFRP)拉伸强度的影响。整个实验过程中保持恒定的参数为:拉拔速度，50mm*min^-1；模具温度190℃;黄麻纤维与树脂的重量比为0.95：0.96。

表 1实验设计参数的水平

• 1. 化合物的形成

三个填料，即、甘蔗渣、炭黑、碳酸钙等颗粒状物料按表2所示的各项实验进行适当混合。在这些填料适当混合后，制备了9种混合填料，并利用这15%的树脂重量在树脂中混合，用手工搅拌机进行混合。将黄麻纤维束浸湿在树脂共混液中，进行拉挤。

长度为1500mm，重量为160-165g的黄麻纤维束是手工成型的，而不是使用几个筒子来达到复合材料的厚度，以避免纤维的损耗，因为使用筒子会导致每一次新开始时一定长度的纤维损耗。制备好后，将拉挤速度调整到50mm*min^-1，热模温度保持190℃。这个设置在整个实验过程中都保持不变。将黄麻丝束与树脂填料复合浸湿，浸入树脂浴中，然后拉向热模; 由此形成了尺寸为25*10*1500 mm的GFRP复合带。

表 2原始数据和信噪比

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