关键词：
短切玄武岩纤维
高密度聚乙烯
力学性能
材料改性
有限元模拟
摘要：
随着现代科技的发展与使用环境的多元化,性能单一的材料较难满足更加复杂的环境下的性能需求,结合不同材料优异性能的复合材料应运而生。热塑性树脂易加工、可回收利用、韧性高的性能使其近年来使用越来越广泛,但其强度、模量等性能在一些使用环境下达不到要求,因此需要对其力学性能进行增强改性。目前使用较多的增强纤维如玻璃纤维、芳纶纤维等存在污染环境的问题,碳纤维成本过高,而玄武岩纤维是一种新型的绿色环保高性能的无机纤维材料,采用短切玄武岩纤维增强热塑性的高密度聚乙烯树脂,可以得到一种新型的轻质高强、可回收利用的纤维增强树脂复合材料,可运用在土木、交通、建筑、汽车等领域,而作为管道材料时,强度、模量以及抗冲击性能是衡量材料性能的重要指标。目前国内对短切玄武岩纤维增强热塑性树脂复合材料的研究较少,对其增强规律和增强机理尚不清楚,对其作为结构构件实用性的探究更是不足。针对以上情况,本文主要对玄武岩纤维增强复合材料的成型工艺、复合材料中最佳的纤维含量和纤维长度进行试验探究,然后在此基础上对复合材料进行增韧和界面改性,进一步提升复合材料的力学性能,最后建立此种材料的管道有限元模型,验证其实用性,主要研究工作有:首先对短切纤维增强热塑性树脂复合材料的注塑工艺进行了系统性研究,选取了注塑温度、注塑压力、保压时间、冷却温度等四种影响因素进行试验探究,通过拉伸试验和缺口冲击试验,研究了四种影响因素对复合材料力学性能的影响规律,结果表明:注塑温度对复合材料性能影响较大,最佳的注塑温度为220℃;纤维含量一定时,注塑压力越高,复合材料力学性能更强,注塑压力提升至注塑过程中不再溢料为准,其中7.5%纤维含量的材料最佳注塑压力为6.5MPa;不同的保压时间对复合材料的力学性能影响不大;冷却温度对复合材料的性能影响较大,试验温度为-20℃时,复合材料的拉伸强度、模量及缺口冲击强度均达到最高。其次,在确定的最佳工艺条件基础上,探究了纤维长度、纤维含量对复合材料的力学性能的影响规律,通过对比不同种类纤维增强热塑性树脂复合材料的力学性能,评价了玄武岩纤维增强复合材料的增强效果,结果显示:随着纤维长度的增大,复合材料的拉伸强度、模量和缺口冲击强度均先增大后减小,长度高于10mm时变化趋势不再明显,纤维长度为8mm时,材料性能达到最优,纤维长度为8mm,纤维含量为7.5%的复合材料的拉伸强度、拉伸模量、缺口冲击强度分别为纯HDPE(高密度聚乙烯)材料的1.69倍、2.19倍、1.25倍;纤维长度一定时,随着纤维含量的升高,复合材料的拉伸强度逐渐增大,高于17.5%后基本保持稳定,其中在2.5%-7.5%之间时增速最高,拉伸模量一直增大,缺口冲击强度则在纤维含量为2.5%时有所下降,在2.5%-10%时逐渐上升,其中在5%-7.5%时增速最大,高于10%之后开始下降;玄武岩纤维增强复合材料的力学性能与相同纤维含量、相同纤维长度的碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料相比,其增强效率高于更加高强的碳纤维,略高于玻璃纤维的增强效率,但玻璃纤维的生产对环境会造成污染,因此玄武岩纤维增强热塑性树脂复合材料是一种相对高效率的环境友好型复合材料。然后,针对上述优化结果,对7.5%含量、8mm纤维长度的玄武岩纤维增强聚乙烯树脂复合材料进行了改性研究,采用POE粒子和纳米碳酸钙粒子对复合材料进行基体增韧改性,结果显示,复合材料的拉伸强度和模量随着POE含量的增加而降低,缺口冲击强度逐渐上升,在20%时提升至未改性时的2.13倍,随后逐渐下降,而纳米碳酸钙的加入使得复合材料的拉伸强度、拉伸模量、缺口冲击强度均有所下降。采用马来酸酐接枝聚乙烯对基体表面进行改性,偶联剂KH-550、A-172溶液对纤维表面进行改性,结果表明,0.25%的A-172溶液改性效果最佳,复合材料的拉伸强度、模量及缺口冲击强度分别为未改性复合材料的1.02倍、1.21倍、1.21倍,而同时对基体和纤维表面进行改性时,其改性效果不如单一改性时的效果。最后,建立以纯HDPE复合材料和0.25%的A-172溶液改性后的7.5%-8mm玄武岩纤维增强HDPE复合材料为管体材料的双壁波纹管、钢带增强双壁波纹管的平行板加载试验有限元模型以及埋地管道模型,计算结果表明,相同内径时改性复合材料管道的环刚度均比纯HDPE材料管道有较大的提升,其中双壁波纹管的环刚度提升幅度更明显。随着管径的增大,两种管道的环刚度均逐渐降低,与HDPE材料管道相比,管径越大,BF/HDPE材料管道的环刚度增强幅度越小。在埋地管道模型中,BF/HDPE材料管道的竖向变形和水平变形均比HDPE材料管道要低,且在双壁波纹管中的降低幅度比在钢带增强双壁波纹管中大。
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