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VARI工艺下植物纤维渗透性及其复合材料成型质量的优化研究

苗冰杰  
【摘要】:基于真空辅助树脂注射(Vacuum Assisted Resin Infusion,VARI)工艺制备植物纤维复合材料充分利用了植物纤维价格低廉和绿色环保等特点,成为该领域的研究热点。植物纤维独特的管腔纤维-纱线-织物的多尺度结构,导致VARI工艺制备植物纤维增强复合材料时出现树脂渗透行为和产品质量难以把控的问题。为提高植物纤维复合材料的生产效率以及成型质量,开展了如下研究:对退浆前后苎麻织物的性能变化和191型不饱和聚酯树脂的化学流变性能进行了探究,并建立树脂黏度随时间和温度变化的关系模型。结果表明:退浆后苎麻纤维表面杂质被去除,表面的粗糙程度增加,纤维极性分量提升;苎麻纱线的本构关系发生了变化,导致苎麻织物经纬向拉伸性能均发生变化;建立的化学流变模型能够较为准确的预测191型树脂的黏度随时间、温度的变化关系,可为复合材料生产工艺提供理论基础。以达西定律为基础,推导了渗透率的理论计算公式来表征苎麻纤维的渗透性能;采用1、4、8、12和16层苎麻织物分别进行充模实验,探究树脂在不同厚度增强体中的渗透行为差异,并制备苎麻纤维增强不饱和聚酯基复合材料(Ramie fabric reinforced unsaturated polyester resin composite,RFUC),探究其成型质量的变化。结果表明:铺层厚度改变了增强体的压实程度,从而影响树脂流动通道的大小,导致渗透率随铺层厚度的增加呈非线性下降的趋势,且树脂流动仿真模拟的精度会随铺层厚度的增加而提高;RFUC的力学性能受纤维体积分数和内部缺陷协同作用的影响,且织物层数达到16层时,树脂对增强体渗透能力的不足导致RFUC的力学性能较差并存在较多缺陷。为解决高厚度RFUC存在的浸润缺陷,分别采用玻璃纤维混杂铺层结构设计、苯乙烯调控树脂黏度以及KH550硅烷偶联剂对苎麻纤维表面改性这三种优化方案对16层织物制备的RFUC的渗透性和成型质量进行优化探究。结果表明:玻纤织物较大的束间流动通道和纤维束内的毛细作用力是提升苎麻增强体渗透性的主要原因,其在增强体中越分散,渗透率越好。玻璃/苎麻混杂铺层复合材料的力学性能因铺层方式的不同产生了不同的断裂失效模式,进而导致力学性能的差异;随着树脂黏度的降低,增强体渗透率呈线性降低的趋势,RFUC的力学性能先升高后降低,这与苯乙烯分子的固化机制相关;3wt%硅烷偶联剂降低了苎麻的表面极性,改性后RFUC的渗透性和力学性能均得到提升。


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