纤维强化树脂中弯曲特性下的温度相关性检测方案(万能试验机)

Application No.i284News岛津SHIMADZUhttp：//www.shimadzu.com.cn用户服务热线电话： 800-810-0439第一版发行行：2020年8月400-650-0439 纤维强化树脂在弯曲特性下的温度相关性评价 纤维素是植物细胞壁及纤维的主要成分，是在地球上存量最多的碳水化合物，自古以来一直作为纸、棉的原料使用。近年来，通过将纤维素解纤至纳米水平从而提高了功能性的纤维素纳米纤维(CNF) 得到了广泛关注。CNF“强度是钢的5倍，但重量只有钢的1/5”，还具有许多其他理想的性能，包括“透明度”、“低热膨胀性和高耐热性”、“气体阻隔性”和“增稠性和触变性”，作为一种植物源性物质，其对环境影响较小，由此成为一种继碳纤维之后备受关注的新材料。 特别是在运输机械械域，使用 CNF 与树脂结合制成的部件应用于汽车车体，实现轻量化，有效地减少CO，，而考虑到汽车的使用环境，不仅是室温，还需要明确材料从低温到高温的大范围温度领域下的特性。 本文针对分别使用CNF、玻璃纤维(GF)强化尼龙6(PA6)的材料，进行弯曲试验，评价了弯曲强度、弯曲模量的温度相关性。 Y. Kamei |测定系统 表1所示为试验测试系统配置。本次测定采用了电子万能材料试验机AGXTM-V(图1)进行试验。图2所示为试验的过程图像。表2所示为试验条件。在室温下使用塑料3点弯曲试验夹具(a)，在恒温槽内使用延长杆，因而利用反向器与夹具(b)进行了试验。反向器是一种将拉伸负载转换为向试验片施加弯曲负载的装置，与直接弯曲负载方式相比可在不压弯延长杆的状态下完成试验。此外，考虑到汽车的使用环境，在-30℃~80℃的温度条件下进行了试验。试验片使用不含有纤维的 PA6与纤维质量百分比浓度不同的3种 (3、5、10wt%) CNF/PA6 和 GF/PA6共计7种制成日标 JIS K7171 推荐的试验片的形状，分别以 n=3进行了试验。 ※试样提供：地方独立行政法人京都产业技术研究所 图1精密电子万能材料试验机 AGXTM-V 图2试验的情形(a：室温，b：恒温槽内) 表1仪器型号 电子万能试验机 ：AGX-V 载荷传感器 ：1kN 恒温箱 ：高低温恒温箱 TCR1WF 试验夹具 ：兰塑料3点弯曲试验夹具(室温) 反向器(恒温槽内) 跨距 ：64mm 下压头、上压头直径：R5mm 软件 ： TRAPEZIUMX(单) 表2试验条件 试片尺寸 ：长80mm×宽10 mm×厚4mm 试验速度 ：1mm/min (应变小于0.3%) 20 mm/min (应变大于0.3%) 试验温度(℃) ：5个温度条件(-30、0、室温、60、80) 试验片种类 ：PA6 CNF/PA6 (3 wt%、5wt%、10 wt%) GF/PA6 (3 wt%、5 wt%、10wt%) 试验数量 ：n=3 试验结果 列举其中一系例试验结果，图3所示为-30℃、常温、80℃下的结果。高于室温时，所有试验片在超过最大应力后均未损坏，表现出应力缓慢降低的韧性状态，而在低于室温时，超过最大应力后立即损坏，表现出应力瞬间降低的脆性状态。图4所示为各试验片的弯曲强度和与温度的相关性。由图4可知 CNF/PA6、GF/PA6 均有温度相关性，弯曲强度随着温度增加而降低。此外，虽然样品强度随着纤维含有量增加而增强但在不同温度下， GF/PA6 的强度也可能会低于 PA6。图5所示为各试验片的弯曲模量和与温度的相关性。在两种增强纤维中，纤维含量越高，弯曲弹性模量越高，并且在每种混合比中， CNF增强纤维均比 GF增强纤维具有更高的弯曲弹性。此外，温度依存性小于弯曲强度，在-30℃~室温之间、60~80℃之间，弯曲模量几乎没有变化，而从室温到60℃之间，弯曲模量则大幅降低。推测在基质树脂 PA6的玻璃化转变温度(50℃)附近，物性会出现变化。 结论 本文针对 CNF、GF等2种纤维强化树脂，在各种温度环境下实施了弯曲试验。结果表明，弯曲强度和弯曲模量会根据试验温度不同而不同。使用本文中的仪器型号进行试验，可明确材料的温度特性。 ( <参考文献> ) ( 1)环境省、NCV项目、http：/ / www.env.go.jp/press/103177.html ) ( 2)仙波健、Nanocellulose Symposium 2018 要点集 319-320(2018) ) 图3试验结果 岛津应用云 图4弯曲强度和与温度的相关性(a)CNF/PA6 (b)GF/PA6 图5弯曲模量和与温度的相关性(a)CNF/PA6 (b)GF/PA6 AGX是岛津制作所株式会社在日本和其他国家的商标。 ( 免责声明： ) 岛津企业管理(中国)有限公司岛津(香港)有限公司 ( *本资料未经许可不得擅自修改、转载、销售； ) ( *本资料中的所有信息仅供参考，不予任何保证。 ) ( 如有变动，恕不另行通知。 ) 纤维素是植物细胞壁及纤维的主要成分，是在地球上存量最多的碳水化合物，自古以来一直作为纸、棉的原料使用。近年来，通过将纤维素解纤至纳米水平从而提高了功能性的纤维素纳米纤维（CNF）得到了广泛关注。CNF“强度是钢的5倍，但重量只有钢的1/5”，还具有许多其他理想的性能，包括“透明度”、“低热膨胀性和高耐热性”、“气体阻隔性”和“增稠性和触变性”，作为一种植物源性物质，其对环境影响较小，由此成为一种继碳纤维之后备受关注的新材料。特别是在运输机械领域，使用CNF与树脂结合制成的部件应用于汽车车体，实现轻量化，有效地减少CO2 1)，而考虑到汽车的使用环境，不仅是室温，还需要明确材料从低温到高温的大范围温度领域下的特性。本文针对分别使用CNF、玻璃纤维（GF）强化尼龙6（PA6）的材料，进行弯曲试验，评价了弯曲强度、弯曲模量的温度相关性。