加捻植物纤维增强聚氨酯复合材料的力学特性与疲劳性能

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.11.007

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (11): 41-50.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.11.007

加捻植物纤维增强聚氨酯复合材料的力学特性与疲劳性能

李文婷, 李明鹏, 陈季荷, 苑之童, 程海涛()

国际竹藤中心，北京 100102

收稿日期:2022-08-04 出版日期:2022-11-26 发布日期:2022-11-25
通讯作者: 程海涛（1979—），男，研究员，从事竹纤维复合材料研究，htcheng@icbr.ac.cn
E-mail:htcheng@icbr.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(32101607);国际竹藤中心基本科研业务费专项资助(1632021002)

Mechanical and fatigue properties of twisted⁃plant⁃fiber⁃reinforced polyurethane composites

LI Wenting, LI Mingpeng, CHEN Jihe, YUAN Zhitong, CHENG Haitao()

International Center for Bamboo and Rattan，Beijing 100102，China

Received:2022-08-04 Online:2022-11-26 Published:2022-11-25
Contact: CHENG Haitao E-mail:htcheng@icbr.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用多维植筋法制备了软质聚氨酯泡沫/加捻植物纤维（FPUF/TPF）复合材料，研究了植筋方向、TPF毛羽率及植筋体积分数对FPUF/TPF结合界面、力学性能、耐疲劳性能的影响。结果表明，植筋后复合材料的力学性能及耐疲劳性能均有所提升，植筋体积分数在0.35 %~0.7 %之间时，复合材料能在保证轻质的前提下得到较好的性能增强。植筋后力学性能的增强表现为压陷硬度提升，最高可提升89.69 %；压陷比普遍提高，最高达3.56，提升了37.98 %，支撑性能得到提升；横向植筋样品的滞后损失率普遍降低，作为垫材时样品舒适感提升；纵向植筋样品的滞后损失率普遍升高，缓冲性能有所提升。植筋后复合材料耐疲劳性能的增强表现为抗蠕变抗变形能力提升，长时间使用后变形更小；40 %压陷硬度损失率最低为11.01 %，降低了38.59 %，植筋后的循环次数最高可达空白样品（FPUF）的4.1倍；压缩永久变形率较空白样品降低29.63 %。同时对比发现，横向植筋样品的结合界面优于纵向植筋，毛羽较少的TPF与聚氨酯的界面性能较好，过多的毛羽会一定程度上影响泡孔大小和形态。

关键词: 植物纤维, 加强筋, 软质聚氨酯泡沫, 复合材料, 力学特性, 耐疲劳性能

Abstract:

Flexible polyurethane foam （FPUF）/twisted plant fiber （TPF） composites were prepared using a multidimensional implanting method. The effects of the implantation direction， hairiness rate， and volume fraction of TPF on the interface bon⁃ding， mechanical properties， and fatigue resistance of FPUF/TPF were investigated. The results indicated that the mechanical properties and fatigue resistance of the composites were improved after the TPF was planted. When the volume fraction of TPF implantation was set between 0.35 % and 0.7 %， the composites obtained a better enhancement in performance together with a lightweight. The enhancement of mechanical properties after planting bars reflected an increase in indentation hardness， which increased by up to 89.69 %. The indentation ratio was generally improved up to 3.56， resulting in an increase by 37.98 %. The composites also showed an improvement in support performance. The transversely planted reinforcement samples generally presented a decrease in hysteresis loss rate， improving their comfortability when used as a cushion material.The longitudinally plan⁃ted reinforcement samples generally presented an increase in hysteresis loss rate， leading to an improvement in buffering performance. The enhancement of fatigue resistance of the composites after planting bars reflected an improvement in creep resistance and deformation resistance， and the deformation was smaller after long⁃term use. After bar implantation， the 40% indentation hardness loss rate was reduced to a minimum of 11.01 %， showing a decrease by 38.59 %. The cycle times after bar implantation reached 4.1 times than that of the blank sample. A comparative study indicated that the transversely plan⁃ted samples had a better interface than the longitudinally planted ones. The TPF with less hairiness had a better interface with polyurethane， and too much hairiness might affect the size and shape of the cells to a certain extent.

Key words: plant fiber, stiffener, flexible polyurethane foam, composite, mechanical property, fatigue resistance

中图分类号:

TQ323.8

李文婷, 李明鹏, 陈季荷, 苑之童, 程海涛. 加捻植物纤维增强聚氨酯复合材料的力学特性与疲劳性能[J]. 中国塑料, 2022, 36(11): 41-50.

LI Wenting, LI Mingpeng, CHEN Jihe, YUAN Zhitong, CHENG Haitao. Mechanical and fatigue properties of twisted⁃plant⁃fiber⁃reinforced polyurethane composites[J]. China Plastics, 2022, 36(11): 41-50.

图/表 15

图1 植筋示意图

Fig.1 Schematic diagram of planting reinforcement

图2 纵向植筋样品的横截面照片（BY）

Fig.2 Cross⁃sectional images of longitudinally planted rebar sample（BY）

图3 横向植筋样品的横截面照片（BY）

Fig.3 Cross⁃sectional images of transversely planted rebar sample（BY）

图4 样品的纵截面照片（少毛羽JY）

Fig.4 Longitudinal⁃section images of the sample （less hairy JY）

图5 样品的纵截面照片（多毛羽JY）

Fig.5 Longitudinal⁃section images of the sample （hairy JY）

图6 泡孔缺陷

Fig.6 Cell defects

样品	FPUF/JY复合材料				FPUF/NY复合材料				FPUF/BY复合材料				FPUF
植筋体积分数/%	0.10	0.35	0.70	1.00	0.10	0.35	0.70	1.00	0.10	0.35	0.70	1.00	—
纵向植筋样品密度/g·cm^-3	0.075	0.079	0.082	0.085	0.075	0.076	0.080	0.082	0.074	0.075	0.077	0.079	0.077
横向植筋样品密度/g·cm^-3	0.078	0.079	0.081	0.083	0.075	0.076	0.077	0.080	0.075	0.076	0.080	0.083	0.077
变异系数/%	2.32	1.67	2.08	2.58	1.83	2.13	3.02	2.11	1.26	1.75	2.63	2.79	—

表1 不同植筋条件下复合材料的密度

Tab.1 Density of composites under different planting conditions

图7 不同植筋体积分数FPUF/TPF复合材料的压陷硬度

Fig.7 Indentation hardness of FPUF/TPF composites with different implants volume fractions

图8 FPUF/JY复合材料密度及硬度随植筋体积分数的变化

Fig.8 Variation of density and hardness of FPUF/JY composites with different implants volume fractions

图9 不同植筋条件下复合材料的压陷比

Fig.9 Indentation ratio of composites under different bar planting conditions

图10 不同植筋条件下FPUF/TPF复合材料的滞后损失率

Fig.10 Hysteresis rates of FPUF/TPF composites under different bar planting conditions

图11 FPUF/TPF复合材料的形变量⁃时间曲线

Fig.11 Deformation⁃time curves of FPUF/TPF composites

图12 FPUF/TPF复合材料压缩1 h后的应变增长量

Fig.12 Strain growth of FPUF/TPF composites after 1 h compression

图13 样品的40 %压陷硬度变化趋势

Fig.13 40 % indentation hardness variation trend of the samples

样品		原始厚度/mm	最终厚度/mm	厚度差/mm	压缩永久变形率/%
FPUF		24.97	17.58	7.39	29.60
横向植筋样品	FPUF/JY	25.39	20.10	5.29	20.83
横向植筋样品	FPUF/NY	25.79	18.44	7.35	28.49
纵向植筋样品	FPUF/JY	26.08	17.62	8.46	32.44
纵向植筋样品	FPUF/NY	24.91	16.68	8.23	33.05

表2 植筋前后样品的压缩永久变形

Tab.2 Comparison of compression permanent deformation before and after planting reinforcement

参考文献 27

1	GUPTA M K， SINGH R. Flexural and dynamic mechanical analysis （DMA） of polylactic acid （PLA） coated sisal fibre reinforced polyester composite［J］. Mater Today： Proceedings， 2018， 5（2）： 6 109⁃6 114．
2	Rao Fei， Chen Yuhe， Li Neng， et al. Preparation and characterization of outdoor bamboo⁃fiber⁃reinforced composites with different densities［J］. Bioresources， 2017， 12（3）： 6 789⁃6 811.
3	王翠翠，李明鹏，王戈，等. 植物纤维/热塑性聚合物预浸料在汽车轻量化领域的应用进展［J］. 林业科学， 2021， 57（9）： 168⁃180.
	WANG Cuicui， LI Mingpeng， WANG Ge， et al. Application progress of plant fiber/thermoplastic polymer prepreg in automotive lightweight field［J］. Scientia Silvae Sinicae， 2021， 57（9）： 168⁃180.
4	ENGELS H W， PIRKL H G， ALBERS R， et al. Polyurethanes： Versatile materials and sustainable problem sol⁃vers for today’s challenges［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2013， 52（36）： 9 422⁃9 441.
5	AZIZI Y， DAVIES P， BAJAJ A K. Identification of nonlinear viscoelastic models of flexible polyurethane foam from uniaxial compression data［J］. American Society of Mechanical Engineers， 2016， 8（2）： 447⁃454．
6	CHEN Shuming， YANG Jiang， JING Chen， et al. The Effects of various additive components on the sound absorption performances of polyurethane foams［J］. Advances in Materials Science & Engineering， 2015： 1⁃9.
7	DING W D， JAHANI D， CHANG E， et al. Development of PLA/cellulosic fiber composite foams using injection molding： Crystallization and foaming behaviors［J］. Composites Part A： Applied Science & Manufacturing， 2016， 83（1）： 130⁃139.
8	HASANALIZADEH F， DABIRYAN H， SADIGHI M. Low⁃velocity impact behavior of weft⁃knitted spacer fabrics reinforced composites based on energy absorption［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2017， 254（4）： 042014.
9	刘秀玉，张冰，韩祥祥，等. 空心玻璃微珠/硬质聚氨酯泡沫复合材料的制备及性能［J］. 复合材料学报， 2020， 37（9）： 2 094⁃2 104.
	LIU X Y， ZHANG B， HAN X X， et al. Preparation and properties of hollow glass microspheres/rigid polyurethane foam composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2020， 37（9）： 2 094⁃2 104.
10	宁春平，易玉华. 竹纤维的表面包覆及其对浇注型聚氨酯弹性体力学性能的影响［J］. 复合材料学报， 2021， 38（8）： 2 715⁃2 723.
	NING C P， YI Y H. Surface coating of bamboo fibres and its effects on the mechanical properties of casting polyurethane elastomer［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2021， 38（8）： 2 715⁃2 723.
11	ALAIMO A， ORLANDO C， VALVANO S. An alternative approach for modal analysis of stiffened thin⁃walled structures with advanced plate elements［J］. European Journal of Mechanics⁃A/Solids， 2019， 77： 103820.
12	SINHA L， MISHRA S S， NAYAK A N， et al. Free vibration characteristics of laminated composite stiffend plates： experimental and numerical investigation［J］. Composite Structures， 2020， 233： 111557.
13	WEI Xin， ZHOU Haiying， CHEN Fuming， et al. Ben⁃ding flexibility of moso bamboo （phyllostachys edulis） with functionally graded structure［J］. Materials （Basel， Switzerland）， 2019， 12（12）： 2007.
14	AZWA Z N， YOUSIF B F， MANALO A C， et al. A review on the degradability of polymeric composites based on natural fibres［J］. Materials & Design， 2013， 47： 424.
15	李琪微，王翠翠，郑海军，等. 挤出循环对聚丙烯/竹粉复合材料力学及发泡性能的影响［J］.中国塑料， 2022， 36（2）： 56⁃60.
	LI Q W， WANG C C， ZHENG H J， et al. Effects of multiple extrusions on mechanical and foaming properties of polypropylene/bamboo fiber composites［J］. China Plastics， 2022， 36（2）： 56⁃60.
16	王静. 成核剂对软质聚氨酯泡沫微观结构及性能的影响［D］. 北京：北京化工大学， 2018.
17	SUNG G， KIM S K， JI W K， et al. Effect of isocyanate molecular structures in fabricating flexible polyurethane foams on sound absorption behavior［J］. Polymer Tes⁃ting， 2016， 53： 156⁃164.
18	GWON J G， KIM S K， KIM J H. Sound absorption behavior of flexible polyurethane foams with distinct cellular structures［J］. Materials & Design， 2016， 89： 448⁃454.
19	HUANG Y J， VAIKHANSKI L， NUTT S R. 3D long fiber⁃reinforced syntactic foam based on hollow polymeric microspheres［J］. Composites Part A： Applied Science & Manufacturing， 2006， 37（3）： 488⁃496.
20	林晓英，齐飞，丁倩，等. 竹原纤维制备过程各阶段形态结构及理化性能分析［J］. 纺织器材， 2022， 49（2）： 7⁃10.
	LIN X Y， QI F， DING Q， et al. Analysis of the morphological structure and physical and chemical properties of bamboo raw fiber at each stage of the preparation process［J］. Textile Accessories， 2022， 49（2）： 7⁃10.
21	孙晓婷，郭亚. 竹纤维的性能及其开发应用［J］.成都纺织高等专科学校学报， 2017， 34（1）： 201⁃205.
	SUN X T， GUO Y. Properties of bamboo fiber and its development and application［J］. Journal of Textile Science and Engineering， 2017， 34（1）： 201⁃205.
22	胡冲冲，沈国平，黄旭，等. 聚氨酯高回弹泡沫的滞后性能研究［J］. 聚氨酯工业， 2015， 30（4）： 18⁃21.
	HU C C， SHEN G P， HUANG X， et al. Study on the hysteresis of high resilience polyurethane foam［J］. Polyurethane Industry， 2015， 30（4）： 18⁃21.
23	刘伟，侯泳村. 汽车座椅泡沫弹性滞后率的影响因素研究［J］. 聚氨酯工业， 2017， 32（4）： 38⁃40.
	LIU W， HOU Y C. Study on the influence factors of elastic hysteresis of the auto seat foam［J］. Polyurethane Industry， 2017， 32（4）： 38⁃40.
24	Wei Xin， Wang Ge， Smith Lee Miller， et al. Effects of gradient distribution and aggregate structure of fibers on the flexibility and flexural toughness of natural moso bamboo （phyllostachys edulis）［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2022， 16： 853⁃863.
25	丁佰锁. 复合泡沫金属材料缓冲吸能性能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2006.
26	罗瑜莹，肖生苓，李琛，等. 纤维多孔缓冲包装材料泡孔参数与其力学性能的关系［J］. 林业科学， 2017， 53（5）： 116⁃124.
	LUO Y Y， XIAO S L， LI C， et al. Relationships between bubble parameters and mechanical properties of fiber porous cushioning packaging material［J］. Scientia Silvae Sinicae， 2017， 53（5）： 116⁃124.
27	袁泉. 汽车内饰用微发泡植物纤维复合材料性能研究［D］. 武汉：武汉理工大学， 2020.

[1]	贾明印, 董贤文, 王佳明, 陈轲. 浸渍方式对纤维增强聚酰胺6复合材料真空袋压成型工艺及性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 1-6.
[2]	张林, 夏章川, 何亚东, 信春玲, 王瑞雪, 任峰. 等离子体射流载气流量大小对玻璃纤维改性效果影响的研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(9): 7-15.
[3]	焦志伟, 王克琛, 张杨, 杨卫民. 基于碳纳米涂层沉积滑石粉与炭黑协同填充PVC/ABS复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 10-15.
[4]	喻九阳, 王众浩, 陈琦, 夏亚忠. 基于阀体制造的先进树脂基复合材料性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 16-22.
[5]	张陶忠, 陈晓龙, 郝晓宇, 于福家. 滑石、CaCO₃、BaSO₄填充PP复合材料力学性能及界面相互作用对比[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 36-41.
[6]	曲玉婷, 王立梅, 齐斌. 聚乙二醇对聚乳酸/淀粉纳米晶复合材料性能的影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(8): 56-61.
[7]	冯冰涛, 王晓珂, 张信, 孙国华, 汪殿龙, 侯连龙, 马劲松. 连续碳纤维增强热塑性复合材料制备与应用研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 165-173.
[8]	宋银宝, 杨建军, 李传敏. PDMS/SiC功能梯度复合材料性能与制造精度研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 30-36.
[9]	董少策, 李承高, 张旭锋, 咸贵军. 植物纤维纸蜂窝制备的环境影响评价[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 108-115.
[10]	杨小龙, 陈文静, 李永青, 闫晓堃, 王修磊, 谢鹏程, 马秀清. 导电型聚合物/石墨烯复合材料的研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(6): 165-173.
[11]	王轲, 龙春光. PE⁃UHMW/海泡石纤维复合材料的力学性能与摩擦学性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 19-23.
[12]	陈胜, 梁颖超, 吴方娟, 方辉, 范新凤, 陈晖, 王永刚. 聚酰胺6/双向经编玻璃纤维复合材料的制备及其界面改性研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(5): 24-28.
[13]	刘文, 师文钊, 刘瑾姝, 陆少锋, 周红娟. 电致形状记忆复合材料研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 175-189.
[14]	阮芳涛, 夏成龙, 张宝根, 曹叶, 刘志, 徐珍珍, 章劲草. 芳纶包覆碳纤维增强环氧树脂的轴向压缩性能研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 19-23.
[15]	彭博, 肖运彬, 顾家宝, 陈梓钧, 唐雁煌, 朱刚, 徐焕翔. 聚合物/石墨烯复合材料制备与性能研究进展[J]. 中国塑料, 2022, 36(4): 190-197.

加捻植物纤维增强聚氨酯复合材料的力学特性与疲劳性能

Mechanical and fatigue properties of twisted⁃plant⁃fiber⁃reinforced polyurethane composites

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 15

参考文献 27

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价