碳纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能研究

任慶龍 夏英 張鋒鋒 叢世杰 張桂霞

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連，116034)

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碳纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能研究

任慶龍 夏英*張鋒鋒 叢世杰 張桂霞

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連，116034)

將碳纖維(C)與聚丙烯(PP)、乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)共混，制備了PP/EVA/C復(fù)合材料。研究了碳纖維用量以及偶聯(lián)劑改性、酸刻蝕并偶聯(lián)劑改性的碳纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能、水接觸角和斷面微觀形貌的影響。結(jié)果表明：碳纖維添加量為30份時(shí)，PP/EVA/C復(fù)合材料的力學(xué)性能較好；酸刻蝕并偶聯(lián)劑改性的碳纖維(SSiC)增強(qiáng)效果優(yōu)于單獨(dú)偶聯(lián)劑改性的碳纖維。與添加碳纖維30份的PP/EVA/C復(fù)合材料相比，PP/EVA/SSiC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度分別提高了6.26，7.20 MPa，但沖擊強(qiáng)度略有降低。

碳纖維 增強(qiáng) 聚丙烯 乙烯-乙酸乙烯共聚物 力學(xué)性能

聚丙烯(PP)作為一種通用塑料，具有良好的物理和化學(xué)性能，其產(chǎn)品品種多、產(chǎn)量大、應(yīng)用范圍廣。但因PP具有低溫韌性差、尺寸收縮率大、耐老化性差、與其他極性聚合物和無機(jī)填料的相容性差等缺點(diǎn)[1]，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料和工程塑料的應(yīng)用。乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)具有良好的彈性、柔性、相容性和黏結(jié)性。用EVA彈性體作為改性劑，能有效提高PP的沖擊性能、斷裂伸長(zhǎng)率，且有明顯的增韌效果[2]，將EVA加入PP共混體系，其成本低于其他彈性體或橡膠改性的PP。雖然EVA的加入改善了PP的韌性，但是某些力學(xué)強(qiáng)度也降低了。碳纖維具有很高的抗拉強(qiáng)度，其與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合后形成的碳纖維復(fù)合材料，也具有較高的比強(qiáng)度、比模量、耐疲勞、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等一系列優(yōu)良性質(zhì)，在現(xiàn)代工業(yè)方面應(yīng)用非常廣泛[3]。

下面研究了碳纖維用量對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。同時(shí)，也探究了單獨(dú)偶聯(lián)劑改性和酸刻蝕并偶聯(lián)劑改性的碳纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能、斷面微觀結(jié)構(gòu)和水接觸角的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

PP，J340，盤錦華錦乙烯有限責(zé)任公司；EVA-18，VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%，東莞市鴻君塑膠原料有限公司；碳纖維(C)，短切3 mm，海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司；硅烷偶聯(lián)劑，KH-550，南京道寧化工有限公司；無水乙醇，優(yōu)級(jí)純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；濃硫酸，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司。電熱干燥箱(202-00A)，天津市泰斯特儀器有限公司；雙輥塑煉機(jī)，SK-160B，上海思南橡膠機(jī)械有限公司；平板硫化機(jī)，QLB-50D/Q，江蘇無錫市中凱橡塑機(jī)械有限公司；微機(jī)控制電子萬能機(jī)(RGT-5)和液晶顯示沖擊試驗(yàn)機(jī)(RXJ-50)，均為深圳市瑞格爾儀器有限公司；掃描電鏡(SEM)，JSM-6460LV，日本電子公司。接觸角測(cè)定儀，JYSP-360，北京金盛鑫檢測(cè)儀器有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 硅烷偶聯(lián)劑改性碳纖維

按碳纖維用量的0.75%稱取硅烷偶聯(lián)劑KH-550，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的乙醇水溶液，配制成硅烷偶聯(lián)劑的乙醇溶液。稱取一定量干燥后的碳纖維，按5 g/ml加入到配好的硅烷偶聯(lián)劑乙醇溶液中，在80 ℃下反應(yīng)2 h，于110 ℃干燥8 h，得到硅烷偶聯(lián)改性的碳纖維(記為SiC)。并在100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥8 h備用。

1.2.2 酸刻蝕并偶聯(lián)劑聯(lián)合改性碳纖維

配制濃度為1 mol/L的硫酸溶液，將碳纖維按5 g/mL加入到配好的硫酸溶液中，于80 ℃反應(yīng)2 h，反應(yīng)結(jié)束后抽濾，洗滌干燥。再采用一定含量的硅烷偶聯(lián)劑KH-550溶液對(duì)酸處理后的碳纖維進(jìn)行表面再處理，得到改性碳纖維(記為SSiC)，并在100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥8 h備用。

1.2.3 復(fù)合材料的制備

分別將未改性和改性的碳纖維與PP，EVA按照試驗(yàn)配方于(180±5) ℃雙輥混煉機(jī)上混煉8 min，混煉均勻后下片，在溫度為(178±3) ℃，壓力為15 MPa平板硫化機(jī)上熱壓5 min，熱壓完成后再冷壓20 min得到樣板，裁成標(biāo)準(zhǔn)樣以備測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度按GB/T 6344—2008 測(cè)試，拉伸速率為50 mm/min；彎曲強(qiáng)度按GB/T 9341—2008 測(cè)試，彎曲速率為2 mm/min；沖擊強(qiáng)度按 GB/T 1943—2007 測(cè)試。SEM測(cè)試試樣經(jīng)過液氮冷凍脆斷后，斷口表面進(jìn)行噴金處理，再經(jīng)不同的放大倍數(shù)進(jìn)行斷面形態(tài)分析。采用接觸角測(cè)定儀測(cè)量所制備復(fù)合材料與水的接觸角，測(cè)量3次并求其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維用量對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能影響

表1是碳纖維用量對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

表1 碳纖維用量對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

注：PP/EVA用量為70份，其中PP/EVA為4/1。

由表1可知，隨著碳纖維用量的增加，PP/EVA/C復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都是先增后減，但均高于PP/EVA復(fù)合材料的。但隨著碳纖維用量的增加，PP/EVA復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度逐漸降低，尤其在碳纖維用量超過30份時(shí)，沖擊韌性下降最為明顯。因此，確定碳纖維用量為30份時(shí)較合適。以下試驗(yàn)中均為添加碳纖維30份(質(zhì)量份)制備的復(fù)合材料。

2.2 改性碳纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能影響

表2是改性碳纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

表2 改性碳纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能影響

由表2數(shù)據(jù)可知，與PP/EVA/SiC相比，PP/EVA/SSiC的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均有提高。由此說明，經(jīng)酸刻蝕改性碳纖維提高了PP/EVA復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.3 復(fù)合材料的斷面微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1是復(fù)合材料斷面微觀結(jié)構(gòu)。

圖1 復(fù)合材料斷面微觀結(jié)構(gòu)(×500)

由圖1(a)可以看到，大量碳纖維裸露在斷面上，且基體出現(xiàn)了較多孔洞，說明碳纖維在未經(jīng)改性前與基體的相容性較差。圖1(b)是PP/EVA/SiC的斷面微觀結(jié)構(gòu)，與圖1(a)相比孔洞結(jié)構(gòu)減少，且大部分碳纖維表面有樹脂包覆，與基體之間的相容性得到改善。圖1(c)是經(jīng)酸刻蝕并偶聯(lián)劑改性碳纖維在PP/EVA復(fù)合材料中的分散狀況，由此可以看出孔洞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)幾率更小，碳纖維被包埋在樹脂中，與基體間的黏結(jié)力增加，復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度得到提高，與上述力學(xué)性能結(jié)論一致。

2.4 復(fù)合材料水接觸角分析

表3是復(fù)合材料的水接觸角參數(shù)。

表3 復(fù)合材料的水接觸角

由表3可知，添加碳纖維PP/EVA復(fù)合材料的水接觸角均高于未添加碳纖維PP/EVA復(fù)合材料的。通過對(duì)比2種不同改性碳纖維的效果，發(fā)現(xiàn)其中經(jīng)酸刻蝕并偶聯(lián)劑改性碳纖維的效果較好。

3 結(jié)論

a) 添加碳纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料有增強(qiáng)作用，當(dāng)碳纖維添加量為30份時(shí)較合適。

b) 通過對(duì)比碳纖維經(jīng)偶聯(lián)劑改性、酸刻蝕并偶聯(lián)劑改性2種效果，酸刻蝕并偶聯(lián)劑改性碳纖維的增強(qiáng)效果優(yōu)于單獨(dú)偶聯(lián)劑改性碳纖維的，PP/EVA/SSiC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度分別為32.10 MPa,42.08 MPa,5.4 kJ/m2。

c) 與PP/EVA復(fù)合材料的水接觸角相比，添加碳纖維PP/EVA復(fù)合材料的水接觸角都有所增大，其中PP/EVA/SSiC復(fù)合材料的水接觸角最大為105°。

[1] 鄭水林. 粉體表面改性[M]. 北京: 中國(guó)建材工業(yè)出版社, 2004：60.

[2] RIVA A, CAMINO G, FOMPERIE L, et al. Fire retardant mechanisum in intumescent ethylene vinyl acetate compositions[J]. Polymer Degradation and Stability, 2003, 82: 341-346.

[3] 黎小平, 張小平, 王紅偉, 等. 碳纖維的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 高科技纖維與應(yīng)用, 2005, 30(5): 24-30.

Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced PP/EVA Composite

Ren Qinglong Xia Ying Zhang Fengfeng Cong Shijie Zhang Guixia

(Department of Materials Science, School of Textile and Material Engineering,Dalian Polytechnic University, Dalian,Liaoning,116034)

The PP/EVA/C composite was prepared by blending the carbon fiber (C) with PP and EVA. The effects of the different amount of carbon fiber, carbon fiber modified by coupling agent, carbon fiber modified by both acid etching and coupling agent on the mechanical properties, water contact angle and the fracture surface microstructure of composites were investigated. The results show that when the amount of carbon fiber is 30 phr,the mechanical of PP/EVA/C composite is better. The reinforcement effect of the carbon fiber modified by both acid etching and coupling agent is better than that of the carbon fiber modified by coupling agent in the PP/EVA composites. Compared with the PP/EVA/C composites containing 30 phr carbon fiber, the tensile strength and flexural strength of the PP/EVA/SSiC composites increase respectively by 6.26 MPa and 7.20 MPa, however, the impact strength decreases slightly.

carbon fiber; reinforcement; polypropylene; ethylene-vinyl acetate copolymer; mechanical properties

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.05.003