基于濕法造紙工藝制備碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料的研究

顏鑫 王習文

摘要：本課題提出了一種基于濕法造紙工藝的碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）的制備方法，實驗探究了碳纖維模量、長度、含量和模壓工藝對CFRTP力學性能的影響。結(jié)果表明，利用濕法造紙工藝制備CFRTP是可行的，碳纖維含量是影響CFRTP力學性能和空隙率的主要因素；當碳纖維含量為30%時，制備的CFRTP性能最好，其拉伸強度為110.07 MPa，彎曲強度為208.59 MPa，缺口沖擊韌性42.89 kJ/m2，材料空隙率最低。該方法具有工藝簡單、成本低、利于碳纖維回收等特點。

關鍵詞：碳纖維增強復合材料；造紙工藝；影響因素

中圖分類號：TS75；TS722

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.08.002

碳纖維增強樹脂材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic， CFRP）是一類高性能復合材料，具有輕質(zhì)、高強、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、易于設計等性能[1-2]，廣泛應用在航空航天、體育器材、壓力容器、建筑材料、汽車制造、模具制造、風電葉片等領域。隨著電動汽車的蓬勃發(fā)展，碳纖維增強樹脂材料作為一種重要的汽車輕量化手段受到了特別的關注。

碳纖維增強樹脂材料的基體可以是熱塑性的也可以是熱固性的，其中碳纖維增強熱塑性復合材料（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic， CFRTP）具有較短的成型周期，適用于大規(guī)模生產(chǎn)[3]。

在碳纖維增強復合材料的生產(chǎn)工藝中，浸漬是重要的一步。在浸漬工藝中，纖維與基材結(jié)合并融合成新材料。CFRTP的主要浸漬方法有：熔融法、溶液法、粉末法、粉末膠衣法、纖維摻雜法、膜浸法、拉擠法、聚合物法、懸浮法等[4]。

由于碳纖維原料價格高昂，CFRP加工工藝復雜，其僅僅應用在高檔汽車、F1賽車等，并未大規(guī)模應用。隨著日本東麗、東邦公司等不斷生產(chǎn)出強度更高、價格更低的碳纖維，研究人員更多地將精力放在縮短CFRP的生產(chǎn)周期、簡化生產(chǎn)工藝的研究上，以期降低CFRP的價格。

CFRP的濕法制備工藝是一種基于濕法造紙工藝的方法，主要包括：碳纖維和樹脂纖維在介質(zhì)中均勻分散→漿料→濾水→干燥→混合纖維手抄片；取多張手抄片放入模具中，經(jīng)模壓成型得到成品。傳統(tǒng)制備碳纖維復合材料包括以下幾個步驟：①碳纖維制成碳纖維織布；②碳纖維織布與樹脂浸漬制成預制品；③預制品模壓得到成型制品。與傳統(tǒng)工藝對比可知，濕法工藝可以節(jié)省一步工序，成本降低。

Bigg D M[6] 、Hiscock D F[7]、Caba A C[8]、

Kimura T[9]等人利用抄紙技術制備非連續(xù)長玻璃纖維或CFRTP；國內(nèi)對于濕法制備碳纖維紙的研究較多[10-12]，濕法制備CFRP的研究很少[13]。

本課題初步探討了基于濕法造紙工藝制備CFRTP的工藝條件和影響因素，驗證了該制備方法的可行性，并制備了具有一定形狀的CFRTP器件。

1實驗

1.1實驗材料和設備

本實驗所使用的主要實驗原料為聚丙烯（PP）纖維和碳纖維。其中碳纖維的長度有3 mm、4 mm 和6 mm，級別有T400、T700、T800，如表1所示。表2列出了各級別碳纖維的部分物理性能。表3列出了實驗所用的設備情況。

1.2制備工藝路線

首先利用漿料疏解器，將碳纖維和聚丙烯纖維均勻分散在水中制成漿料；采用手動抄片機抄造手抄片；經(jīng)壓榨、干燥后，取出手抄片放入模具中，經(jīng)過預熱、保溫保壓、冷卻后得到成型板材CFRTP。工藝路線如圖1所示。

1.3模壓工藝

將碳纖維和聚丙烯纖維混合、抄成定量為400 g/m2的手抄片，手抄片經(jīng)壓榨、干燥后放入模具中預熱。

模壓成型的主要影響因素有溫度、壓力和時間。本實驗所用聚丙烯纖維的熔點為175℃，根據(jù)樹脂加工溫度一般高于其熔點20～30℃的經(jīng)驗，選定模壓溫度為205℃。表4列出了模壓工藝參數(shù)。

1.4性能測試

1.4.1空隙率

采用美國ASTM制定的ASTM D2734—3688《纖維增強塑料空隙率的標準測算方法》來測算CFRTP的空隙率。首先根據(jù)聚丙烯纖維的密度和碳纖維的密度計算出CFRTP的理論密度，計算公式見式（1）。

烯纖維在CFRTP中的含量，%；D為聚丙烯纖維密度，g/cm3；r為碳纖維在CFRTP中的含量，%；d為碳纖維密度，g/cm3。

然后再測出CFRTP的實際密度，依據(jù)計算公式（2）計算CFRTP的空隙率。

1.4.2力學性能

（1）測試方法

分別依據(jù)GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的測試方法》、GB/T 9341—2008《塑料彎曲性能的測試方法》、GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊韌性的測試方法》測試材料的拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊韌性。

（2）試樣制備

依據(jù)GB/T 1040.2—2006制備拉伸試樣；依據(jù)GB/T 9341—2008制備彎曲試樣；依據(jù)GB/T 1843—2008制備缺口沖擊韌性試樣，方法為：

將板材切割成長80 mm、寬12.7 mm的長條，再用銑床銑出缺口；拉伸與彎曲的試樣均為10 mm寬度的長條。實際測試過程中，沖擊韌性試樣的厚度和除去缺口部分的寬度、拉伸和彎曲試樣的厚度，均為實測。

1.5濕法制備的影響因素

設計碳纖維級別、碳纖維含量、模壓壓力這3個因素對于CFRTP空隙率和力學性能的三因素三水平實驗，并進一步設計關于碳纖維長度對于CFRTP性能影響的水平實驗，探討濕法造紙工藝制備CFRTP性能的影響因素。

2結(jié)果與討論

2.1手抄片成形中的纖維分散

在制備纖維懸浮液時，利用漿料疏解機將兩種纖維分開疏解，聚丙烯纖維的疏解漿濃約為 0.1%，碳纖維的疏解漿濃為0.02%。

分散后的兩種纖維在手動抄片機中混合。因碳纖維的密度約為1.8 g/cm3，而聚丙烯纖維的密度為0.9 g/cm3，二者相差較大，兩種纖維混合后，會出現(xiàn)碳纖維下沉而聚丙烯纖維上浮的現(xiàn)象。因此在漿料上網(wǎng)時，先加入聚丙烯纖維漿料，后加入碳纖維漿料，并且在混合漿料中加入0.002%的聚丙烯酰胺（PAM）和PEO作為分散劑。

將一定量的碳纖維和PAM分散在水中制成懸浮液，通過靜置觀察法，來觀測碳纖維懸浮液的穩(wěn)定性。如圖2（a）所示，碳纖維在懸浮液中均勻分散，并具有一定的穩(wěn)定性，靜置2 min后才出現(xiàn)明顯的沉積。

手抄片制備完成后，取少量樣品置于正置顯微鏡下觀察碳纖維在紙張中的分散情況，得到圖2（b）。圖2（b）中的黑色纖維即為碳纖維，可以看到碳纖維在手抄片中的分散較為均勻。

2.2濕法制備CFRTP的可行性分析

通過以上工藝，制備出了含10% T800級別碳纖維的CFRTP，如圖3所示。從圖3可以看出，制備的CFRTP表面光潔，具有良好的形貌。

對所制備的CFRTP進行力學性能測試，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，碳纖維的增強效果不理想，因此有必要進一步討論CFRTP力學性能的影響因素。

2.3濕法制備CFRTP的影響因素

2.3.1正交實驗

碳纖維級別、碳纖維含量、模壓壓力的正交實驗設計如表6所示。由表6得到正交實驗方案如表7所示。

按照實驗方案制備出的CFRTP，經(jīng)過性能測試后，得到CFRTP的空隙率、厚度、拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊韌性，實驗結(jié)果如表8所示。極差分析如表9所示。

從表9可以看出，制備的CFRTP的空隙率、拉伸強度和彎曲性能的最優(yōu)條件是一致的，均為A3B1C1，即T800碳纖維、碳纖維含量30%、模壓壓力5 MPa。

結(jié)合表8中的數(shù)據(jù)，做出所制備的CFRTP的空隙率、拉伸強度、彎曲強度、缺口沖擊韌性和厚度隨碳纖維含量的變化曲線，見圖4。

（1）對空隙率的影響

碳纖維含量分別為10%、30%、50%和70%時，CFRTP空隙率分別為20.45%、6.30%、7.83%和10.30%。如圖4（a）所示，CFRTP空隙率隨著碳纖維含量的增加而降低，在碳纖維含量30%時達到最低值，隨后隨著碳纖維含量的增加而增加。這是因為在碳纖維含量較低時，聚丙烯纖維極易被過量擠出，造成內(nèi)部缺陷；隨著碳纖維含量的增加，聚丙烯纖維的流動性降低，聚丙烯纖維在溫度和壓力的作用下能夠順利充滿整個模具，而又不會被過分擠出。

（2）對強度的影響

由表9可知，碳纖維含量對于CFRTP拉伸強度的影響遠遠大于碳纖維級別和模壓壓力對于拉伸性能的影響。

圖4（b）為碳纖維含量對于CFRTP拉伸強度和彎曲強度的影響。隨著碳纖維含量從10%升至30%，拉伸強度和彎曲強度也快速大幅度上升；當碳纖維含量超過30%，增加至50%和70%時，拉伸強度和彎曲強度開始以較為緩慢地下降，這與碳纖維含量對CFRTP空隙率的影響是相對應的。因此可以認為，碳纖維含量通過影響CFRTP空隙率，進而對其拉伸強度和彎曲強度產(chǎn)生了影響。

通常情況下，纖維增強復合材料發(fā)生破壞時，先是聚丙烯纖維基體的破壞，然后是纖維拔出和纖維斷裂。因此在本實驗條件下，纖維增強復合材料的拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊韌性應該具有相同的變化趨勢，即碳纖維含量是該指標的最主要影響因素，且缺口沖擊韌性隨著碳纖維含量的上升是先上升后下降。

2.3.2碳纖維長度對CFRTP力學性能的影響

為了探究碳纖維長度對CFRTP力學性能的影響，設計了10號、11號實驗，與2.3.1部分的7號實驗組成水平實驗，來探究碳纖維長度對CFRTP性能的影響，實驗方案如表10所示。

CFRTP制備完成后，測算了其空隙率、拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊韌性，結(jié)果如表11所示。

由表11可知，在碳纖維含量固定的情況下，CFRTP的空隙率很接近，這說明碳纖維長度并沒有對空隙率產(chǎn)生影響。從表11還可以看到，隨著碳纖維長度的增加，拉伸強度和彎曲強度都在增加。這是因為當碳纖維長度增加時，碳纖維在聚丙烯纖維中的包埋長度也增加，纖維拔出需要更多的能量，因此彎曲性能和拉伸強度都得到了提高。

在本研究的實驗條件下，影響CFRTP性能的最顯著因素是碳纖維含量。碳纖維含量影響了預制品熔融后的流動性，進而影響了CFRTP的空隙率，最終影響了CFRTP的力學性能。同時，這種基于濕法造紙工藝的CFRTP制備新方法，容易實現(xiàn)器件的加工。

3結(jié)論

本研究利用濕法造紙工藝成功制備了碳纖維增強熱塑樹脂材料（CFRTP）。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維含量是影響CFRTP空隙率和力學性能的主要因素。當碳纖維含量在30%時，CFRTP的性能最好，空隙率最低，拉伸強度110.07 MPa，彎曲強度208.59 MPa，缺口沖擊韌性42.89 kJ/m2。該方法具有工藝簡便、成本低、利于碳纖維回收等特點。

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（責任編輯：常青）