熱塑性PP蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制備和性能

丁先鋒，楊桂生

[上海杰事杰新材料(集團(tuán))股份有限公司，上海 201108]

復(fù)合蜂窩夾芯板起源于仿生學(xué)，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和剛度高、隔音、隔熱、減震等特點(diǎn)，最早應(yīng)用于航空、航天等對(duì)質(zhì)量要求苛刻的構(gòu)件。隨著復(fù)合材料科學(xué)的發(fā)展，夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合板材的制備工藝日趨成熟，組成材料的成本不斷降低，曾經(jīng)只用于高科技領(lǐng)域的夾層板材逐漸向民用工業(yè)方向轉(zhuǎn)型。夾層復(fù)合蜂窩夾芯板在建筑、汽車、包裝、交通運(yùn)輸、家具和裝飾裝潢等民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。

傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)熱固性蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的韌性較差，原材料不易保存，固化成型后不可回收利用[5]。近年來(lái)，熱塑性蜂窩夾芯板的開發(fā)和應(yīng)用越來(lái)越廣泛，面層材料主要有玻璃纖維(GF)氈增強(qiáng)熱塑性塑料片材、連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料片材、GF增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合紗織物，芯層材料為聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)等蜂窩[6-8]。按照平面投影形狀，蜂窩芯可以分為正六邊形、菱形、矩形、正弦曲線形和有加強(qiáng)帶的六角形等[9]。熱塑性蜂窩夾芯板的復(fù)合方式可以分為兩類：一種是膠粘復(fù)合，一種是熔融復(fù)合[10]。周翔等[11]通過(guò)模壓成型工藝制備了連續(xù)GF混編紗層合片材復(fù)合蜂窩板、連續(xù)GF單向片材復(fù)合蜂窩板和連續(xù)GF交叉片材復(fù)合蜂窩板，研究表明，平壓性能僅與蜂窩芯結(jié)構(gòu)有關(guān)，不隨面板結(jié)構(gòu)變化而變化，彎曲性能則隨層數(shù)的增加呈現(xiàn)先遞增后穩(wěn)定不變的趨勢(shì)。Ning Haibin等[12]采用PP／E-GF面板和PP蜂窩芯通過(guò)單膜片成型工藝制備了蜂窩夾心板，其破壞載荷達(dá)到了11.7 kN，符合美國(guó)公共交通協(xié)會(huì)(APTA)對(duì)車身板的靜態(tài)載荷要求，熱塑性復(fù)合材料車身板客車與傳統(tǒng)的鋁合金蒙皮和支撐鋼筋的客車相比，質(zhì)量減輕55%以上。孫雅杰等[13]選擇連續(xù)GF增強(qiáng)熱塑性PP (CFRTP)片材、GF氈增強(qiáng)熱塑性PP片材面層與紙基蜂窩芯、PP蜂窩芯組合鋪層，通過(guò)Tefl on雙帶壓機(jī)制備了7種熱塑性蜂窩夾芯板，結(jié)果表明，紙基蜂窩芯與GF氈增強(qiáng)熱塑性PP片材面層粘接效果較差，PP蜂窩芯與CFRTP面層粘接良好，面層只對(duì)板材彎曲性能有影響，蜂窩芯對(duì)彎曲以及平壓性能都有影響。C. Y. Tan等[14]對(duì)PP蜂窩夾層板材的沖擊破壞研究表明，復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)的損傷面積隨著沖擊能的增大總體呈增大趨勢(shì)。較低的沖擊能損傷僅表現(xiàn)為沖擊中心周圍的壓痕，但一旦達(dá)到?jīng)_擊閾值能量，夾層結(jié)構(gòu)顯示出表皮的分層和結(jié)構(gòu)的整體彎曲，夾層結(jié)構(gòu)的沖擊閾值能量在13～14 J范圍內(nèi)。。

筆者采用雙鋼帶環(huán)帶壓機(jī)通過(guò)熔融復(fù)合的方式制備CFRTP片材復(fù)合PP蜂窩夾芯板(CFRTPPP蜂窩夾芯板)，并對(duì)CFRTP-PP蜂窩夾芯板在-40～80℃溫度環(huán)境下的性能進(jìn)行研究，為CFRTPPP蜂窩夾芯板在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

CFRTP片材：兩層CFRTP預(yù)浸帶按0°，90°交叉鋪層熱熔復(fù)合而成，厚度0.6 mm，GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，自制；

PP蜂窩芯：PP8-80，基本性能列于表1，青島石強(qiáng)蜂窩板材有限公司。

表1 PP蜂窩芯基本性能

1.2 主要設(shè)備和儀器

CFRTP-PP蜂窩夾芯板雙鋼帶環(huán)帶壓機(jī)生產(chǎn)線：自制；

萬(wàn)能電子拉力試驗(yàn)機(jī)：CMT4304(30KN)型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司；

高低溫試驗(yàn)箱：KTHA-515TBS型，昆山慶聲電子科技股份有限公司。

1.3 試樣制備

在上、下退卷機(jī)上各裝一卷厚度0.6 mm的CFRTP片材作為面層，PP蜂窩芯通過(guò)自動(dòng)輸送裝置連續(xù)輸送到傳送帶上作為芯層，CFRTP片材通過(guò)退卷鋪放到PP蜂窩芯的上、下表面，經(jīng)牽引裝置牽引一起進(jìn)入雙鋼帶環(huán)帶壓機(jī)中，隨著鋼帶順次通過(guò)熱壓區(qū)、冷壓區(qū)，熱熔、冷卻成型，制得CFRTP-PP蜂窩夾芯板。生產(chǎn)工藝為：上、下鋼帶間距為20 mm，熱壓溫度為215℃，冷壓區(qū)為水冷，生產(chǎn)線速度為2 m／min。

1.4 性能測(cè)試

將制得的CFRTP-PP蜂窩夾芯板樣品放置在高低溫試驗(yàn)箱中，在不同的溫度條件下放置24 h后取出，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試；

平壓性能按GB／T 1453-2005測(cè)試，樣品尺寸60 mm×60 mm，測(cè)試速率2 mm／min；

彎曲性能按GB／T 1456-2005測(cè)試，樣品尺寸160 mm×60 mm，跨距120 mm，彎曲強(qiáng)度測(cè)試速率2 mm／min，彎曲剛度測(cè)試速率0.5 mm／min；

滾筒剝離強(qiáng)度按GB／T 1457-2005測(cè)試，樣品尺寸300 mm×60 mm，測(cè)試速率25 mm／min。

2 結(jié)果與討論

2.1 CFRTP-PP蜂窩夾芯板在常溫下的力學(xué)性能

常溫(25℃)下，CFRTP-PP蜂窩夾芯板的基本性能列于表2。

表2數(shù)據(jù)表明，CFRTP-PP蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度為12.59 MPa，達(dá)到了21 mm厚常規(guī)玻璃鋼

表2 常溫(25℃)下CFRTP-PP蜂窩夾芯板的基本性能

PP蜂窩復(fù)合板的彎曲強(qiáng)度12 MPa (樣品實(shí)測(cè)，下同)的標(biāo)準(zhǔn)，平壓強(qiáng)度為2.68 MPa，比玻璃鋼P(yáng)P蜂窩復(fù)合板的平壓強(qiáng)度1.8 MPa高出48.9%，面密度為3.4 kg／m2，比玻璃鋼P(yáng)P蜂窩復(fù)合板的面密度5.6 kg／m2低39.2%，不僅能夠滿足建筑、廂式貨車壁板、交通運(yùn)輸、包裝、家具和裝飾裝潢等領(lǐng)域的應(yīng)用，而且可以實(shí)現(xiàn)輕量化。相對(duì)于玻璃鋼P(yáng)P夾芯板，CFRTP-PP蜂窩夾芯板材料密封性較好，不滲水，即使表面損壞也不吸水，可以熱熔焊接修補(bǔ)，對(duì)酸堿、鹽水、油脂及常用化學(xué)品具有很高的耐腐蝕性，廢棄材料粉碎后可回收再利用，材料回收利用率高，大大節(jié)約了成本，特別適用于干貨箱領(lǐng)域。目前，CFRTP-PP蜂窩夾芯板已批量應(yīng)用于廂式貨車的圍板和頂板、高檔家具、運(yùn)動(dòng)器材、游艇等領(lǐng)域。

2.2 溫度對(duì)CFRTP-PP蜂窩夾芯板平壓性能的影響

為了滿足CFRTP-PP蜂窩夾芯板在不同應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用，需要分析在不同溫度下CFRTP-PP蜂窩夾芯板綜合性能的變化，CFRTP-PP蜂窩夾芯板在-40～80℃的平壓性能列于表3，表3數(shù)據(jù)表明，隨著溫度升高，蜂窩夾芯板的平壓性能呈下降趨勢(shì)。

表3 不同溫度下CFRTP-PP蜂窩夾芯板的平壓性能

當(dāng)載荷均勻施加在CFRTP-PP蜂窩夾芯板上時(shí)，PP蜂窩芯猶如許多小工字梁，分散承擔(dān)壓力，隨著載荷加載的力在達(dá)到峰值后，蜂窩芯發(fā)生塑性變形[15]。PP蜂窩芯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為-13℃，當(dāng)溫度低于Tg時(shí)，PP的分子鏈和鏈段都不能運(yùn)動(dòng)，處于玻璃態(tài)，材料為剛性固體狀[16]，所以隨著溫度降低，平壓強(qiáng)度和平壓彈性模量均呈上升趨勢(shì)。尤其在-40℃時(shí)，平壓強(qiáng)度和平壓彈性模量相對(duì)于常溫(25℃)分別提高38.8%，39.3%，表現(xiàn)出十分優(yōu)異的性能，表明CFRTP-PP蜂窩夾芯板可以滿足低溫環(huán)境下的應(yīng)用。

PP蜂窩芯材的熱變形溫度為97℃，在+80℃接近其熱變形溫度時(shí)，PP蜂窩芯材在外力作用下發(fā)生形變，相對(duì)于常溫(25℃)，平壓強(qiáng)度和平壓彈性模量分別下降23.1%，23.8%。

2.3 溫度對(duì)CFRTP-PP蜂窩夾芯板彎曲性能的影響

CFRTP-PP蜂窩夾芯板在不同溫度下的彎曲性能列于表4。

表4 不同溫度下CFRTP-PP蜂窩夾芯板的彎曲性能

從表4可以看出，CFRTP-PP蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度總體上隨著溫度的降低而升高。

彎曲剛度是指截面抵抗彎曲變形的能力，當(dāng)CFRTP-PP蜂窩夾芯板承受彎曲載荷時(shí)，上面板被拉伸，下面板被壓縮，芯材傳遞剪應(yīng)力[17]。CFRTPPP蜂窩夾芯板的面層為CFRTP片材，由于GF是連續(xù)的，增加了面板的剛性，在抵抗外力形變時(shí)纖維的斷裂是主要的吸能方式，而且PP蜂窩芯的高度約是面板厚度的16倍，剖面的慣性矩隨之成四次方增大[18]，使CFRTP-PP蜂窩夾芯板的剛性大大增加。

在較低溫度(-40℃)下，CFRTP-PP蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度相對(duì)于常溫(25℃)分別增加33.7%，38.6%。這是由于低溫狀態(tài)下分子運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，分子間的滑動(dòng)或運(yùn)動(dòng)因凍結(jié)而失去，表現(xiàn)出優(yōu)異的剛性。在較高溫度(+80℃)時(shí)，彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度和常溫(25℃)相比有所下降，但保持率分別為68.1%，70.7%，依然具有良好的抵抗彎曲變形的能力。

2.4 溫度對(duì)CFRTP-PP蜂窩夾芯板滾筒剝離強(qiáng)度的影響

CFRTP-PP蜂窩夾芯板在不同溫度下的滾筒剝離強(qiáng)度列于表5。

表5 不同溫度下CFRTP-PP蜂窩夾芯板的滾筒剝離強(qiáng)度

從表5可以看出，在25～80℃范圍內(nèi)，CFRTPPP蜂窩夾芯板的滾筒剝離強(qiáng)度隨著溫度升高而逐漸降低；在-40～25℃范圍內(nèi)，隨著溫度降低而逐漸降低。在較高溫度(80℃)下，滾筒剝離強(qiáng)度比常溫降低了19.6%；在較低溫度(-40℃)下，滾筒剝離強(qiáng)度比常溫下降了27.5%。但滾筒剝離強(qiáng)度大于120 (N·mm)／mm，仍表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

CFRTP-PP蜂窩夾芯板是CFRTP面層中的PP和PP蜂窩芯熔融復(fù)合而成，圖1是CFRTP面板和PP蜂窩芯剝離后的界面照片。從圖1可以看出，面板和芯材的界面破壞主要是起粘結(jié)作用的PP受拉破壞，當(dāng)剝離強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，PP蜂窩芯被拉壞，但面板上保留了蜂窩芯中的PP，這說(shuō)明CFRTP面板和PP蜂窩芯的粘結(jié)十分牢固。PP是一種立體規(guī)整的高聚物，但PP的結(jié)晶速率較慢、低溫脆性大、熱變形溫度低，溫度升高時(shí)，分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)加劇，構(gòu)象數(shù)增加，材料逐步變得軟而韌[19]，使?jié)L筒剝離強(qiáng)度下降；溫度下降時(shí)，材料逐步變得硬而脆，低溫時(shí)的滾筒剝離強(qiáng)度比高溫時(shí)下降明顯。

圖1 CFRTP面板和PP蜂窩芯剝離后的界面照片

3 結(jié)論

采用雙鋼帶環(huán)帶壓機(jī)通過(guò)熔融復(fù)合的方式制備了CFRTP-PP蜂窩夾芯板，研究了CFRTP-PP蜂窩夾芯板在-40～+80℃溫度下的性能變化，得出如下結(jié)論：

(1)隨著溫度升高，CFRTP-PP蜂窩夾芯板的平壓性能呈下降趨勢(shì)，相對(duì)于常溫(25℃)；在-40℃時(shí)，平壓強(qiáng)度、平壓彈性模量分別提高38.8%，39.3%；在80℃時(shí)，平壓強(qiáng)度、平壓彈性模量分別下降23.1%，23.8%。

(2) CFRTP-PP蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度總體上隨著溫度的降低而升高。相對(duì)于常溫(25℃)，在-40℃時(shí)，蜂窩夾芯板的彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度分別增加33.7%，38.6%；在80℃時(shí)，彎曲強(qiáng)度和彎曲剛度有所下降，但保持率分別為68.1%，70.7%，具有良好的抵抗彎曲變形的能力。

(3)在25～80℃范圍內(nèi)，蜂窩夾芯板的滾筒剝離強(qiáng)度隨著溫度升高而逐漸降低；在-40～25℃范圍內(nèi)，隨著溫度降低而逐漸降低。在80℃時(shí)，滾筒剝離強(qiáng)度比常溫降低了19.6%；在-40℃時(shí)，滾筒剝離強(qiáng)度比常溫下降了27.5%。但滾筒剝離強(qiáng)度大于120 (N·mm)／mm，仍表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。