連續(xù)碳纖維增強聚丙烯性能研究

粟多文，楊榮強，楊廣林，鄭紅開，劉振濤

(1.貴州凱科特材料有限公司，貴陽 550014；2.貴州吉利汽車部件有限公司，貴陽 550081；3.貴陽學(xué)院 化學(xué)與材料系，貴陽 550005)

0 前言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，醫(yī)療衛(wèi)生、建筑工程、軍用科技、日常生活等領(lǐng)域所用的傳統(tǒng)材料在一些性能上已無法滿足行業(yè)的發(fā)展需求[1-2]。與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料具有更加優(yōu)良的物理、化學(xué)性能，很快進入了這些行業(yè)的視野。傳統(tǒng)聚丙烯(PP)材料具有合成原料廣、價格低、易成型加工等[3-4]優(yōu)點，但是PP屬于熱塑性材料，模量低、抗沖擊強度差[5]，因此要對PP進行復(fù)合改性。改性PP復(fù)合材料在使用過程中表現(xiàn)出耐磨、耐腐蝕、高溫條件下力學(xué)性能優(yōu)良、模量高、抗沖擊性能優(yōu)良等[6-8]特點。

戈翔等[9]將馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)與碳纖維(CF)混合均勻后在雙螺旋擠出機上制備出了不同比例CF的PP/CF復(fù)合材料，并研究相容劑對PP/CF復(fù)合體系的流變行為以及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：聚合物流動性能會影響復(fù)合材料的力學(xué)性能，且隨著相容劑含量的增加材料力學(xué)性能提高。KARSLI N G等[10]采用多表面處理技術(shù)對基體界面性能進行改善，利用差示掃描量熱法(DSC)技術(shù)對PP/CF復(fù)合材料的結(jié)晶度和熔融溫度進行表征，并對PP/CF復(fù)合材料的力學(xué)性能進行研究,結(jié)果表明：PP/CF復(fù)合材料的力學(xué)性能得到很大提高。陳姍等[11]選用不同規(guī)格的CF，通過加入不同含量的CF制備PP/CF復(fù)合材料，結(jié)果表明：CF的加入能顯著增強PP/CF的力學(xué)性能。

筆者從PP的聚合方式、CF的添加量、相容劑(PP-9801)添加量以及聚烯烴熱塑性彈性體(POE)添加量4個方面對PP/CF復(fù)合材料力學(xué)性能進行研究，以一般共聚的PP(PP-K7726)作為研究的主要對象，希望能為PP行業(yè)的發(fā)展提供理論數(shù)據(jù)參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

實驗主要原料見表1。

表1 實驗主要原料

1.2 主要儀器和設(shè)備

萬能試驗機，CMT4104，MTS工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；

同向雙螺桿混煉擠出造粒機，TSE-40A，南京瑞亞高聚物制備有限公司；

注塑機，CJ80M Z-NC II,震德塑料機械有限公司；

液晶式擺錘沖擊試驗機，ZBC1400-B，MTS工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司。

1.3 試樣制備

將CF通過雙螺桿擠出機與PP共混擠出切粒，注塑成型后進行各種測試。

1.4 測試與表征

缺口沖擊強度測試按照GB/T 1843—2008 《懸臂梁沖擊強度的測定》進行測試，V形缺口，試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm，跨距為64 mm，壓頭速度為2 mm/min。

拉伸強度和斷裂伸長率測試按照GB/T 1040—2006 《塑料 拉伸性能的測定》采用萬能實驗機進行測試,拉伸速率為50 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同PP對CF/PP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

在加入CF質(zhì)量分數(shù)幾乎相同的情況下，不同共聚方式合成的PP在加入CF前后力學(xué)性能的對比見圖1。由圖1可以看出：PP-M02D的標稱應(yīng)變和沖擊強度在加入CF前后變化劇烈，且加入CF后的PP-M02D的彎曲強度、彎曲模量和拉伸強度均高于未加入CF的PP-M02D,PP-M02D/CF和PP-K7726/CF的彎曲強度、彎曲模量和拉伸強度與未加入CF的PP-M02D和PP-K7726相比提高了2～3倍;加入CF后,PP-M02D的標稱應(yīng)變降低97%左右,PP-K7726的標稱應(yīng)變只降低84%左右。其他方式聚合的PP在加入CF前后，力學(xué)性能尤其是標稱應(yīng)變和沖擊強度的變化沒有PP-M02D變化得明顯，這可能是低熔共聚的PP與CF的界面親和力較強，也可能是PP-M02D的比表面積較大能為CF 提供更多的附著點。總體來說，PP-M02D是一種韌性極好的PP材料，CF能顯著提高PP-M02D的剛性。

(a) 沖擊強度

2.2 CF質(zhì)量分數(shù)對PP/CF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

不同CF質(zhì)量分數(shù)對PP/CF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響見圖2。由圖2(a)可以看出：隨著CF質(zhì)量分數(shù)的增加，PP/CF復(fù)合材料的沖擊強度、拉伸強度和彎曲強度均有先增后降的趨勢。當CF質(zhì)量分數(shù)在14.0%左右時，PP/CF復(fù)合材料所能承受的沖擊強度出現(xiàn)了峰值;當CF質(zhì)量分數(shù)在18.75%左右時，PP/CF復(fù)合材料所能承受的拉伸強度和彎曲強度出現(xiàn)了峰值。當再增加CF質(zhì)量分數(shù)時，PP/CF復(fù)合材料的沖擊強度、拉伸強度幾乎呈直線下降，而彎曲強度下降得相對比較緩慢。當CF質(zhì)量分數(shù)為28.0%時，PP/CF復(fù)合材料的沖擊強度和彎曲強度均達到低谷，后又有回升的趨勢。

(a) 拉伸強度、沖擊強度、彎曲強度

圖2(a)出現(xiàn)的拐點與CF本身的特性有關(guān)，前期PP/CF復(fù)合材料沖擊強度、拉伸強度和彎曲強度的提升是因為CF的介入增強了復(fù)合材料的傳遞應(yīng)力；后期的明顯下降與PP樹脂與CF的界面性能相關(guān)，CF質(zhì)量分數(shù)在一定范圍內(nèi)時二者的界面性能會充分展現(xiàn)，當CF質(zhì)量分數(shù)超過飽和狀態(tài)時，CF會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，而CF又屬于脆性材料，所以會使PP/CF復(fù)合材料的抗沖擊強度、抗拉伸強度和耐拉伸強度特性下降。隨著CF質(zhì)量分數(shù)的進一步增加，CF之間發(fā)生相互堆積纏繞，特別是在做抗沖擊和耐彎曲力學(xué)表征時，CF之間的堆積纏繞會產(chǎn)生抗沖擊、耐彎曲的作用力,使PP/CF復(fù)合材料的沖擊強度和彎曲強度再次上升。

由圖2(b)可以看出：隨著CF質(zhì)量分數(shù)的提高，PP/CF復(fù)合材料的彎曲模量呈近似線性上升而標稱應(yīng)變下降，說明在彎曲模量和標稱應(yīng)變測試過程中，隨著彎曲應(yīng)力的提高，PP/CF復(fù)合材料的形變量變小，即PP/CF復(fù)合材料的韌性降低了。

2.3 相容劑質(zhì)量分數(shù)對PP/CF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

相容劑PP-g-MAH的質(zhì)量分數(shù)對PP/CF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響見圖3。

(a) 拉伸強度、沖擊強度、彎曲強度

(b) 標稱應(yīng)變、彎曲模量

由圖3(a)可以看出：PP/CF復(fù)合材料的沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度均與PP-g-MAH質(zhì)量分數(shù)呈正比。由圖3(b)可以看出：PP/CF復(fù)合材料的彎曲模量隨PP-g-MAH質(zhì)量分數(shù)的增加呈先降后升的趨勢，標稱應(yīng)變隨PP-g-MAH質(zhì)量分數(shù)的增加呈明顯上升趨勢。與圖1(a)相比，圖3(a)中沒有出現(xiàn)峰值，很明顯這與相容劑的性質(zhì)有關(guān)，CF使用的上漿劑一般含有環(huán)氧基團會與PP-g-MAH發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而增強PP與CF的界面結(jié)合力，提高PP/CF復(fù)合材料的力學(xué)性能[9]。彎曲模量的下降說明，在彎曲應(yīng)力近似相等的情況下，復(fù)合材料標稱應(yīng)變的增加說明相容劑的加入提高了PP/CF復(fù)合材料的韌性保持了剛性。

2.4 POE質(zhì)量分數(shù)對PP/CF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

POE質(zhì)量分數(shù)對PP/CF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響見圖4。由圖4可以看出：在保持CF加入質(zhì)量分數(shù)大致相同的情況下，隨著POE質(zhì)量分數(shù)的增加PP/CF復(fù)合材料的沖擊強度和標稱應(yīng)變均有所提高，沖擊強度提高了25%～45%；但是，彎曲模量、彎曲強度和拉伸強度幾乎沒有提高，反而呈現(xiàn)下降的趨勢。POE是一種熱塑性彈性體，具有優(yōu)良的增韌性能和與聚烯烴親和性強等特點。與未加入POE的PP/CF復(fù)合材料相比，以上結(jié)果一致表明PP/CF復(fù)合材料的韌性得到了提高。

(a) 彎曲模量

3 結(jié)語

(1) 共聚PP與CF復(fù)合后，PP-K7726/CF復(fù)合材料的剛性有所提高，但沒有PP-M02D/CF復(fù)合材料的剛性提升顯著。

(2) 當CF的加入質(zhì)量分數(shù)在17.0%左右時,PP-K7726/CF復(fù)合材料的韌性和剛性最好。

(3) 在彎曲應(yīng)力近似相等的情況下，PP-K7726/CF復(fù)合材料應(yīng)變的增加說明相容劑PP-g-MAH的加入在保持原有剛性的同時又提高了PP-K7726/CF復(fù)合材料的韌性。

(4) 與加入相容劑PP-g-MAH的PP-K7726/CF復(fù)合材料相比，彈性體POE的加入在提高PP-K7726/CF復(fù)合材料力學(xué)性能方面的效果不明顯。