碳纖維/聚丙烯/聚乳酸增強復合材料的力學性能

宋雪旸， 張 巖， 徐成功， 王 萍， 阮芳濤

(1. 蘇州大學 紡織與服裝工程學院， 江蘇 蘇州 215000； 2. 安徽工程大學 紡織服裝學院， 安徽 蕪湖 241000)

碳纖維(CF)及其增強復合材料由于具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕、易傳熱等優(yōu)良性能，近年來被廣泛應用于建筑、汽車、體育、航空航天等領(lǐng)域。熱塑性CF增強復合材料具有良好的形狀可設計性，在軟化形態(tài)中能夠自由塑形，冷卻后可恢復堅硬特性。熱塑性樹脂種類繁多，更重要的是其在加熱后可恢復流動態(tài)，為碳纖維復合材料使用后的回收再利用提供了可能，大大降低了成本，減少了對環(huán)境的破壞[1]。

聚丙烯(PP)具有低廉的價格和良好的力學性能，是目前最輕的樹脂，在碳纖維增強復合材料中得到廣泛應用，但PP無法生物降解，由其制造的復合材料廢棄物難以處理[2]。為解決碳纖維增強復合材料廢棄后在填埋處理中難以降解的問題，許多研究人員對聚乳酸(PLA)/碳纖維復合材料的制備工藝以及各種性能進行了相關(guān)研究[3-5]，結(jié)果表明，PLA復合材料雖然可以生物降解，但PLA復合材料的力學性能相對較差，極大限制了其在力學強度要求較高領(lǐng)域的使用[6]。國內(nèi)外在PP與PLA共混方面有不少研究，PLA的加入可賦予或者提升PLA/PP共混材料的生物可降解性[7-9]。為此，本文在PP樹脂中加入PLA，利用熱壓工藝制備碳纖維增強復合材料，對復合材料進行沖擊、彎曲、拉伸等力學性能測試，分析PLA質(zhì)量分數(shù)對碳纖維/PP增強復合材料力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

碳纖維平紋織物(面密度為220 g/m2，T700SC-12000-50C，日本東麗株式會社)；聚丙烯(B4808，中國石化燕山石化公司)；聚乳酸(REVODE190，浙江海正生物材料股份有限公司)

1.2 試樣制備

1.2.1 PP與PLA混合膜制備

將PP和PLA分別按PLA質(zhì)量分數(shù)為0%、20%、40%、60%、80%和100%計量后在高速混合機中混合，用XLB-D(Y)平板硫化機(青島匯才機械制造有限公司)在溫度為170 ℃，壓力為2～3 MPa的條件下制備出PP/PLA共混膜。用ZRZ1452熔體流動速率實驗機(上海皆準儀器設備有限公司)測試PP/PLA共混樹脂的熔融指數(shù)，測試溫度為170 ℃。利用熔融指數(shù)表征聚合物在給定溫度及剪切條件下的流動性。熔融指數(shù)越大，則聚合物的加工流動性越好。不同PLA質(zhì)量分數(shù)的PLA/PP共混膜對應的熔融指數(shù)如表1所示。

表1 不同PLA質(zhì)量分數(shù)PLA/PP共混膜的熔融指數(shù)Tab.1 Melt index of PLA/PP blends with different PLA content

1.2.2 碳纖維增強復合材料制備

將碳纖維平紋織物和PLA/PP共混膜以疊層結(jié)構(gòu)送入100T四柱式平板硫化機(青島東諾橡膠機械有限公司)進行熔融浸漬與固化成型，制得長為150 mm、寬為150 mm、厚度為2 mm的不同PLA質(zhì)量分數(shù)的碳纖維增強復合材料。實驗溫度為170～180 ℃，壓力為2～3 MPa，熱壓10 min，保壓8 h。連續(xù)碳纖維增強復合材料制備工藝示意圖如圖1所示。

圖1 連續(xù)碳纖維增強復合材料制備工藝示意圖Fig.1 Manufacturing process of continuous carbon fiber reinforced composites

1.3 力學性能測試

用切割機將已準備好的復合材料裁剪成相應尺寸：拉伸試樣為150 mm×(12.5±0.5) mm，沖擊試樣為80 mm×(10±0.5) mm，彎曲試樣為70 mm×(10±0.5) mm。通過對復合材料試樣的拉伸、沖擊、彎曲測試，研究PLA質(zhì)量分數(shù)對碳纖維增強復合材料力學性能的影響。

1.3.1 沖擊性能測試

根據(jù)GB/T 1043.1—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器沖擊試驗》，利用XJJ-50S簡支梁沖擊試驗機(濟南恒思盛達儀器有限公司)測試樣品的沖擊強度和吸收能。擺錘能量為7.5 J，沖擊速度為3.8 m/s，擺錘預揚角為160°。每組試樣測試5次，取平均值。

1.3.2 彎曲性能測試

參照GB/T 3356—2014《定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗方法》，采用WCW-20微機控制電子萬能試驗機(濟南天辰試驗機制造有限公司)測量材料的彎曲性能。試樣的跨距比為32∶1，寬度為12.5 mm，試樣的長度比跨度長為20%，每種試樣測試5次，取平均值。

1.3.3 拉伸性能測試

參照GB/T 3354—2014《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》,采用WCW-20微機控制電子萬能試驗機(濟南天辰試驗機制造有限公司)測量材料的拉伸性能。拉伸速度為2 mm/min。每組試樣測試5次，取平均值。

1.4 拉伸斷裂形貌觀察

用TM3030臺式掃描電子顯微鏡(日本日立公司)觀察拉伸實驗后樣品的橫截面形態(tài)，加速電壓為3.0 kV。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 PLA含量對復合材料沖擊性能影響

圖2示出不同PLA質(zhì)量分數(shù)的碳纖維增強復合材料的沖擊強度?？梢钥闯觯琍LA質(zhì)量分數(shù)對復合材料沖擊性能有顯著影響。當樹脂中不含PLA時，碳纖維增強復合材料的沖擊強度為22.27 kJ/m2；當PLA質(zhì)量分數(shù)為20%時，復合材料的沖擊強度迅速下降至15.6 kJ/m2；隨著PLA質(zhì)量分數(shù)的提高，復合材料的沖擊強度得到提高；當PLA質(zhì)量分數(shù)達到60%時，碳纖維增強復合材料基本達到原樣的沖擊強度，為21.8 kJ/m2，沖擊性能較好；進一步增加PLA質(zhì)量分數(shù)，其沖擊強度開始逐步降低，當樹脂全部為PLA時，試樣的沖擊強度僅為9.35 kJ/m2。造成這種現(xiàn)象的原因可能是PP的力學性能較好，與碳纖維結(jié)合較好，試樣沖擊破壞形式以碳纖維的剪斷及基體開裂為主，因此，當樹脂中不摻雜PLA時，碳纖維增強復合材料的沖擊強度較好[10-11]。當樹脂中PLA質(zhì)量分數(shù)較小時，試樣沖擊后表面出現(xiàn)發(fā)白現(xiàn)象，復合材料沖擊性能大幅度下降[12]。隨著PLA質(zhì)量分數(shù)的增加，PLA的沖擊韌性仍發(fā)揮作用，因此其沖擊強度提高。然而由于PLA的力學性能差，PLA質(zhì)量分數(shù)的繼續(xù)增加將導致復合材料的沖擊強度大幅度下降。

圖2 不同PLA質(zhì)量分數(shù)的復合材料沖擊強度Fig.2 Impact strength of composites with different PLA mass fraction

2.2 PLA含量對復合材料彎曲性能影響

圖3示出不同PLA質(zhì)量分數(shù)的碳纖維增強復合材料的彎曲性能。從圖3(a)可以看出，隨著 PLA 質(zhì)量分數(shù)的增加，復合材料的彎曲強度呈先下降后上升，最后再下降的趨勢，與沖擊強度變化趨勢較為吻合。當樹脂中不摻雜PLA時，碳纖維增強復合材料的彎曲強度為111.0 MPa；在PLA質(zhì)量分數(shù)為20%時，復合材料彎曲性能迅速下降至49.5 MPa；隨著PLA質(zhì)量分數(shù)的增加，復合材料的彎曲強度大幅度上升,然后達到峰值(112.5 MPa)；隨后進一步增加樹脂中PLA的質(zhì)量分數(shù)，其彎曲強度開始下降，碳纖維/PLA復合材料的彎曲強度為57.0 MPa。

圖3 不同PLA質(zhì)量分數(shù)的復合材料彎曲性能Fig.3 Bending properties of composites with different PLA mass fraction. (a) Bending strength；(b) Bending stress and strain curves

從圖3(b)可以看出，樹脂中不摻雜PLA的碳纖維增強復合材料在應變?yōu)?0%時，彎曲強度達到最大值，隨后復合材料發(fā)生彎曲破壞。加入PLA后當復合材料應變在10%～20%時，彎曲強度達到最大值，隨后開始緩慢下降，最后急劇下降，復合材料發(fā)生彎曲破壞。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于PLA/PP共混體系與碳纖維粘結(jié)能力弱，彎曲時首先出現(xiàn)分層，試樣遭到局部破壞，彎曲強度開始緩慢下降，隨后碳纖維開始發(fā)生斷裂，試樣被徹底破壞。

2.3 PLA含量對復合材料拉伸性能影響

圖4示出不同PLA質(zhì)量分數(shù)的碳纖維增強復合材料的拉伸性能。由圖4(a)可知，復合材料的拉伸強度隨著PLA質(zhì)量分數(shù)的增加，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。當樹脂體系中不包含PLA時，碳纖維增強復合材料的拉伸強度為34.48 MPa；隨著PLA質(zhì)量分數(shù)的增加，復合材料拉伸強度開始增加，直至PLA質(zhì)量分數(shù)達到40%時，復合材料拉伸強度(48.6 MPa)達到峰值。隨后再增加PLA質(zhì)量分數(shù)，復合材料拉伸強度開始降低。從圖4(b)拉伸應力-應變曲線可以看出，不摻雜PLA樹脂的碳纖維增強復合材料拉伸斷裂功(應力-應變曲線下的面積)最小，復合材料韌性最差。

圖4 不同PLA質(zhì)量分數(shù)的復合材料拉伸性能Fig.4 Tensile properties of composites with different PLA mass fraction. (a) Tensile strength；(b) Tensile stress and strain curves

圖5示出不同PLA質(zhì)量分數(shù)的碳纖維增強復合材料的拉伸斷裂面形貌照片?？梢钥闯?，隨著PLA質(zhì)量分數(shù)的增加，復合材料的斷面由界面脫粘逐漸演變?yōu)榛w裂紋后,繼續(xù)演變?yōu)橐悦搶娱_裂為主。碳纖維增強復合材料是由纖維和樹脂2種組分組成，纖維和樹脂的性質(zhì)差異很大。碳纖維復合材料受到外力作用時，首先由界面承載外力然后傳遞到纖維上，所以纖維與樹脂的界面結(jié)合情況好壞直接影響復合材料的力學性能。Drzal等[13-14]提出的復合界面鍵合模型認為，復合界面力主要分為3種類型：化學鍵合力、范德華力和機械嵌合力。由于熱塑性樹脂基體和碳纖維之間沒有界面反應，所以形成不了化學鍵和官能團，即界面力主要是范德華力和機械嵌合力。樹脂基體對碳纖維的浸漬越充分，界面結(jié)合處形成的范德華力和機械嵌合力就越大，界面結(jié)合性就越好。復合材料在承載力時，通常承載力的是樹脂基體，然后通過基體和纖維的界面把載力傳遞到纖維上。由表1可知，隨著PLA質(zhì)量分數(shù)的增加，PLA/PP共混樹脂的熔融指數(shù)變大。當共混樹脂熔融指數(shù)較低時，纖維粘接不牢，界面層的強度小于基體本身的強度，所以界面層最先遭到破壞，出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，復合材料力學性能低；隨著熔融指數(shù)的增加，樹脂充分浸漬碳纖維，復合材料力學性能較高。當熔融指數(shù)過大，樹脂大部分沉積在復合材料底面，復合材料內(nèi)部樹脂較少，纖維結(jié)合不牢固，復合材料力學性能較差，這可能也是復合材料拉伸強度先升高后降低的主要原因。

圖5 不同PLA質(zhì)量分數(shù)的復合材料拉伸斷裂表面形貌(×40)Fig.5 Tensile fracture surface morphology of composite with different PLA mass fraction (×40)

3 結(jié) 論

1)隨著PLA質(zhì)量分數(shù)的增大，碳纖維增強復合材料的力學性能大致呈現(xiàn)先升高后降低的變化。當PLA質(zhì)量分數(shù)為60%時，碳纖維增強復合材料的沖擊強度和彎曲強度最高，分別為21.8 kJ/m2和112.5 MPa；當PLA質(zhì)量分數(shù)為40%時，試樣的拉伸強度達到峰值，為48.6 MPa。

2)PLA質(zhì)量分數(shù)對碳纖維增強復合材料力學性能有顯著影響，適量地摻雜PLA樹脂對碳纖維增強PP基復合材料有一定的增韌作用，在不損失抗沖擊性能和彎曲性能的同時，增加復合材料的拉伸強度。當PLA質(zhì)量分數(shù)為60%時，碳纖維增強復合材料綜合力學性能較好，可以替代碳纖維/PP復合材料，使產(chǎn)品更加綠色環(huán)保。

3)由于PLA/PP樹脂相容性差，力學性能優(yōu)化不明顯，如何對PLA/PP共混體系進行改性是未來研究的重點。

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