高分散長玻纖在CFRT-PP片材中 應(yīng)用性能的研究

章建忠，錢宇卿，樊家澍，嚴(yán)忠平，王躍波

（巨石集團(tuán)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

近年來，高性能纖維及其復(fù)合材料的技術(shù)創(chuàng)新和節(jié)能環(huán)保法律法規(guī)的強(qiáng)化，助推了某些高性能纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高效化、規(guī)模化和高端化發(fā)展。工藝技術(shù)的重大創(chuàng)新，突破了進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，將實(shí)現(xiàn)跨越式大發(fā)展［1-3］。其中，以長玻纖增強(qiáng)熱塑性樹脂材料為代表的高性能復(fù)合材料，在近幾年獲得了快速發(fā)展。玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料行業(yè)也已經(jīng)歷由短到長的階段式發(fā)展，而CFRT是近期發(fā)展起來的一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic），其憑借質(zhì)輕、高強(qiáng)等特點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注，并成為復(fù)合材料領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點(diǎn)［4-6］。熱塑CFRT預(yù)浸帶材作為增強(qiáng)熱塑性塑料管道、復(fù)合板材的原材料，由于熱塑樹脂黏度較高［7］，其浸漬效果直接決定著最終制品的成型難易程度及力學(xué)性能［8-10］，超薄超輕材料的研究一直是CFRT研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，玻纖良好的分散效果有助于CFRT片材工藝的展開性，制品厚薄更均勻，單位克重越低，強(qiáng)度越高，如何在超薄材料中保持良好的玻纖分散性，保持良好的浸潤效果是制備預(yù)浸帶材的關(guān)鍵步驟之一。

CFRT-PP片材作為新一代復(fù)合材料，近一半被應(yīng)用于箱體材料。目前幾家主流的制造企業(yè)，已經(jīng)開始開發(fā)新一代車用水箱的箱體材料，要求具備極高的耐水解性能。因此，提高玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的耐水解性能也被作為當(dāng)前較為重要的開發(fā) 工作。

本論文主要探討在CFRT-PP材料的領(lǐng)域，對(duì)長玻纖分散性的研究，側(cè)重于不同牌號(hào)玻纖增強(qiáng)材料對(duì)工藝狀態(tài)影響因素的分析，對(duì)于復(fù)合材料，尤其是低克重、高強(qiáng)度的超薄材料選擇，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

PP：BX3900 韓國SK；

PP相容劑：1001，以色列polyram；

玻璃纖維無捻粗紗：EDR17-2400-362A，巨石集團(tuán)；

參比樣一和參比樣二：均是市面上較為常見的同類產(chǎn)品。

1.2 設(shè)備與儀器

小型CFRT模壓設(shè)備：自主設(shè)計(jì)及外協(xié)加工；

微機(jī)控制萬能電子試驗(yàn)機(jī)：CMT4202；

萬能材料試驗(yàn)機(jī)：Z050型，德國Zwick；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：6956.000型，意大利CEAST；

光學(xué)顯微鏡：XSP-8CA 上海昊微光電科技

恒溫水箱：自主設(shè)計(jì)及外協(xié)加工

1.3 CFRT-PP復(fù)合材料的制備

設(shè)計(jì)CFRT-PP復(fù)合材料中GF、PP及相容劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；利用CFRT模壓設(shè)備，經(jīng)過擠拉、輥壓后取得預(yù)浸片材，即為測(cè)試樣品，試驗(yàn)過程簡圖如圖1。本文中設(shè)計(jì)GF占CFRT片材中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的70%，相容劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，余量為PP。

圖1 試驗(yàn)過程

圖2 CFRT工藝流程簡圖及片材樣品圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同玻纖制得的片材宏觀對(duì)比

圖3-圖5為分別采用362A和參比樣一和參比樣二，所制得CFRT的預(yù)浸片材情況。

圖3 參比樣一制得片材

圖5 362A制得片材

通過圖3對(duì)比，發(fā)現(xiàn)用參比樣一的玻纖分散性差，片材均勻度低，玻纖樣條明顯，且玻纖之間間隙較大，對(duì)于外觀要求較高的產(chǎn)品，不符合設(shè)計(jì)要求，且玻纖分散性差，所制得片材的克重?zé)o法滿足超薄材料的要求，對(duì)復(fù)合后的片材性能也有較大的影響。對(duì)比圖4發(fā)現(xiàn)，使用參比樣二的玻纖，片材有不均勻的白條出現(xiàn)，這是因?yàn)椴＠w在生產(chǎn)中，可燃物含量的遷移所造成，尤其在端面遷移較多，影響玻纖的分散，因此在片材生產(chǎn)過程中，容易出現(xiàn)白條，這種現(xiàn)象也不利于應(yīng)用在表觀制件上，且在應(yīng)力作用下，極易發(fā)生脆裂，造成質(zhì)量隱患，另外，玻纖耐磨性不好，產(chǎn)生碎毛較多，積累之后造成局部溫度過高，容易產(chǎn)生黃斑。通過圖5對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用362A的產(chǎn)品，片材均勻度好，展開性好，玻纖在預(yù)浸過程完全分散，因此能滿足超薄材料的低克重要求，且在制品中無白條現(xiàn)象，也比較適合制作表觀材料。

圖4 參比樣二制得片材

2.2 不同玻纖所制得片材微觀對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)室制得片材，通過取樣剪切，制得樣品部件，并通過樹脂固化得到樣品標(biāo)本（圖6），將標(biāo)本表面進(jìn)行打磨，得到平整、干凈的截面。

圖6 參比樣一片材截面圖

通過實(shí)驗(yàn)室光學(xué)顯微鏡分析，對(duì)制品橫截面進(jìn)行對(duì)比，得到如下對(duì)比情況：

通過圖6-8的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)不同玻纖分散差異很大，從圖8 362A的片材截面觀察，發(fā)現(xiàn)玻纖在片材中分布均勻，樹脂浸潤充分。圖6和圖7顯示兩個(gè)參比樣玻纖的分散不好，容易部分積聚，導(dǎo)致樹脂浸潤出現(xiàn)問題，會(huì)出現(xiàn)局部樹脂缺乏，浸潤不充分的現(xiàn)象，且片材厚薄及玻纖分布均勻性變差，從而導(dǎo)致片材表觀質(zhì)量差，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)裂痕。

圖7 參比樣二截面圖

圖8 362A片材截面圖

2.3 機(jī)械性能評(píng)估

表1為CFRT工藝下，GF/PP復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)試概要，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)性能符合測(cè)試要求。表2～3為CFRT片材的性能測(cè)試具體數(shù)據(jù)，從測(cè)試數(shù)據(jù)來看，362A所制得片材強(qiáng)度較參比樣要高，原因是362A產(chǎn)品超高的分散性，在所得片材中能展開完全，與樹脂充分浸潤，再加上玻纖表面經(jīng)過特殊處理，與樹脂的結(jié)合性好。

表1 制品性能測(cè)試概要

表2 預(yù)浸片材拉伸性能

測(cè)試操作：測(cè)試操作前，樣品預(yù)先在溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度為（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件下，放置至少24 h，然后按照表中指定方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：

從表2和表3可以看出，經(jīng)過高分散玻纖加工處理之后，復(fù)合成板材實(shí)測(cè)拉伸性能相比參比樣一和二分別提高了16%和10%，而彎曲則分別提高了15%和18%。結(jié)果表明，分散性的改善，對(duì)片材的機(jī)械性能有了明顯的提高。

表3 1.5 mm 板彎曲性能

2.4 耐水解性能的對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證和對(duì)比玻纖的不同分散效果對(duì)耐水解性能的差異，設(shè)計(jì)了一組水煮試驗(yàn)，對(duì)比測(cè)試362A/CFRT-PP、參比樣一/CFRT-PP、參比樣二/CFRT-PP復(fù)合材料的水煮后性能保留率。

表4為水煮前后的CFRT-PP片材拉伸性能的保留率數(shù)據(jù)，測(cè)試方案為所得片材放置90℃純水，分別煮5天、10天后，實(shí)測(cè)拉伸性能保留率。

表4 水煮前后GF/PP的CFRT-PP片材 拉伸強(qiáng)度的保留率數(shù)據(jù)

從表4可以看出，經(jīng)過水煮10天后，相比參比樣一和樣二，所制得片材的拉伸性能保留強(qiáng)度提高了17%和14%。結(jié)果表明，經(jīng)過高分散處理，耐水解性能有了明顯的改善。

3 小結(jié)

本論文主要研究了高分散長玻纖的處理加工對(duì)CFRT-PP片材制品的影響，結(jié)合使用工藝和應(yīng)用方面的對(duì)比，我們認(rèn)為通過在CFRT工藝中使用高分散的玻纖，對(duì)CFRT制品的外觀有改善，制品的表觀性能有了明顯提高，達(dá)到超薄材料的設(shè)計(jì)要求。另外，通過復(fù)合加工后，對(duì)其制品的機(jī)械性能，也有不同程度的提高和改善，滿足客戶對(duì)高性能片材的需求特點(diǎn)。綜上所述，可得出以下結(jié)論：

（1）CFRT- PP工藝，玻纖在樹脂中分散性越好，浸潤越充分，機(jī)械強(qiáng)度越好。

（2）在制作超薄高強(qiáng)材料中，高分散玻纖362A的使用，能滿足CFRT廠家對(duì)于預(yù)浸帶片材極高的制作工藝要求，為進(jìn)一步提高片材玻纖含量提供潛在條件，并能有效增加材料的機(jī)械性能。玻纖超高的分散性，有利于達(dá)到片材均勻性好、展開性好的目的，玻纖分散充分，樹脂浸潤好，片材通過輥壓之后，厚度能大幅降低，從而能制得超低克重產(chǎn)品，同時(shí)達(dá)到超高表面質(zhì)量的要求。

（3）通過高分散玻纖362A的處理，CFRT材料的展開性有了顯著提高，分散充分的玻纖與基體樹脂的接觸點(diǎn)更多，浸潤更充分，從而得到優(yōu)異的耐水解性能，滿足CFRT廠家對(duì)片材耐水解性能的要求。