廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的性能測(cè)試表征

張逸飛

摘 要：采用熔融浸漬法制備纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料，研究了纖維含量對(duì)廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能、斷口形貌和熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度會(huì)隨纖維含量逐漸增加而先增加后減小；添加纖維的復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量都高于PA6，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能都由于PA6；在纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時(shí)取得最大值約986 MPa、最大的結(jié)晶峰溫度和初始結(jié)晶溫度復(fù)合材料具有最佳的導(dǎo)熱性能；廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的結(jié)晶峰溫度和初始結(jié)晶溫度隨著纖維含量增加都表現(xiàn)為先升高后減小。適宜的廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料的纖維添加量為45%。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)PA6；纖維含量；拉伸性能；熱穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TQ327；TB332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0090-03

Performance testing and characterization of carbon fiber composite materials used for storing waste lead-acid batteries

ZHANG Yifei

（Mining & Metallurgy Technology Group Co.，Ltd.，Beijing 100160，China

）

Abstract：Fiber reinforced PA6 composite materials were prepared by melt impregnation method.The effect of fiber content on the mechanical properties，fracture morphology，and thermal stability of carbon fiber composite materials used for storage of waste lead batteries was studied.The results showed that the tensile strength of carbon fiber composite materials used for storage of waste lead batteries increased first and then decreased with the gradual increase of fiber content，reaching a maximum value of approximately 986 MPa at a fiber content of 45%.The storage modulus of composite materials with added fibers was higher than PA6，and the thermal conductivity of fiber reinforced composite materials was better than PA6.The composite material had the best thermal conductivity when the fiber content was 45%; The crystallization peak temperature and initial crystallization temperature of carbon fiber composite materials used for waste lead battery storage both increased and then decreased with the increase of fiber content.The appropriate fiber addition amount of fiber reinforced PA6 composite material for waste lead battery storage was 45%.

Key words：fiber reinforced PA6;fiber content;tensile properties;thermal stability

碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂材料由于具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)高韌、耐摩擦和耐疲勞性能好、尺寸精度高等特性［1］，有望在廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用材料中得到廣泛應(yīng)用。目前，碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂材料的研究多集中在纖維改性［2］、制備工藝［3］等方面，對(duì)于纖維含量對(duì)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性等方面的研究較少［4-6］。選取廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂為研究對(duì)象，研究了纖維含量對(duì)廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能、斷口形貌和熱穩(wěn)定性的影響，結(jié)果將有助于高綜合性能的廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂的開發(fā)并推動(dòng)其應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料包括T700 SC-24K型碳纖維、TP-4208型PA6樹脂、A型抗氧化劑。

1.2 制備方法

采用熔融浸漬法［7］制備廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂材料，預(yù)先對(duì)PA6樹脂進(jìn)行真空干燥，連續(xù)碳纖維經(jīng)過預(yù)熱預(yù)分散后進(jìn)行熔融浸漬，然后加入PA6樹脂，采用三輥壓延機(jī)進(jìn)行壓延處理后進(jìn)行牽引、卷?。?］，得到纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料。

1.3 測(cè)試與表征

室溫拉伸性能測(cè)試采用INSTRON-5969型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試樣長度為250 mm、拉伸速率為5 mm/min，每組試樣6根，結(jié)果取其平均值；采用華為P40手機(jī)和JSM-6800型掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察；采用STA449C型同步熱分析儀進(jìn)行差示掃描量熱分析和熱失重分析［9］，保護(hù)氣為氮?dú)狻?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

圖1為纖維含量對(duì)廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響。

由圖1可知，當(dāng)纖維含量為0時(shí)，廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用材的拉伸強(qiáng)度為71 MPa；增加纖維含量，廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度減小至797 MPa。由此可見，碳纖維的添加可以增強(qiáng)廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，但是并不是纖維含量越高越好，在纖維含量為45%時(shí)復(fù)合材料可以取得最大的拉伸強(qiáng)度。這主要是因?yàn)樘祭w維加入后可以起到增強(qiáng)骨架作用，在一定含量添加范圍內(nèi)可以起到增強(qiáng)作用［10］，但是如果纖維含量過高，纖維難以被樹脂浸漬，造成部分纖維沒有被樹脂包覆且局部纖維會(huì)聚集而造成粘接性變差［11］，復(fù)合材料內(nèi)部缺陷增多，在承受外加載荷時(shí)復(fù)合材料會(huì)優(yōu)先從缺陷處萌生裂紋并造成拉伸強(qiáng)度降低。

圖2為廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料拉伸斷口的微觀形貌，纖維含量為45%。從拉伸斷口的微觀形貌中可見，纖維與樹脂發(fā)生了良好浸漬，纖維都發(fā)生了斷裂而未在斷面發(fā)現(xiàn)明顯缺陷；從纖維外表面形貌中可見，纖維外表面被樹脂所包覆，這與前述的宏觀斷口形貌觀察結(jié)果相吻合。

2.2 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能

圖3為廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析結(jié)果。

從圖3可見，添加纖維的復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量都高于PA6，表明纖維添加有助于提升復(fù)合材料抵抗變形的能力，但是在較高的溫度下復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量會(huì)降低，這主要與溫度升高時(shí)預(yù)浸料的儲(chǔ)能模量會(huì)有較大幅度下降有關(guān)［12］，且較高溫度范圍內(nèi)纖維含量為45%的復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量較高。

2.3 熱穩(wěn)定性

圖4為廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的TG和DTG曲線。

從圖4可以看出，纖維的添加會(huì)使得復(fù)合材料的初始降解溫度先減小后增大，后期分解溫度也呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，這主要是因?yàn)閺?fù)合材料中纖維自身具有良好的導(dǎo)熱作用，導(dǎo)熱性能會(huì)優(yōu)于PA6，且纖維含量為45%時(shí)復(fù)合材料具有最佳的導(dǎo)熱性能，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)纖維含量較高且浸漬較好，相應(yīng)具有良好導(dǎo)熱性有關(guān)［13］，而過多的顯微添加會(huì)使得復(fù)合材料出現(xiàn)不完全包覆狀態(tài)，纖維也會(huì)出現(xiàn)局部聚集而產(chǎn)生缺陷［14］，導(dǎo)熱性能會(huì)一定程降低。

圖5為廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的DSC曲線。

由圖5復(fù)合材料的DSC曲線碳纖維對(duì)比分析可知，不同纖維含量的廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的結(jié)晶峰溫度和初始結(jié)晶溫度都相較于PA6樹脂發(fā)生右偏移，這也說明纖維增加會(huì)一定程度上提高復(fù)合材料的結(jié)晶峰溫度和初始結(jié)晶溫度，且結(jié)晶峰寬有明顯降低。此外，廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的結(jié)晶峰溫度和初始結(jié)晶溫度會(huì)隨著纖維含量增加表現(xiàn)出相同趨勢(shì)，即先升高而減小，在纖維含量為45%時(shí)具有最大的結(jié)晶峰溫度和初始結(jié)晶溫度，這主要與此時(shí)纖維能與樹脂有效浸漬，不會(huì)產(chǎn)生局部纖維聚集和空隙等有關(guān)［15］。

3 結(jié)語

（1）廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著纖維含量逐漸增加而先增加后減小，在纖維含量為45%時(shí)取得最大值，約為986 MPa；繼續(xù)增加纖維含量至50%，廢鉛蓄電池存儲(chǔ)用碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度減小至797 MPa；

（2）添加纖維的復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量都高于PA6，但是在較高的溫度下復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量會(huì)降低；

（3）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能都優(yōu)于PA6，且纖維含量為45%時(shí)復(fù)合材料具有最佳的導(dǎo)熱性能；在纖維含量為45%時(shí)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有最大的結(jié)晶峰溫度和初始結(jié)晶溫度。

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