碳纤维/聚丙烯复合材料的制备及性能研究

苏镜宇，刘艳辉，毛思宇，荣景颂

（沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110168）

碳纤维/聚丙烯复合材料的制备及性能研究

苏镜宇，刘艳辉*，毛思宇，荣景颂

（沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110168）

为了提高聚丙烯（PP）材料的拉伸性能、摩擦性能等力学性能，采用液相氧化的方法将碳纤维（CF）预处理，并将预处理后的碳纤维填充到聚丙烯中，制备CF/PP复合材料，研究其对聚丙烯材料的力学性能和摩擦性能的影响。实验结果表明：CF/PP复合材料的拉伸性能较PP材料提高、冲击性能降低、材料摩擦系数降低，在一定范围内，材料的拉伸强度与碳纤维的含量基本成正比，但当CF含量超过7.5g时纤维的增强效果变得缓慢。随着CF含量的增加CF/PP复合材料的抗冲击性能、摩擦系数明显下降。

聚丙烯；碳纤维；复合材料；力学性能

前言

聚丙烯是一种重要的热塑性塑料，产品具有密度小（0.89～0.91g/cm3）、生产成本低、化学稳定性好、并有一定机械强度等特点。它的生产和发展十分迅速[1],但是聚丙烯存在着低温脆性突出、自身摩擦系数大、磨损率高的致命弱点，在很大程度上制约了其在某些工程领域的进一步推广与应用。

在纤维增强PP方面，目前国内外应用最多的是玻璃纤维增强PP（GFRPP），然而和玻璃纤维相比，碳纤维具有更高的优越性[2]。由于碳纤维主要由碳组成，与聚丙烯有相似的结构，尺寸在同一数量级上，可以与聚丙烯复合，实现原材料的优势互补或加强，制备高性能的耐磨复合材料。

未经处理的碳纤维，表面光滑、比表面积小、表面活性低，用于与树脂复合时，与基体树脂的粘接性较差[3],复合材料受力时,易造成纤维被拉出,负荷不能被传递,材料形成剪切破坏[4]。采用液相氧化碳纤维表面预处理的方法,在填充碳纤维的条件下制备碳纤维/聚丙烯复合材料，研究了其拉伸性能、冲击性能、以及摩擦磨损性能。

1 实验部分

1.1 主要原材料

聚丙烯，分析纯，大庆化工试剂有限公司。马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MA）、硫酸（H2SO4）、硝酸（HNO3）、氢氧化钠（NaOH），均为分析纯，国药集团化工试剂有限公司。

1.2 碳纤维的表面处理

对碳纤维进行表面处理的主要目的不是为了提高碳纤维本身的拉伸强度，而是为了改善碳纤维与基体树脂的黏合性能，使碳纤维与基体树脂之间的粘结强度提高，从而碳纤维的复合材料机械强度有所提高。

本实验采取的是碳纤维液相氧化预处理，具体方法是：将初始的碳纤维加入装有混酸溶液的三口瓶中（硫酸∶硝酸=3∶1，体积比），加入比例为40mL酸液/g碳纤维。搅拌回流30min，然后加热到90℃，再回流3h后冷却，加入NaOH溶液中和酸，然后用蒸馏水清洗，直至滤液为中性，过滤时用玻纤漏斗。将处理好的碳纤维放入真空干燥箱中干燥，干燥温度为280℃，时间为5h。

1.3 复合材料的制备

将经表面处理的碳纤维（分别为2.5、5、7.5和10 g），40gPP和4gPP-g-MA混合物放入转矩流变仪的混料系统中混料，混合混度为175℃，在20rpm条件下混料20min。将混合好的物料放入模具中，应用平板硫化机，于185℃条件下压制成型。

1.4 测试与表征

（1）对改性前后的CF采用溴化钾压片法，应用美国Thermo Nicolet-380型傅立叶变换红外光谱仪测定红外光谱。

（2）拉伸试验采用深圳瑞格尔仪器公司的RT-10型万能试验机，执行GB/T528-2009标准，拉伸速度为500mm/min。冲击性能采用承德试验机责任有限公司生产的XJU—22型冲击试验机测试。

（3）摩擦采用MMW-1A组态控制万能摩擦磨损试验机。摩擦力为80N，转速为80r/min的止推圈，其直径为30mm，测试时间为40mins。磨损量即为摩擦前后试样的质量差。

（4）形貌观察应用蔡司光学仪器贸易有限公司的Axiovert200MAT型倒置金相显微镜观察。

2 实验结果与讨论

2.1 碳纤维和预处理后碳纤维的傅立叶变换红外光谱（FTIR）

使用美国Thermo Nicolet-380型傅立叶变换红外光谱仪对表面处理前后的碳纤维进行分析，得到对比分析图1，由图1可以分析出：在3400cm-1、1650cm-1、1380cm-1三处有三个较强的吸收峰，其中在3400cm-1处为羟基（-OH）的伸缩振动特征峰，可知预处理后的碳纤维吸光度比处理前的碳纤维吸光度增加，通过分析可知经过表面预处理后的碳纤维羟基官能团的含量增加，从而能改善碳纤维与基体树脂之间的界面粘结，充分发挥增强纤维的高强度高模量的特性，可以提高复合材料的力学性能。

图1 碳纤维和预处理后碳纤维的红外分析Fig.1 The Infrared analysis of the carbon fibers and pretreated carbon fibers

2.2 CF/PP复合材料的拉伸性能

CF量为2.5、5、7.5和10g时，制备的碳纤维/聚丙烯复合材料的拉伸强度如图2，由图2可以看出：CF/PP复合材料的拉伸强度随着碳纤维的加入量增加而增大，基本成正比提高，当CF含量超过7.5g时纤维的增强效果变得缓慢。这是由于对碳纤维进行了表面处理后，可以提高纤维和基体树脂的界面粘结强度，增强材料力学性能，但当纤维加入量继续增大时，纤维在复合材料中的体积增加，使树脂难以湿润纤维，基体与纤维的界面粘结性能变差，缺陷增多，导致复合材料的抗拉性能增加不明显，甚至会降低复合材料的力学性能[5]。

图2 碳纤维的含量对复合材料的拉伸强度的影响Fig.2 The effects of the content of carbon fiber on the tensile strength of the composite material

2.3 CF/PP复合材料的冲击性能

CF量为2.5、5、7.5和10g时，制备的碳纤维/聚丙烯复合材料的冲击强度如图3，由图3可以看出：加入碳纤维的复合材料抗冲击强度均有所下降，且碳纤维含量越高，抗冲击强度越小。因为在CF/PP复合材料中，加入的CF是以一定长度存在于复合材料中，由于其本身不具有流动性，当复合材料熔体流动时，使纤维相互摩擦缠绕在一起，妨碍了材料流体的流动，从而导致复合材料的流动性下降[6]，进而影响材料的冲击性能。

图3 碳纤维的含量对复合材料的抗冲击强度的影响Fig.3 The effect of the content of carbon fiber on the impact strength of the composite material

2.4 CF/PP复合材料的摩擦性能

CF量为2.5、5、7.5和10g时，制备的碳纤维/聚丙烯复合材料的摩擦性能如图4。如图4所示：随着碳纤维含量的增加，复合材料摩擦系数显著降低，当CF量为7.5g时，复合材料的摩擦系数仅为0.593，而不加CF时，聚丙烯的摩擦系数为0.950。

图4 碳纤维的含量对复合材料的摩擦系数的影响Fig.4 The effect of the content of carbon fiber on the friction coefficient of the composite material

由图5可以看到，CF较均匀地分布在磨损面上，并且绝大多数与磨损面平行，而没有断裂或被拉出。另外，可以看出在磨损面上的CF比复合材料本体中的大，说明经过摩擦，CF在磨损面上发生了富集，这一方面说明CF具有优异的耐磨性，另一方面也说明了CF与PP基体具有较强的相互作用。

图5 碳纤维/聚丙烯复合材料摩擦后表面形貌Fig.5 The surface morphology of the CF/PP composite after friction

3 结论

（1）加入碳纤维的聚丙烯/碳纤维复合材料的拉伸强度明显升高，并且在一定范围内碳纤维的含量越高，拉伸强度越大，材料的拉伸强度与碳纤维的含量基本成正比，但当CF含量超过7.5g时纤维的增强效果变得缓慢。

（2）加入碳纤维的聚丙烯/碳纤维复合材料抗冲击强度均有所下降，且碳纤维含量越高，抗冲击强度越小。

（3）加入碳纤维的聚丙烯/碳纤维复合材料的摩擦磨损明显降低，并且在一定范围内，随着碳纤维含量的升高，复合材料摩擦磨损逐渐降低，复合材料的摩擦系数显著减小，复合材料的摩擦性能提高。当碳纤维含量为7.5g时，摩擦系数减小为0.593。

［1］ 倪朝辉，张军，苏广均．碳纤维／聚丙烯复合材料的注塑成型及性能研究［J］．广东化工，2012，39（17）：6～27．

［2］ 刘雄亚，欧阳恩国．透光复合材料、碳纤维复合材料及其应用［M］．北京：化学工业出版社，2006:242．

［3］ 贺福．碳纤维及其应用技术［M］．北京：化学工业出版社，2004: 202．

［4］ 王茂章．碳纤维的制造性质及其应用［M］．北京：科学出版社，1984:116～215．

［5］ 陶国良，蒋必彪．碳纤维/聚丙烯复合材料的研究［J］．江苏石油化工学院学报，1999，11（3）：9～12．

［6］ SHELDEN R P．聚合物复合材料［M］．北京：轻工出版社，1987: 56～89．

Study on the Preparation and Properties of Carbon Fiber/Polypropylene Composites

SU Jing-yu,LIU Yan-hui,MAO Si-yu and RONG Jing-song
（College of Material Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110168,China）

In order to improve the mechanic performances of the polypropylene material,such as tensile properties and friction performance,the method of liquid-phase oxidation pretreatment is adopted to pretreat the carbon fiber（CF）and the pretreated carbon fiber is filled into the polypropylene to prepare CF/PP composite materials,and its effect on the mechanical and friction properties of the polypropylene material are studied.The experimental results show that the tensile properties of the CF/PP composite is enhanced compared with the polypropylene and its impact properties and friction coefficient declines.Within a certain range,the tensile strength of the material is substantially in direct proportion to the content of carbon fiber.However when the CF content exceeds 7.5g,the fiber reinforcement effect becomes slow.With the increase of carbon fiber content,the impact resistance and friction coefficient of the CF/PP composite materials declines sharply.

Polypropylene;carbon fiber;composite materials;mechanical properties

TQ325.14

A

1001-0017（2015）05-0349-03

2015-05-07

苏镜宇，（1992-），女，河北衡水人，在读硕士研究生，主要从事功能高分子材料制备方面的研究。

*通讯联系人