玄武岩/碳纤维增强PP/EVA复合材料性能的研究

任庆龙 夏英 张锋锋 张馨月 张桂霞

(大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连，116034)

玄武岩/碳纤维增强PP/EVA复合材料性能的研究

任庆龙 夏英*张锋锋 张馨月 张桂霞

(大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连，116034)

采用双辊开炼机将玄武岩纤维(X)、碳纤维(C)与聚丙烯(PP)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)进行熔融共混，制备了PP/EVA/X/C复合材料。研究了X与C复配比例对PP/EVA复合材料力学性能的影响，并探讨了优化后的复配比例对PP/EVA复合材料加工性能、热性能的影响以及复合材料的微观结构情况。结果表明：当X与C质量比为1∶3时，PP/EVA/X/C复合材料的综合力学性能较好。与PP/EVA复合材料相比，改性玄武岩纤维(SSiX)和碳纤维(SSiC)增强PP/EVA复合材料的拉伸强度提高了15.73 MPa，弯曲强度提高了30.36 MPa，但冲击强度有所下降。同时，与PP/EVA/X/C复合材料相比，PP/EVA/SSiX/SSiC复合材料的加工性能得到改善，热稳定性也得到了提高。

玄武岩纤维 碳纤维 复合材料 性能

为了提高聚丙烯(PP)的韧性，通常将PP与橡胶弹性体共混，其中PP/三元乙丙橡胶(EPDM)、PP/乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)等共混物已得到广泛应用[1]。但这种改性材料在韧性大幅度提高的同时，其刚性损失很大。因此为了改善PP/EVA复合材料的力学强度，使用绿色环保纤维增强PP/EVA复合材料具有一定的现实意义。

玄武岩纤维(X)是一种典型的硅酸盐纤维。具有原料来源广、成本低、抗拉强度高、耐高温、耐腐蚀、透波性能优异等性能，除此之外，玄武岩纤维还具有绿色无污染的特性[2-4]。碳纤维是一种含碳量高的无机高分子纤维，兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，是一种力学性能优异的新材料。

下面采用双辊开炼机将X、碳纤维(C)与PP，EVA进行熔融共混，制备了PP/EVA/X/C复合材料。研究了X与C复配对PP/EVA复合材料力学性能的影响。

1 试验部分

1.1 原料

PP，J340，盘锦华锦乙烯有限责任公司；EVA，EVA-18，乙酸乙烯酯质量分数18%，东莞市鸿君塑胶原料有限公司；X和C，短切3 mm，海宁安捷复合材料有限责任公司；NaOH，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；硅烷偶联剂，KH550，南京道宁化工有限公司；无水乙醇，优级纯，天津市光复科技发展有限公司；浓硫酸，天津市瑞金特化学品有限公司；甲酸，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司。

1.2 设备

电热干燥箱(202-00A)及高速万能粉碎机(FW100)，天津市泰斯特仪器有限公司；双辊开炼机，SK-160B 160×320 mm，上海思南橡胶机械有限公司；平板硫化机，QLB-50D/Q，江苏无锡市中凯橡塑机械有限公司；万能制样机，HY-W，河北省承德试验机厂；微机控制电子万能机，RGT-5，深圳市瑞格尔仪器有限公司；液晶显示冲击试验机，RXJ-50，深圳市瑞格尔仪器有限公司；熔融指数仪，XRZ-400，吉林大学仪器厂；热失重仪(TGA)，Q50，美国TA仪器；扫描电镜(SEM)，JSM-6460 LV，日本电子公司。

1.3 试样制备

1.3.1 纤维处理

配制浓度为1 mol/L的硫酸溶液，将5 g 的X加到配好的1 mL硫酸溶液中，于80 ℃反应2 h，反应结束后抽滤，洗涤干燥。再采用一定质量分数的KH550溶液对酸处理后的X按比例进行表面处理，得到改性玄武岩纤维(SSiX)，并在100 ℃的鼓风干燥箱中干燥8 h备用。处理C方法同上，得到改性碳纤维记为SSiC。

1.3.2 复合材料的制备

将X，C与PP，EVA按比例(其中纤维总用量为30份，PP用量为56份，EVA用量为14份)于(180±5) ℃双辊开炼机上混炼8 min，混炼均匀后下片，在温度为(178±3) ℃、压力为15 MPa平板硫化机上热压5 min，热压完成后再冷压20 min得到样板，裁成标准样以备测试。

1.4 性能测试

拉伸强度按GB/T 6344—2008 测试，拉伸速率为50 mm/min；弯曲强度按GB/T 9341—2008 测试，弯曲速率为2 mm/min；悬臂梁缺口冲击强度按 GB/T 1943—2007 测试。熔体流动速率测试按照GB/T 3682—2008标准，测试温度230 ℃，负载2.16 kg；热失重分析在氮气保护下，氮气流速为60 mL/min，其升温速度为10 ℃/min，温度为25～550 ℃。SEM测试按GB/T 16594—2008标准，试样经过液氮冷冻脆断进行喷金处理后测试。

2 结果与讨论

2.1 未改性纤维对PP/EVA力学性能的影响

表1为X和C两种纤维比例对PP/EVA复合材料力学性能的影响。

表1 未改性纤维对PP/EVA复合材料力学性能的影响

从表1可以看出，X和C质量比由1∶1变化至1∶3时，PP/EVA/X/C复合材料的拉伸强度和弯曲强度呈增大趋势，但当X和C质量比为1∶4时，PP/EVA/X/C复合材料的拉伸、弯曲强度和冲击强度开始下降。当复配纤维中X与C质量比例由2∶1增至4∶1时，PP/EVA/X/C复合材料的拉伸和弯曲强度明显下降，由此说明，在该复配纤维体系中，加大C比例有利于复合材料拉伸强度和弯曲强度的提高。另外从表1还可以看出，X与C比例由1∶1变化至1∶3时，复合材料冲击强度由6.43 kJ/m2增至7.40 kJ/m2，C含量继续增加，复合材料的冲击强度明显下降；X与C质量比由2∶1变化至4∶1时，冲击强度由8.04 kJ/m2降至5.85 kJ/m2。综合考虑，X和C复配质量比为1∶3时，PP/EVA/X/C复合材料的力学性能较佳。

2.2 改性纤维对PP/EVA力学性能的影响

表2为改性纤维复配对PP/EVA复合材料力学性能的影响。

表2 改性纤维复配对PP/EVA复合材料力学性能的影响

从表2可以看出，X和C复配对PP/EVA复合材料起到了增强作用，其中改性纤维复配对PP/EVA复合材料的增强效果最为突出，拉伸强度和弯曲强度较PP/EVA复合材料分别提高了15.73，30.36 MPa，冲击强度较PP/EVA/X/C复合材料也提高了2.70 kJ/m2。这不仅因为改性纤维的表面易于同基体PP/EVA相容，增加了界面黏结力，还由于与未改性纤维相比，两种改性纤维交错互织能形成有效的二维网状结构，这有利于缓解局部应力，因此SSiX/SSiC/PP/EVA复合材料的综合力学性能明显提高。

2.3 改性纤维对PP/EVA熔体流动速率的影响

经测试PP,PP/EVA,PP/EVA/X/C,PP/EVA/SSiX/SSiC熔体流动速率分别为1.16，3.04，2.01，3.25 g/10min。

其中PP/EVA/SSiX/SSiC复合材料的加工流动性较好。这是因为未改性的X和C表面极性较强，与基体树脂相容性较差，因此与PP/EVA复合材料相比，流动性有所降低。而改性的纤维与基体树脂的相容性变得较好，因此C在树脂中的取向更佳明显，材料熔体流动速率加快。

2.4 PP/EVA的微观结构分析

图1为纤维复配增强PP/EVA复合材料的微观结构。

从图1(a)可以看出，PP/EVA/X/C复合材料的断面上有较多纤维裸露在外面，并且纤维表面光滑，孔洞和沟壑结构较多。部分纤维团聚在一处，说明未改性复配纤维在基体中的分散性较差。从图1(b)可以看出，纤维在基体中分散均匀，且纤维从基体中拔出的孔洞和沟壑结构减少，纤维完全被树脂包裹，已看不到图1(a)中光滑的纤维表面。这是由于复配纤维均经酸刻蚀并偶联处理后，纤维表面变得粗糙，增加了其与树脂基体之间的相容性，这有利于与树脂基体之间的界面结合，从而复合材料的力学强度得到提高。

图1 纤维复配增强PP/EVA复合材料的微观结构

2.5 改性纤维复配对PP/EVA热性能的影响

图2为复合材料的热失重曲线，图3为复合材料的DTG曲线。

图2 复合材料的热失重曲线

由图2、图3可知，纤维复配增强PP/EVA复合材料的初始分解温度均低于未添加纤维的PP/EVA复合材料。这可能因为复配纤维中存在易于降解的低聚物或纤维表面物理吸附水的挥发。

图3 复合材料的DTG曲线

从图2、图3还可以看出，改性纤维复配增强的PP/EVA复合材料质量损失50%时对应的温度(Td50%)高于未添加纤维的复合材料的；另外，在该升温速率下，复配纤维增强的PP/EVA复合材料的最大分解速率有所降低。因此，当加入改性复配纤维增强PP/EVA复合材料时，复合材料的热稳定性有所增强。

3 结论

a) X和C复配对PP/EVA复合材料有增强

作用，当未改性X与C质量比为1∶3时，PP/EVA/X/C复合材料的综合力学性能较佳。

b) 与PP/EVA复合材料相比，改性纤维复配对PP/EVA复合材料的增强效果更为突出。SSiX/SSiC/PP/EVA复合材料的拉伸强度和弯曲强度提高了15.73，30.36 MPa，但冲击强度有所下降。

c) PP/EVA/SSiX/SSiC复合材料的熔体流动速率为3.25 g/10min，改性纤维复配增强PP/EVA复合材料的加工流动性得到了改善。

c) 复配纤维增强PP/EVA复合材料的Td50%均高于未添加纤维PP/EVA复合材料的，其热稳定性有所提高。

[1] 宣兆龙，易建政，杜仕国. 聚丙烯的共混改性研究[J]. 塑料科技，1999，(6)：17-20.

[2] 宋秋霞，刘华武，钟智丽，等. 硅烷偶联剂处理对玄武岩单丝拉伸性能的影响[J]. 天津工业大学学报，2010, 29(1):19-22.

[3] 郭宗福，钟智丽. 玄武岩纤维/聚丙烯热塑板拉伸性能的研究[J].玻璃纤维，2012,(2):34-38.

[4] 吴佳林. 连续玄武岩纤维的研究进展及应用[J].化纤与纺织技术，2012,41(3):38-41.

Properties of Basalt and Carbon Fibers Reinforced PP/EVA Composites

Ren Qinglong Xia Ying Zhang Fengfeng Zhang Xinyue Zhang Guixia

(School of Textile and Material Engineering,Dalian Polytechnic University, Dalian，Liaoning,116034)

The PP/EVA/X/C composite was prepared with the basalt (X) fiber, carbon fiber (C), PP and EVA by blending in a double roller mixer. The effect of the proportion of these two kinds of fibers on the mechanical properties of PP/EVA composite was investigated. Meanwhile, the processability, thermal properties and morphology structure of the composite were also analyzed. The results showed that when the proportion of X and C was 1:3, the comprehensive mechanical properties of PP/EVA/X/C composite was better. Compared with the PP/EVA composite, the tensile strength and flexural strength of the modified basalt (SSiX) and carbon (SSiC) fibers reinforced PP/EVA composite increased by 15.73 MPa and 30.36 MPa respectively, but its impact strength declined. In addition, the processability and thermal stability of PP/EVA/SSiX/SSiC composite were improved compared to PP/EVA/X/C composite.

basalt fiber; carbon fiber; composite; properties

2016-06-15;修改稿收到日期:2016-10-15。

任庆龙,男,硕士研究生,主要从事高分子材料加工和改性以及功能复合材料的研究。

*通信联系人,E-mail:xiaying961@163.com。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.06.005