PP／碳纤维纸夹芯“三明治”复合材料性能*

高军，姚晨光，李术，蒋超杰，李枭

（合肥杰事杰新材料股份有限公司，合肥 230601）



PP／碳纤维纸夹芯“三明治”复合材料性能*

高军，姚晨光，李术，蒋超杰，李枭

（合肥杰事杰新材料股份有限公司，合肥 230601）

摘要：以碳纤维纸（CFP）作为芯材，聚丙烯（PP）作为皮材，用平板硫化机热压制成PP–CFP–PP“三明治”式复合材料，并测试了复合材料的各项力学性能。结果表明，加入CFP后复合材料的力学性能总体上有所改善，针对不同PP基体、CFP对复合材料力学性能的改善方式有所不同，对基材本身强度／刚度小的复合材料增强／增刚效果明显，而对于基材本身强度／刚度大的复合材料，加入CFP后其断裂伸长率、无缺口冲击强度提高明显，同时复合材料的缺口冲击强度有所降低。

关键词：聚丙烯；碳纤维纸；夹芯；复合材料；力学性能

联系人：高军，工程师，硕士，主要从事高分子材料开发、应用及CAE研究

碳纤维（CF）是一种低密度、高强度、高模量和耐腐蚀性、导电性、传热性及阻燃性能良好的材料。近年来，CF以其优异的力学性能和电学性能已被广泛应用于航空、航天、核工业以及其它行业，其作为骨架与高分子材料共混而成的复合材料，具有质轻、高强度、高模量等优异的性能现已广泛用于汽车行业［1］。

碳纤维纸（CFP）是由碳纤维与其它纤维混合抄造而成，利用碳纤维优异的导电功能在导电、防静电、电磁波屏蔽等领域逐渐发挥巨大的优势［2］，利用其制备性能优异的防静电材料、电磁波屏蔽材料可应用于电子通信领域的防电磁辐射和抗电磁干扰等方面［3–5］，利用其优异的导电性可应用在新能源领域［5–7］。

但目前为止，研究人员还只是把CFP作为一种功能性的材料来研究，把CFP作为复合材料载体从而研究其对材料力学性能的影响目前还未涉足。笔者通过把聚丙烯（PP）跟CFP复合加工成PP／CFP夹芯“三明治”复合材料（PPCS），研究CFP对复合材料力学性能的影响，从而探索其新的应用领域。

1　实验部分

1.1主要原材料

PP：PPK7926，上海赛科石油化工有限责任公司；

PP粉：075，安徽天大（集团）股份有限公司；

增容剂：PP–G，广州合诚化学有限公司；

CFP：日本东丽公司，0.2 mm厚度，由含量25%的碳纤维［8］与植物纤维（漂白针叶木浆）混合抄造而成。

1.2仪器与设备

平板硫化机：0.25MN型，上海齐才液压机械有限公司；电子万能试验机：CMT4204型，深圳新三思材料检测有限公司；

简支梁冲击试验机：HIT5.5型，德国Zwick集团；

模具：A型300 mm×300 mm×2 mm、B型：300 mm×300 mm×4 mm，钢质凹形模具，自制。

1.3试样制备

考虑到PP是典型的非极性聚合物，而CFP主要成分是CF，如将两者直接共混熔融加工，非极性的PP跟CF之间相容性不好，两者结合界面的强度不高，不利于复合材料性能的提高。笔者选用PP–G是一种典型的用于PP的马来酸酐接枝增容剂，可使PP具有较高的极性和反应性，能提高PP与其它填料的相容性，从而提高复合材料的力学强度。

按照表1的配方，将95份PP、5份PP–G通过高速混合机混合均匀，将混合物放入A型模具内、放置于平板硫化机上加热，温度控制在210℃内，时间控制在3 min内，热熔融压力在3 MPa之内，制成2 mm厚度PP接枝复合物板。

表1　试验配方 份

*表示加入1张0.2 mm厚度的CFP。

将上述方法制成的一块2 mm厚PP接枝复合物板置于B型模具内，然后将1张300 mm×300 mm×0.2 mm的CFP平铺在PP接枝复合物板上，再把一块2 mm厚PP接枝复合物板平铺于CFP上，最后将模具放置于平板硫化机上加热，温度控制在210℃内，时间控制在3 min内，热熔融压力在3 MPa之内，制成4 mm厚度PPCS，其工艺流程如图1所示。PPCS的示意图如图2所示。

图1　试样的工艺流程图

1.4性能测试与表征

状态调节按照ISO 291–2008测试；

拉伸性能按照ISO 527–2012测试；

图2　PPCS示意图

弯曲性能按照ISO 178–2010测试；

冲击性能按照ISO 179–2010测试；

将制备好的4组试样按ISO标准尺寸裁成标准试样，在ISO 291–2008要求的环境下状态调节，每组5根试样，取平均值。

2　结果与讨论

2.1CFP对PPK7926力学性能的影响

表2是以PPK7926为基材的2#试样与1#试样的力学性能对比。由表2可看出，2#试样的拉伸强度比1#试样的提高了26.37%；2#试样比1#试样的弯曲强度提高了19.47%；2#试样的拉伸弹性模量比1#试样的提高了27.22%，2#试样的弯曲弹性模量比1#试样的提高了11.35%。

2#试样是以PPK7926为基材的PPK7926–PPCS，由于PP以PP–G做为增容剂，因此在PP与CF之间具备了一定界面强度，当PPCS受到外部载荷作用时，PP与CF界面将皮层PP产生的应力传递给CF，而CF正是应用了其本身高强度、高模量承受应力载荷的特点，使PP不能承载的负荷／能量分担到支撑的CF上［9–11］，同时，CFP中CF的网状交织状态使得CF上的应力被迅速扩散出去，所以其PP／CF复合材料的强度、模量提高。

表2　PPK7926，PPK7926–PPCS力学性能对比

由表2看出，2#试样的断裂伸长率变化不大，2#试样的缺口冲击强度比1#试样的下降了25.14%，无缺口冲击强度提高了8.57%。

PPK7926–PPCS的断裂伸长率与PPK7926相比变化不大，这说明整个复合材料的柔韧性并没有得到较大改善。复合材料受到外部载荷后产生响应，聚合物的分子链构象发生变化，如果分子链本身具备很好的柔性，那么材料宏观上就表现出较大的变形和延伸能力，即断裂伸长率较大。PPK7926的自身断裂伸长率并不大，通过与CFP复合，由于存在不同相、以及相与相之间的结合界面，并且CFP只是居于整个复合材料的中间位置，并没有均匀地分散到整个复合材料的内部，所以对复合材料整体柔韧性影响并不大。

PPK7926–PPCS复合材料较PPK7926的缺口冲击强度下降较多，这说明作为夹芯材料的CFP的平面抗张能力较弱，这一点也跟CFP的本身力学性能相符［3，12］。试样缺口的CFP暴露于外，受到外部载荷冲击［13］，由于CFP中CF跟CF之间没有较强的相互作用力、更多是依靠纤维之间有效分散后交织在一起［3–4，8，12，14–16］，所以很容易被撕裂，导致复合材料从CFP区域更容易出现破坏，从而降低了PP7926–PPCS的缺口冲击强度。

能量是作用力与距离的乘积，作为夹芯材料的CFP中纤维是呈网状交织在一起，当PPK7926–PPCS的无缺口试样在受冲击后变形，网状的CF会被拉伸、变形，断裂时断面向外延伸的形变增大，消耗的断裂能量多，反映出复合材料的韧性提高，最终PPK7926–PPCS复合材料的无缺口冲击强度提高。

由以上看出，以PPK7926为基材的PPK7926–PPCS复合材料的强度、刚度都得到较大的提高，而延伸性变化幅度不大，缺口冲击强度降低很多。

2.2CFP对PP粉075力学性能的影响

表3示出以PP粉075为基材的3#试样与4#试样力学性能的对比。由表3看出，4#试样的断裂伸长率比3#试样的提高达33.85%；4#试样的无缺口冲击强度比3#试样的提高了16.02%。

以PP粉075为基材的4#试样的断裂伸长率大幅度提高，从宏观角度看，当PP粉075–PPCS试样受到外部载荷作用发生变形时，作为夹芯材料的CFP有扩张、延伸、撕裂的行为，这些都都有助于复合材料的断裂伸长率的提高。从分子层面理解，材料受到外部载荷后产生响应，聚合物的分子链构象发生变化需要一个时间历程，分子链本身具备较好的柔性，会有充足的时间发生变化。经过PP–G接枝的PP跟CF有较好的两相界面结合能提高复合材料的断裂伸长率，而且PP粉075本身的断裂伸长率高于PPK7926，在受到外部载荷作用后能够比PPK7926有更多的时间发生分子链构象变化，最终使得4#试样的断裂伸长率有较大提高。

4#试样的无缺口冲击强度较3#试样的提高16.02%。这是因为PPCS中CF在材料受到冲击行为后被拉伸、变形，缓冲了外部载荷对复合材料的冲击，且基材PP粉075–PPCS其本身基材强度／刚度较高，即冲击行为中作用力较大，试样被破坏消耗更多的能量，所以反映出无缺口冲击强度提高得比以PPK7926为基材的PPK7926–PPCS提高得更多。

表3　PP粉075，PP粉075–PPCS力学性能的对比

由表3看出，4#试样的拉伸强度、拉伸弹性模量、弯曲强度、弯曲弹性模量变化不大，其中4#试样的拉伸弹性模量较3#试样的提高11.29%。

由以上看出，对基材本身强度／刚度较小的2#试样，CFP在复合材料中的CF承担更多的力学载荷，作用更显著，从而使PPK7926–PPCS复合材料的强度、模量有较显著的提高。相对于对基材本身强度／刚度较大的4#试样即PP粉075–PPCS复合材料，尽管也提高了复合材料的强度，但是由于PP 粉075自身也有较大强度，所以分担给CF的载荷并不多，故整体复合材料的强度、模量提高幅度较小。

PP粉075为基材的4#试样的缺口冲击强度变化与以PPK7926为基材的2#试样一样，都是比基材降低，这说明PPCS对缺口的确较为敏感，不同之处是降低幅度没有2#试样大。分析其原因是经过PP–G接枝的PP粉075跟CF有较好的界面粘合能力，PP粉075冲击行为中作用力较大，尽管也容易从CFP区域出现破坏，但是与PPK7926相比需要被破坏时消耗更多的能量，所以才导致缺口冲击强度比2#试样的下降幅度少一些。

3　结论

无论是PPK7926、还是PP粉075为基材的PPCS复合材料的力学性能均有变化，总体趋势是有所改善。

（1）对基材本身强度／刚度小的PPK7926比PP粉075，其PPCS的增强／增刚效果明显；

（2）对基材本身强度／刚度大的PP粉075比PPK7926，其PPCS的断裂伸长率、无缺口冲击强度提高明显；

（3） 加入PPCS后复合材料的缺口冲击强度有所降低，其中以PP粉075为基材的降低幅度小于以PPK7926为基材的。

参 考 文 献

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Properties of PP／Carbon Fiber Paper Sandwich Composites

Gao Jun， Yao Chenguang， Li Shu， Jiang Chaojie， Li Xiao
（Hefei Genius Advanced Material Co. Ltd.， Hefei 230601， China）

Abstract：Applying plate vulcanization machine，PP／carbon fiber paper sandwich composites were prepared through hot pressing，the core material was made of carbon fiber paper，and PP was used to be as wall material. The mechanical properties of the composites were tested. The results show that the mechanical properties are improved in different manner because of different PP matrix. The strength／stiffness of composites which are made of low strength／stiffness matrix is improved obviously. The elongation at break and unnotched charpy impact of composites which are made of high strength／stiffness matrix are improved obviously， but the charpy notched impact strength of composites is reduced.

Keywords：polypropylene； carbon fiber paper； sandwich；composite； mechanical property

中图分类号：TQ327.3

文献标识码：A

文章编号：1001-3539（2016）05-0023-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.006

收稿日期：2016-02-17

*国家科技支撑项目（2013BAE02B00）