碳纤维增强PP/EVA复合材料力学性能研究

任庆龙 夏英 张锋锋 丛世杰 张桂霞

(大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连，116034)



碳纤维增强PP/EVA复合材料力学性能研究

任庆龙 夏英*张锋锋 丛世杰 张桂霞

(大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连，116034)

将碳纤维(C)与聚丙烯(PP)、乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)共混，制备了PP/EVA/C复合材料。研究了碳纤维用量以及偶联剂改性、酸刻蚀并偶联剂改性的碳纤维对PP/EVA复合材料力学性能、水接触角和断面微观形貌的影响。结果表明：碳纤维添加量为30份时，PP/EVA/C复合材料的力学性能较好；酸刻蚀并偶联剂改性的碳纤维(SSiC)增强效果优于单独偶联剂改性的碳纤维。与添加碳纤维30份的PP/EVA/C复合材料相比，PP/EVA/SSiC复合材料的拉伸强度、弯曲强度分别提高了6.26，7.20 MPa，但冲击强度略有降低。

碳纤维 增强 聚丙烯 乙烯-乙酸乙烯共聚物 力学性能

聚丙烯(PP)作为一种通用塑料，具有良好的物理和化学性能，其产品品种多、产量大、应用范围广。但因PP具有低温韧性差、尺寸收缩率大、耐老化性差、与其他极性聚合物和无机填料的相容性差等缺点[1]，限制了其作为结构材料和工程塑料的应用。乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)具有良好的弹性、柔性、相容性和黏结性。用EVA弹性体作为改性剂，能有效提高PP的冲击性能、断裂伸长率，且有明显的增韧效果[2]，将EVA加入PP共混体系，其成本低于其他弹性体或橡胶改性的PP。虽然EVA的加入改善了PP的韧性，但是某些力学强度也降低了。碳纤维具有很高的抗拉强度，其与树脂、金属、陶瓷等基体复合后形成的碳纤维复合材料，也具有较高的比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等一系列优良性质，在现代工业方面应用非常广泛[3]。

下面研究了碳纤维用量对PP/EVA复合材料力学性能的影响。同时，也探究了单独偶联剂改性和酸刻蚀并偶联剂改性的碳纤维对PP/EVA复合材料力学性能、断面微观结构和水接触角的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

PP，J340，盘锦华锦乙烯有限责任公司；EVA-18，VA质量分数18%，东莞市鸿君塑胶原料有限公司；碳纤维(C)，短切3 mm，海宁安捷复合材料有限责任公司；硅烷偶联剂，KH-550，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。电热干燥箱(202-00A)，天津市泰斯特仪器有限公司；双辊塑炼机，SK-160B，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；微机控制电子万能机(RGT-5)和液晶显示冲击试验机(RXJ-50)，均为深圳市瑞格尔仪器有限公司；扫描电镜(SEM)，JSM-6460LV，日本电子公司。接触角测定仪，JYSP-360，北京金盛鑫检测仪器有限公司。

1.2 试样制备

1.2.1 硅烷偶联剂改性碳纤维

按碳纤维用量的0.75%称取硅烷偶联剂KH-550，采用质量分数为25%的乙醇水溶液，配制成硅烷偶联剂的乙醇溶液。称取一定量干燥后的碳纤维，按5 g/ml加入到配好的硅烷偶联剂乙醇溶液中，在80 ℃下反应2 h，于110 ℃干燥8 h，得到硅烷偶联改性的碳纤维(记为SiC)。并在100 ℃的鼓风干燥箱中干燥8 h备用。

1.2.2 酸刻蚀并偶联剂联合改性碳纤维

配制浓度为1 mol/L的硫酸溶液，将碳纤维按5 g/mL加入到配好的硫酸溶液中，于80 ℃反应2 h，反应结束后抽滤，洗涤干燥。再采用一定含量的硅烷偶联剂KH-550溶液对酸处理后的碳纤维进行表面再处理，得到改性碳纤维(记为SSiC)，并在100 ℃的鼓风干燥箱中干燥8 h备用。

1.2.3 复合材料的制备

分别将未改性和改性的碳纤维与PP，EVA按照试验配方于(180±5) ℃双辊混炼机上混炼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。

1.3 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；冲击强度按 GB/T 1943—2007 测试。SEM测试试样经过液氮冷冻脆断后，断口表面进行喷金处理，再经不同的放大倍数进行断面形态分析。采用接触角测定仪测量所制备复合材料与水的接触角，测量3次并求其平均值。

2 结果与讨论

2.1 碳纤维用量对PP/EVA复合材料力学性能影响

表1是碳纤维用量对PP/EVA复合材料力学性能的影响。

表1 碳纤维用量对PP/EVA复合材料力学性能的影响

注：PP/EVA用量为70份，其中PP/EVA为4/1。

由表1可知，随着碳纤维用量的增加，PP/EVA/C复合材料的拉伸强度和弯曲强度都是先增后减，但均高于PP/EVA复合材料的。但随着碳纤维用量的增加，PP/EVA复合材料的冲击强度逐渐降低，尤其在碳纤维用量超过30份时，冲击韧性下降最为明显。因此，确定碳纤维用量为30份时较合适。以下试验中均为添加碳纤维30份(质量份)制备的复合材料。

2.2 改性碳纤维对PP/EVA复合材料力学性能影响

表2是改性碳纤维对PP/EVA复合材料力学性能的影响。

表2 改性碳纤维对PP/EVA复合材料力学性能影响

由表2数据可知，与PP/EVA/SiC相比，PP/EVA/SSiC的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均有提高。由此说明，经酸刻蚀改性碳纤维提高了PP/EVA复合材料的力学性能。

2.3 复合材料的断面微观结构分析

图1是复合材料断面微观结构。

图1 复合材料断面微观结构(×500)

由图1(a)可以看到，大量碳纤维裸露在断面上，且基体出现了较多孔洞，说明碳纤维在未经改性前与基体的相容性较差。图1(b)是PP/EVA/SiC的断面微观结构，与图1(a)相比孔洞结构减少，且大部分碳纤维表面有树脂包覆，与基体之间的相容性得到改善。图1(c)是经酸刻蚀并偶联剂改性碳纤维在PP/EVA复合材料中的分散状况，由此可以看出孔洞结构出现几率更小，碳纤维被包埋在树脂中，与基体间的黏结力增加，复合材料的力学强度得到提高，与上述力学性能结论一致。

2.4 复合材料水接触角分析

表3是复合材料的水接触角参数。

表3 复合材料的水接触角

由表3可知，添加碳纤维PP/EVA复合材料的水接触角均高于未添加碳纤维PP/EVA复合材料的。通过对比2种不同改性碳纤维的效果，发现其中经酸刻蚀并偶联剂改性碳纤维的效果较好。

3 结论

a) 添加碳纤维对PP/EVA复合材料有增强作用，当碳纤维添加量为30份时较合适。

b) 通过对比碳纤维经偶联剂改性、酸刻蚀并偶联剂改性2种效果，酸刻蚀并偶联剂改性碳纤维的增强效果优于单独偶联剂改性碳纤维的，PP/EVA/SSiC复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度分别为32.10 MPa,42.08 MPa,5.4 kJ/m2。

c) 与PP/EVA复合材料的水接触角相比，添加碳纤维PP/EVA复合材料的水接触角都有所增大，其中PP/EVA/SSiC复合材料的水接触角最大为105°。

[1] 郑水林. 粉体表面改性[M]. 北京: 中国建材工业出版社, 2004：60.

[2] RIVA A, CAMINO G, FOMPERIE L, et al. Fire retardant mechanisum in intumescent ethylene vinyl acetate compositions[J]. Polymer Degradation and Stability, 2003, 82: 341-346.

[3] 黎小平, 张小平, 王红伟, 等. 碳纤维的发展及应用现状[J]. 高科技纤维与应用, 2005, 30(5): 24-30.

Mechanical Properties of Carbon Fiber Reinforced PP/EVA Composite

Ren Qinglong Xia Ying Zhang Fengfeng Cong Shijie Zhang Guixia

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

The PP/EVA/C composite was prepared by blending the carbon fiber (C) with PP and EVA. The effects of the different amount of carbon fiber, carbon fiber modified by coupling agent, carbon fiber modified by both acid etching and coupling agent on the mechanical properties, water contact angle and the fracture surface microstructure of composites were investigated. The results show that when the amount of carbon fiber is 30 phr,the mechanical of PP/EVA/C composite is better. The reinforcement effect of the carbon fiber modified by both acid etching and coupling agent is better than that of the carbon fiber modified by coupling agent in the PP/EVA composites. Compared with the PP/EVA/C composites containing 30 phr carbon fiber, the tensile strength and flexural strength of the PP/EVA/SSiC composites increase respectively by 6.26 MPa and 7.20 MPa, however, the impact strength decreases slightly.

carbon fiber; reinforcement; polypropylene; ethylene-vinyl acetate copolymer; mechanical properties

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.05.003