芦苇/碳纤维增强PP/EVA复合材料的制备及性能研究

丛世杰，任庆龙，夏 英，张锋锋，张馨月

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

芦苇/碳纤维增强PP/EVA复合材料的制备及性能研究

丛世杰，任庆龙，夏 英*，张锋锋，张馨月

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

采用双辊开炼机将芦苇纤维(LF)、碳纤维(CF)与聚丙烯(PP)、聚醋酸乙烯酯(EVA)进行熔融共混，制备了PP/EVA/LF/CF复合材料，以及LF经碱处理、CF经硫酸/硅烷偶联剂处理后，制备了PP/EVA/改性芦苇纤维(ALF)/改性碳纤维(SSiCF)复合材料，研究了2种纤维复配质量比对复合材料力学性能的影响，探讨了复配改性纤维对复合材料接触角、热稳定性的影响。结果表明：当LF与CF复配质量比为1:5时，PP/EVA/LF/CF复合材料的综合力学性能较好；与PP/EVA复合材料相比，ALF与SSiCF复配质量比为1:5时， PP/EVA/ALF/SSiCF的拉伸强度提高了11.13 MPa，弯曲强度提高了16.31MPa，冲击强度降低；PP/EVA/ALF/SSiCF复合材料较PP/EVA复合材料的表面亲水接触角提高了7°，残炭率由0增加至23.1%，热稳定性明显提高。

聚丙烯 聚醋酸乙烯酯 芦苇纤维 碳纤维 复合材料 接触角 热稳定性

聚丙烯(PP)具有良好的物理和化学性能，且价格低廉，但因其具有低温韧性差、尺寸收缩率大、不耐老化等缺点[1-2]，限制了其在结构材料和工程塑料方面的应用。近十年以来，由天然植物纤维增塑热塑性树脂制备的复合材料一直倍受关注[3]。芦苇纤维(LF)作为一种天然植物纤维，价格便宜、生长周期比较短、来源广泛，是一种生物可降解性的材料，因此它有望成为未来增强复合材料的一种新型材料[4-5]，但是LF增强复合材料存在耐热性差的弊端。碳纤维(CF)作为一种高性能无机纤维，具有密度小，强度高、耐热性较好的优势，在航空、航天、建筑等领域应用极其广泛[6]，目前，CF及其复合材料已经成为我国新材料行业的领军产品[7]。但由于CF本身的表面性质，用其增强的复合材料较难呈现良好的力学性能。为此，作者采用机械共混的方法，研究了LF与CF的复配质量比对PP/聚醋酸乙烯酯(EVA)复合材料力学性能的影响，探讨了改性纤维对PP/EVA复合材料表面亲水接触角、热稳定性的影响，以期通过天然有机纤维与无机纤维优势互补，达到增强PP/EVA复合材料的目的。

1 实验

1.1 原料

PP：牌号J340，盘锦华锦乙烯有限责任公司产；EVA：醋酸乙烯质量分数18%，东莞市鸿君塑胶原料有限公司产；CF：海宁安捷复合材料有限责任公司产；芦苇板：由大连工业大学轻工与化工学院提供；硅烷偶联剂KH-550：南京道宁化工有限公司产；无水乙醇：优级纯，天津市光复科技发展有限公司产；浓硫酸(H2SO4)：天津市瑞金特化学品有限公司产；甲酸、氢氧化钠(NaOH)：分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司产。

1.2 设备

SK-160B双辊塑炼机：160 mm×320 mm，上海思南橡胶机械有限公司制；202- 00A电热干燥箱，FW100高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司制；QLB-50D/Q平板硫化机：江苏无锡市中凯橡塑机械有限公司制；HY-W万能制样机：河北省承德试验机厂制；RGT-5型微机控制电子万能机、RXJ-50型液晶显示冲击试验机：深圳市瑞格尔仪器有限公司制；JYSP-360型接触角测定仪：北京金盛鑫检测仪器有限公司制；Q50型热失重分析仪：美国TA仪器公司制。

1.3 试样制备

1.3.1 LF碱处理

配制一定质量浓度的NaOH溶液，将LF按照0.2 g/mL加入到NaOH溶液中，在一定温度下处理一定时间，处理完成后抽滤，再采用甲酸溶液(质量分数为3%)洗除残留NaOH，然后用去离子水洗涤3次，得到碱处理芦苇纤维(ALF)，并在100 ℃的鼓风干燥箱中干燥12 h备用。

1.3.2 H2SO4和KH-550联合处理CF

配制浓度为1 mol/L的硫酸溶液，将CF按5 g/mL加入配好的硫酸溶液中，于80 ℃反应2 h，反应结束后抽滤，洗涤干燥。再采用一定质量分数的KH-550溶液对酸处理后的CF进行表面处理，得到改性碳纤维(SSiCF)，并在100 ℃的鼓风干燥箱中干燥12 h备用。

1.3.3 复合材料的制备

将LF，CF与PP，EVA按一定质量比(纤维:PP:EVA为15:28:7)混合，于(180±5)℃双辊混炼机上混炼5～8 min，混炼均匀后下片，在温度为(178±3)℃、压力为15 MPa的平板硫化机上热压300 s，热压完成后再冷压20 min得到样板，再静置24 h后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。

接触角：采用JYSP-360型接触角测定仪测量所制备的复合材料与水的接触角，测量3次并取平均值。

热重(TG)分析：采用Q50型热失重分析仪测试复合材料在氮气气氛下的热稳定性能。测试条件为氮气流速60 mL/min，升温速率15 ℃/min，试样质量5～10 mg，温度30～550 ℃。

2 结果与讨论

2.1 LF与CF复配质量比

从表1可以看出：当LF与CF的复配质量比由1:1变化至1:5时，随CF复配比例的增加，PP/EVA/LF/CF复合材料的弯曲强度逐渐增加；当LF与CF的复配质量比为1:5时，PP/EVA/LF/CF复合材料的拉伸强度和弯曲强度均达到最大值，而冲击强度呈先增后降的变化趋势；当LF与CF的复配质量比由2:1变化至5:1时，随LF复配比例的增加，复合材料的拉伸强度和弯曲强度明显减弱，而且冲击强度也降低。因此综合考虑复合材料的力学性能，选择适宜的LF与CF纤维的复配质量比为1:5。

表1 LF与CF复配质量比对PP/EVA

2.2 ALF/SSiCF复配质量比

从表2可以看出，LF和CF复配对PP/EVA复合材料有明显的增强作用，其中ALF和SSiCF复配对PP/EVA复合材料的增强效果最为明显，其拉伸强度较PP/EVA/LF/CF复合材料提高了11.13 MPa，弯曲强度提高了16.31 MPa。这主要是因为经过改性的LF和CF表面羟基减弱，表面极性降低，增加了其与基体PP/EVA之间的相容性，有利于与基体树脂产生界面粘结，从而使复合材料的力学性能得到提高。

表2 纤维复配质量比对PP/EVA复合材料力学性能的影响

2.3 复合材料的表面亲水接触角

由表3可知：与PP/EVA复合材料相比，PP/EVA/LF/CF复合材料的接触角减小了7°，说明此时复合材料表面为亲水表面，这是因为复合材料中添加的LF吸水性较强，且LF与基体之间的相容性差，粘结力弱，从而导致PP/EVA/LF/CF复合材料表面的亲水接触角变小；PP/EVA/ALF/ SSiCF复合材料的表面亲水接触角较PP/EVA复合材料提高了7°，说明LF，CF表面改性复配后有利于基体与纤维之间的相容，这是由于改性后的纤维表面变得粗糙，极性降低，表面吸水性变得较弱，其与基体树脂之间的相容性得到了改善，从而使得复合材料的亲水接触角变大。

表3 复合材料的表面亲水接触角

2.4 复合材料的热稳定性能

由图1及表4可知，复配纤维增强PP/EVA复合材料在失重率为5%时的分解温度(Td5%)均低于PP/EVA复合材料。

图1 复合材料的TG曲线Fig.1 TG curves of composites1—PP/EVA/ALF/SSiCF；2—PP/EVA/LF/CF；3—PP/EVA

这主要因为复配纤维中存在易于降解的LF及纤维表面物理吸附水的挥发造成的；复配纤维增强PP/EVA复合材料在失重率为50%时的分解温度(Td50%)，失重率为100%时的分解温度(Tmax)均高于PP/EVA复合材料；改性复配纤维增强PP/EVA复合材料的Td5%，Td50%高于PP/EVA/LF/CF复合材料，这是因为改性后的纤维与树脂基体的粘附力增强，界面结合性增强，纤维虽然经过高温降解为碳化物，但与树脂基体的结合性依旧存在，其结合性越好，对树脂基体的分子链运动阻碍性越强，分子链运动所需的能量也就越高，因此提高了复合材料所对应的热分解温度；添加改性复配纤维后，PP/EVA复合材料的残炭率由0增加至23.1%。这是因为PP和EVA均属于非积炭型高分子材料，所以在高温下PP/EVA复合材料无残余，而添加的有机和无机纤维均属于积炭型材料。因此，当加入复配纤维增强PP/EVA复合材料时，复合材料的残炭率得到提高，热稳定性明显增强。

表4 复合材料的热失重参数

注：升温速率15 ℃/min。

3 结论

a. LF和CF纤维复配对PP/EVA复合材料有增强作用，当LF和CF纤维复配质量比为1:5时，PP/EVA/LF/CF复合材料的综合力学性能较佳。

b. 与PP/EVA复合材料相比，ALF和SSiCF复配对PP/EVA复合材料的增强效果最为明显，当ALF和SSiCF复配质量比为1:5时，改性复配增强PP/EVA复合材料的拉伸强度提高了11.13 MPa，弯曲强度提高了16.31 MPa，但冲击强度降低。

c. 与PP/EVA复合材料相比，PP/EVA/ALF/SSiCF复合材料的表面亲水接触角提高了7°，残炭率由0增加至23.1%，热稳定性明显提高。

[1] 郑水林. 粉体表面改性[M]. 北京:中国建材工业出版社，2004:60-116.

Zheng Shuilin.Surface modification of powder[M].Beijing:China Building Materical Industry Publishing House,2004:60-116.

[2] 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.

Xuan Zhaolong,Yi Jianzheng,Du Shiguo.Study on modification of polypropylene by blending[J].Plast Sci Tech, 1999(6):17-20.

[3] 李智佳，任庆龙，夏英，等.芦苇/玄武岩纤维增强PP/EVA复合材料力学性能的研究[J].合成纤维工业，2016,39(6):39-42.

Li Zhijia,Ren Qinglong,Xia Ying,et al. Mechanical properties of reed/basalt fiber-reinforced PP/EVA composite[J].Chin Syn Fiber Ind, 2016,39(6):39-42.

[4] Zhao Hui, Yan Huaxiao, Zhang Congwang, et al. Pyrolytic characteristics and kinetics of phragmites australis[J]. Evid-Based Complement Altern Med, 2011,40(5):1-6.

[5] 张乾，谢发勤. 碳纤维的表面改性研究进展[J]. 金属热处理，2006,26(8):1-4.

Zhang Qian,Xie Faqin.Review of carbon fiber′s surface modification progress[J].Heat Treat Metal，2006,26(8):1-4.

[6] Babatope B,Isaac D H.The effects of matrix orientation on the mechanical properties of a drawn short fiber reinforced thermoplastic composite[J].Sci Eng Comp Mater,1992,2(2):73-84.

[7] Karsli N G, Aytac A. Effects of maleated polypropylene on the morphology, thermal and mechanical properties of short carbon fiber reinforced polypropylene composites[J]. Mater Design,2011,32(7):4069-4073

Preparation and properties of reed/carbon fiber-reinforced PP/EVA composite

Cong Shijie, Ren Qinglong, Xia Ying, Zhang Fengfeng, Zhang Xinyue

(SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034)

A polypropylene/ethylene-vinyl acetate copolymer/reed fiber/carbon fiber (PP/EVA/LF/CF) composite was prepared by melt blending LF, CF, PP and EVA in a double roller mixer. And a PP/EVA/modified reed fiber (ALF)/modified carbon fiber (SSiCF) composite was prepared by treating LF with alkali solution and CF with sulfuric acid/silane coupling agent. The effect of the mass ratio of two kinds of fibers on the mechanical properties of the composite was prepared. The effect of the compounding modified fiber on the contact angle and thermal stability of the composite was investigated. The results showed that the PP/EVA/LF/CF composite exhibited the fairly good comprehensive mechanical properties as the mass ratio of LF and CF was 1:5; as compared with PP/EVA composite, PP/EVA/ALF/SSiCF composite had an increase of 11.13 MPa in the tensile strength and 16.31 MPa in the bending strength, but a decrease in the impact strength as the mass ratio of ALF and SSiCF was 1:5; meanwhile, the surface water contact angle was increased by 7°, the carbon residue was increased from 0 and 23.1%, and the thermal stability was obviously improved.

polypropylene; polyvinyl acetate; reed fiber; carbon fiber; composite; contact angle; thermal stability

2016- 07-11； 修改稿收到日期：2017-12-22。

丛世杰(1992—)，女，硕士研究生，研究方向为高分子的加工和改性，以及功能复合材料的制备。E-mail：1719913159@qq.com。

* 通讯联系人。E-mail：Xiaying961@163.com。

TQ343+.4

A

1001- 0041(2017)01- 0046- 04