基于湿法造纸工艺制备碳纤维增强热塑性树脂复合材料的研究
2018-09-10颜鑫王习文
颜鑫 王习文
摘要:本课题提出了一种基于湿法造纸工艺的碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)的制备方法,实验探究了碳纤维模量、长度、含量和模压工艺对CFRTP力学性能的影响。结果表明,利用湿法造纸工艺制备CFRTP是可行的,碳纤维含量是影响CFRTP力学性能和空隙率的主要因素;当碳纤维含量为30%时,制备的CFRTP性能最好,其拉伸强度为110.07 MPa,弯曲强度为208.59 MPa,缺口冲击韧性42.89 kJ/m2,材料空隙率最低。该方法具有工艺简单、成本低、利于碳纤维回收等特点。
關键词:碳纤维增强复合材料;造纸工艺;影响因素
中图分类号:TS75;TS722
文献标识码:A
DOI:10.11980/j.issn.0254-508X.2018.08.002
碳纤维增强树脂材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic, CFRP)是一类高性能复合材料,具有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、易于设计等性能[1-2],广泛应用在航空航天、体育器材、压力容器、建筑材料、汽车制造、模具制造、风电叶片等领域。随着电动汽车的蓬勃发展,碳纤维增强树脂材料作为一种重要的汽车轻量化手段受到了特别的关注。
碳纤维增强树脂材料的基体可以是热塑性的也可以是热固性的,其中碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic, CFRTP)具有较短的成型周期,适用于大规模生产[3]。
在碳纤维增强复合材料的生产工艺中,浸渍是重要的一步。在浸渍工艺中,纤维与基材结合并融合成新材料。CFRTP的主要浸渍方法有:熔融法、溶液法、粉末法、粉末胶衣法、纤维掺杂法、膜浸法、拉挤法、聚合物法、悬浮法等[4]。
由于碳纤维原料价格高昂,CFRP加工工艺复杂,其仅仅应用在高档汽车、F1赛车等,并未大规模应用。随着日本东丽、东邦公司等不断生产出强度更高、价格更低的碳纤维,研究人员更多地将精力放在缩短CFRP的生产周期、简化生产工艺的研究上,以期降低CFRP的价格。
CFRP的湿法制备工艺是一种基于湿法造纸工艺的方法,主要包括:碳纤维和树脂纤维在介质中均匀分散→浆料→滤水→干燥→混合纤维手抄片;取多张手抄片放入模具中,经模压成型得到成品。传统制备碳纤维复合材料包括以下几个步骤:①碳纤维制成碳纤维织布;②碳纤维织布与树脂浸渍制成预制品;③预制品模压得到成型制品。与传统工艺对比可知,湿法工艺可以节省一步工序,成本降低。
Bigg D M[6] 、Hiscock D F[7]、Caba A C[8]、
Kimura T[9]等人利用抄纸技术制备非连续长玻璃纤维或CFRTP;国内对于湿法制备碳纤维纸的研究较多[10-12],湿法制备CFRP的研究很少[13]。
本课题初步探讨了基于湿法造纸工艺制备CFRTP的工艺条件和影响因素,验证了该制备方法的可行性,并制备了具有一定形状的CFRTP器件。
1实验
1.1实验材料和设备
本实验所使用的主要实验原料为聚丙烯(PP)纤维和碳纤维。其中碳纤维的长度有3 mm、4 mm 和6 mm,级别有T400、T700、T800,如表1所示。表2列出了各级别碳纤维的部分物理性能。表3列出了实验所用的设备情况。
1.2制备工艺路线
首先利用浆料疏解器,将碳纤维和聚丙烯纤维均匀分散在水中制成浆料;采用手动抄片机抄造手抄片;经压榨、干燥后,取出手抄片放入模具中,经过预热、保温保压、冷却后得到成型板材CFRTP。工艺路线如图1所示。
1.3模压工艺
将碳纤维和聚丙烯纤维混合、抄成定量为400 g/m2的手抄片,手抄片经压榨、干燥后放入模具中预热。
模压成型的主要影响因素有温度、压力和时间。本实验所用聚丙烯纤维的熔点为175℃,根据树脂加工温度一般高于其熔点20~30℃的经验,选定模压温度为205℃。表4列出了模压工艺参数。
1.4性能测试
1.4.1空隙率
采用美国ASTM制定的ASTM D2734—3688《纤维增强塑料空隙率的标准测算方法》来测算CFRTP的空隙率。首先根据聚丙烯纤维的密度和碳纤维的密度计算出CFRTP的理论密度,计算公式见式(1)。
烯纤维在CFRTP中的含量,%;D为聚丙烯纤维密度,g/cm3;r为碳纤维在CFRTP中的含量,%;d为碳纤维密度,g/cm3。
然后再测出CFRTP的实际密度,依据计算公式(2)计算CFRTP的空隙率。
1.4.2力学性能
(1)测试方法
分别依据GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的测试方法》、GB/T 9341—2008《塑料弯曲性能的测试方法》、GB/T 1843—2008《塑料悬臂梁冲击韧性的测试方法》测试材料的拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击韧性。
(2)试样制备
依据GB/T 1040.2—2006制备拉伸试样;依据GB/T 9341—2008制备弯曲试样;依据GB/T 1843—2008制备缺口冲击韧性试样,方法为:
将板材切割成长80 mm、宽12.7 mm的长条,再用铣床铣出缺口;拉伸与弯曲的试样均为10 mm宽度的长条。实际测试过程中,冲击韧性试样的厚度和除去缺口部分的宽度、拉伸和弯曲试样的厚度,均为实测。
1.5湿法制备的影响因素
设计碳纤维级别、碳纤维含量、模压压力这3个因素对于CFRTP空隙率和力学性能的三因素三水平实验,并进一步设计关于碳纤维长度对于CFRTP性能影响的水平实验,探讨湿法造纸工艺制备CFRTP性能的影响因素。
2结果与讨论
2.1手抄片成形中的纤维分散
在制备纤维悬浮液时,利用浆料疏解机将两种纤维分开疏解,聚丙烯纤维的疏解浆浓约为 0.1%,碳纤维的疏解浆浓为0.02%。
分散后的两种纤维在手动抄片机中混合。因碳纤维的密度约为1.8 g/cm3,而聚丙烯纤维的密度为0.9 g/cm3,二者相差较大,两种纤维混合后,会出现碳纤维下沉而聚丙烯纤维上浮的现象。因此在浆料上网时,先加入聚丙烯纤维浆料,后加入碳纤维浆料,并且在混合浆料中加入0.002%的聚丙烯酰胺(PAM)和PEO作为分散剂。
将一定量的碳纤维和PAM分散在水中制成悬浮液,通过静置观察法,来观测碳纤维悬浮液的稳定性。如图2(a)所示,碳纤维在悬浮液中均匀分散,并具有一定的稳定性,静置2 min后才出现明显的沉积。
手抄片制备完成后,取少量样品置于正置显微镜下观察碳纤维在纸张中的分散情况,得到图2(b)。图2(b)中的黑色纤维即为碳纤维,可以看到碳纤维在手抄片中的分散较为均匀。
2.2湿法制备CFRTP的可行性分析
通过以上工艺,制备出了含10% T800级别碳纤维的CFRTP,如图3所示。从图3可以看出,制备的CFRTP表面光洁,具有良好的形貌。
对所制备的CFRTP进行力学性能测试,结果如表5所示。
由表5可知,碳纤维的增强效果不理想,因此有必要进一步讨论CFRTP力学性能的影响因素。
2.3湿法制备CFRTP的影响因素
2.3.1正交实验
碳纤维级别、碳纤维含量、模压压力的正交实验设计如表6所示。由表6得到正交实验方案如表7所示。
按照实验方案制备出的CFRTP,经过性能测试后,得到CFRTP的空隙率、厚度、拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击韧性,实验结果如表8所示。极差分析如表9所示。
从表9可以看出,制备的CFRTP的空隙率、拉伸强度和弯曲性能的最优条件是一致的,均为A3B1C1,即T800碳纤维、碳纤维含量30%、模压压力5 MPa。
结合表8中的数据,做出所制备的CFRTP的空隙率、拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击韧性和厚度随碳纤维含量的变化曲线,见图4。
(1)对空隙率的影响
碳纤维含量分别为10%、30%、50%和70%时,CFRTP空隙率分别为20.45%、6.30%、7.83%和10.30%。如图4(a)所示,CFRTP空隙率随着碳纤维含量的增加而降低,在碳纤维含量30%时达到最低值,随后随着碳纤维含量的增加而增加。这是因为在碳纤維含量较低时,聚丙烯纤维极易被过量挤出,造成内部缺陷;随着碳纤维含量的增加,聚丙烯纤维的流动性降低,聚丙烯纤维在温度和压力的作用下能够顺利充满整个模具,而又不会被过分挤出。
(2)对强度的影响
由表9可知,碳纤维含量对于CFRTP拉伸强度的影响远远大于碳纤维级别和模压压力对于拉伸性能的影响。
图4(b)为碳纤维含量对于CFRTP拉伸强度和弯曲强度的影响。随着碳纤维含量从10%升至30%,拉伸强度和弯曲强度也快速大幅度上升;当碳纤维含量超过30%,增加至50%和70%时,拉伸强度和弯曲强度开始以较为缓慢地下降,这与碳纤维含量对CFRTP空隙率的影响是相对应的。因此可以认为,碳纤维含量通过影响CFRTP空隙率,进而对其拉伸强度和弯曲强度产生了影响。
通常情况下,纤维增强复合材料发生破坏时,先是聚丙烯纤维基体的破坏,然后是纤维拔出和纤维断裂。因此在本实验条件下,纤维增强复合材料的拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击韧性应该具有相同的变化趋势,即碳纤维含量是该指标的最主要影响因素,且缺口冲击韧性随着碳纤维含量的上升是先上升后下降。
2.3.2碳纤维长度对CFRTP力学性能的影响
为了探究碳纤维长度对CFRTP力学性能的影响,设计了10号、11号实验,与2.3.1部分的7号实验组成水平实验,来探究碳纤维长度对CFRTP性能的影响,实验方案如表10所示。
CFRTP制备完成后,测算了其空隙率、拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击韧性,结果如表11所示。
由表11可知,在碳纤维含量固定的情况下,CFRTP的空隙率很接近,这说明碳纤维长度并没有对空隙率产生影响。从表11还可以看到,随着碳纤维长度的增加,拉伸强度和弯曲强度都在增加。这是因为当碳纤维长度增加时,碳纤维在聚丙烯纤维中的包埋长度也增加,纤维拔出需要更多的能量,因此弯曲性能和拉伸强度都得到了提高。
在本研究的实验条件下,影响CFRTP性能的最显著因素是碳纤维含量。碳纤维含量影响了预制品熔融后的流动性,进而影响了CFRTP的空隙率,最终影响了CFRTP的力学性能。同时,这种基于湿法造纸工艺的CFRTP制备新方法,容易实现器件的加工。
3结论
本研究利用湿法造纸工艺成功制备了碳纤维增强热塑树脂材料(CFRTP)。研究发现,碳纤维含量是影响CFRTP空隙率和力学性能的主要因素。当碳纤维含量在30%时,CFRTP的性能最好,空隙率最低,拉伸强度110.07 MPa,弯曲强度208.59 MPa,缺口冲击韧性42.89 kJ/m2。该方法具有工艺简便、成本低、利于碳纤维回收等特点。
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(责任编辑:常青)