连续碳纤维增强聚乳酸复合材料的研究

邢海妮，谭洪生，郑利杭，乔 亮，闫 旭，朱凯丽

(山东理工大学材料科学与工程学院，山东 淄博 255000)

随着社会的发展，人们不仅对材料的性能要求越来越高，也更加注重对环境的保护。PLA是一种可完全生物降解的新型绿色塑料，以其来源的可再生性，实现了原材料的可持续性、无毒无害性，其具有良好的生物相容性，且性能与聚丙烯、聚苯乙烯等通用塑料相近，在服装、包装、家庭装饰以及农业环保材料、生物医用材料等领域极具应用前景[1-2]。但PLA固有的缺点限制了它的应用范围，比如韧性低、 透气性差、 耐热性差、抗冲击性能差等。 为了更好的利用这种绿色材料, 拓展其使用范围, 人们提出了很多方法来改善其缺点, 其中最常用的就是加入其它材料提高其综合性能，进而提高其应用范围[3-4]。目前常见的几种特种纤维，玻璃纤维(GF)、玄武岩纤维(BF)、芳纶(AF)和碳纤维(CF)。其中CF由于其高强度、高模量、耐热性好等优点被广泛用于增强材料[5]。

本研究以PLA为基体，以CCF为增强材料，采用自行设计组装的流水线制备CCF/PLA预浸带。考察了不同加工工艺及纤维含量对CCF/PLA预浸带拉伸强度的影响。

1 实 验

1.1 原料及仪器

PLA(4032D)，美国Nature Works公司；CF(T-700SC)，日本东丽株式会社；抗氧剂(168)，苏州亮彩化工有限公司；抗氧剂(1010)，苏州亮彩化工有限公司。

RM-200A转矩流变仪，哈尔滨哈普电气技术有限责任公司；DZF-6021真空干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；CL-P110三辊压延机，哈尔滨哈普电气技术有限责任公司；Instron 5969万能材料试验机，美国英斯特朗公司；模具，自制。

1.2 材料制备

图1 CCF/PLA预浸带的制备工艺流程图Fig.1 Preparation process flow chart of CCF/PLA prepreg tapes

采用实验室自行设计组装的流水线，制备单向CCF/PLA预浸带。具体过程如下：首先，将抗氧剂1010和抗氧剂168按照质量比1:1的量加入到干燥后的PLA树脂中，混合均匀；将混合后的原料加入到料筒中，通过单螺杆挤出机熔融挤出，进入浸渍模具内；然后将CCF依次经过放线装置、导向轮，并在浸渍模具内与PLA树脂充分浸渍；最后经过三辊压延机的压延、牵引、卷曲后成型。

1.3 拉伸性能测试

采用美国INSTRON公司生产的5969型万能材料实验机，按照ASTM D3039/D3039M-14标准对预浸带进行拉伸测试。

2 结果与讨论

2.1 加工温度对预浸带拉伸强度的影响

采用熔融浸渍法制备预浸带时，树脂的流动性是一个关键的影响因素。图2是不同温度下PLA纯料的扭矩值，从图2可以看出，随着温度升高，PLA熔融所需的时间减短，且平衡扭矩值减小，也就意味着PLA熔体的流动性越好。图3是不同加工温度下CCF/PLA预浸带的拉伸强度。随温度升高，树脂熔体流动性越好，更加容易浸入纤维束内部，预浸带的浸渍效果越好，拉伸强度也随之提高。当温度为220 ℃时，预浸带的拉伸强度达到743 MPa。本研究所涉及的预浸带，均采用220 ℃的加工温度进行制备。

图2 不同温度下PLA纯料的扭矩值Fig.2 Torque values of PLA pure materials at different temperatures

图3 不同加工温度对CCF/PLA预浸带拉伸强度的影响Fig.3 Effect of different processing temperatures on tensile strength of CCF/PLA prepreg tapes

2.2 张紧力对预浸带拉伸强度的影响

图4显示了不同张紧力对预浸带拉伸强度的影响。可以看出，随着施加的张紧力增大，预浸带的拉伸强度先增大后减小。在张紧力为11 N时，预浸带的拉伸强度达到924 MPa。在张紧力较小时，预浸带内部部分纤维呈弯曲状态，在拉伸过程中难以起到承受载荷的作用，因此，预浸带的拉伸强度较低。当施加的张紧力过大时，制备过程中纤维受到的摩擦力增大，部分纤维会出现断丝现象，在拉伸过程中可以共同承受载荷的有效纤维含量减少，因此，预浸带的拉伸强度出现了下降的趋势。

图4 张紧力对CCF/PLA预浸带拉伸强度的影响Fig.4 Effect of tension on tensile strength of CCF/PLA prepreg tapes

2.3 牵引速度对预浸带拉伸强度的影响

从图5可以看出，随着牵引速度增大，预浸带的拉伸强度逐渐降低。这一方面是由于浸渍时间直接影响熔体在纤维束内部渗透的情况。牵引速度逐渐增大，CF和PLA熔体在模具中的浸渍时间减短，导致预浸带浸渍效果变差；另一方面是牵引速度增大，在制备过程中纤维的磨损程度增大，部分纤维会出现断丝现象，导致拉伸过程中承受载荷的有效纤维含量减少。

图5 牵引速度对CCF/PLA预浸带拉伸强度的影响Fig.5 Effect of traction speed on tensile strength of CCF/PLA prepreg tapes

2.4 纤维含量对预浸带拉伸强度的影响

图6 纤维含量对CCF/PLA预浸带拉伸强度的影响Fig.6 Effect of fiber content on tensile strength of CCF/PLA prepreg tapes

从图6可以看出，纤维含量对预浸带拉伸强度的影响较为明显。当纤维含量从30wt%增加到40wt%时，拉伸强度提高了31.55%。这是由于预浸带的拉伸强度高低很大程度上依赖于增强纤维的强度，CF强度高、模量高可以承受更大的载荷，从而纤维含量升高，预浸带拉伸强度增大。

3 结 论

(1)研究了加工温度对预浸带拉伸强度的影响，在200～220 ℃范围内，随着温度的升高而提高。

(2)随着张紧力的增大，预浸带的拉伸强度先增大后减小。张紧力为11 N时，拉伸强度最高。张紧力过小或过大都会影响纤维承受载荷的效果，降低拉伸强度。

(3)预浸带的拉伸强度随牵引速度的增大逐渐减小。牵引速度过大，会减短浸渍时间，加剧纤维磨损，降低预浸带拉伸强度。

(4)纤维含量对预浸带拉伸强度的影响较为明显。当纤维含量从30wt%增加到40wt%时，拉伸强度提高了31.55%。