连续碳纤维增强聚丙烯性能研究

2020-10-12粟多文杨荣强杨广林郑红开刘振涛

上海塑料 2020年3期

粟多文，杨荣强，杨广林，郑红开，刘振涛

(1.贵州凯科特材料有限公司，贵阳 550014；2.贵州吉利汽车部件有限公司，贵阳 550081；3.贵阳学院化学与材料系，贵阳 550005)

0 前言

随着经济社会的快速发展，医疗卫生、建筑工程、军用科技、日常生活等领域所用的传统材料在一些性能上已无法满足行业的发展需求[1-2]。与传统材料相比，复合材料具有更加优良的物理、化学性能，很快进入了这些行业的视野。传统聚丙烯(PP)材料具有合成原料广、价格低、易成型加工等[3-4]优点，但是PP属于热塑性材料，模量低、抗冲击强度差[5]，因此要对PP进行复合改性。改性PP复合材料在使用过程中表现出耐磨、耐腐蚀、高温条件下力学性能优良、模量高、抗冲击性能优良等[6-8]特点。

戈翔等[9]将马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)与碳纤维(CF)混合均匀后在双螺旋挤出机上制备出了不同比例CF的PP/CF复合材料，并研究相容剂对PP/CF复合体系的流变行为以及力学性能的影响，结果表明：聚合物流动性能会影响复合材料的力学性能，且随着相容剂含量的增加材料力学性能提高。KARSLI N G等[10]采用多表面处理技术对基体界面性能进行改善，利用差示扫描量热法(DSC)技术对PP/CF复合材料的结晶度和熔融温度进行表征，并对PP/CF复合材料的力学性能进行研究,结果表明：PP/CF复合材料的力学性能得到很大提高。陈姗等[11]选用不同规格的CF，通过加入不同含量的CF制备PP/CF复合材料，结果表明：CF的加入能显著增强PP/CF的力学性能。

笔者从PP的聚合方式、CF的添加量、相容剂(PP-9801)添加量以及聚烯烃热塑性弹性体(POE)添加量4个方面对PP/CF复合材料力学性能进行研究，以一般共聚的PP(PP-K7726)作为研究的主要对象，希望能为PP行业的发展提供理论数据参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

实验主要原料见表1。

表1 实验主要原料

1.2 主要仪器和设备

万能试验机，CMT4104，MTS工业系统(中国)有限公司；

同向双螺杆混炼挤出造粒机，TSE-40A，南京瑞亚高聚物制备有限公司；

注塑机，CJ80M Z-NC II,震德塑料机械有限公司；

液晶式摆锤冲击试验机，ZBC1400-B，MTS工业系统(中国)有限公司。

1.3 试样制备

将CF通过双螺杆挤出机与PP共混挤出切粒，注塑成型后进行各种测试。

1.4 测试与表征

缺口冲击强度测试按照GB/T 1843—2008 《悬臂梁冲击强度的测定》进行测试，V形缺口，试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，跨距为64 mm，压头速度为2 mm/min。

拉伸强度和断裂伸长率测试按照GB/T 1040—2006 《塑料拉伸性能的测定》采用万能实验机进行测试,拉伸速率为50 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 不同PP对CF/PP复合材料力学性能的影响

在加入CF质量分数几乎相同的情况下，不同共聚方式合成的PP在加入CF前后力学性能的对比见图1。由图1可以看出：PP-M02D的标称应变和冲击强度在加入CF前后变化剧烈，且加入CF后的PP-M02D的弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度均高于未加入CF的PP-M02D,PP-M02D/CF和PP-K7726/CF的弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度与未加入CF的PP-M02D和PP-K7726相比提高了2～3倍;加入CF后,PP-M02D的标称应变降低97%左右,PP-K7726的标称应变只降低84%左右。其他方式聚合的PP在加入CF前后，力学性能尤其是标称应变和冲击强度的变化没有PP-M02D变化得明显，这可能是低熔共聚的PP与CF的界面亲和力较强，也可能是PP-M02D的比表面积较大能为CF 提供更多的附着点。总体来说，PP-M02D是一种韧性极好的PP材料，CF能显著提高PP-M02D的刚性。

(a) 冲击强度

2.2 CF质量分数对PP/CF复合材料力学性能的影响

不同CF质量分数对PP/CF复合材料力学性能的影响见图2。由图2(a)可以看出：随着CF质量分数的增加，PP/CF复合材料的冲击强度、拉伸强度和弯曲强度均有先增后降的趋势。当CF质量分数在14.0%左右时，PP/CF复合材料所能承受的冲击强度出现了峰值;当CF质量分数在18.75%左右时，PP/CF复合材料所能承受的拉伸强度和弯曲强度出现了峰值。当再增加CF质量分数时，PP/CF复合材料的冲击强度、拉伸强度几乎呈直线下降，而弯曲强度下降得相对比较缓慢。当CF质量分数为28.0%时，PP/CF复合材料的冲击强度和弯曲强度均达到低谷，后又有回升的趋势。

(a) 拉伸强度、冲击强度、弯曲强度

图2(a)出现的拐点与CF本身的特性有关，前期PP/CF复合材料冲击强度、拉伸强度和弯曲强度的提升是因为CF的介入增强了复合材料的传递应力；后期的明显下降与PP树脂与CF的界面性能相关，CF质量分数在一定范围内时二者的界面性能会充分展现，当CF质量分数超过饱和状态时，CF会出现团聚现象，而CF又属于脆性材料，所以会使PP/CF复合材料的抗冲击强度、抗拉伸强度和耐拉伸强度特性下降。随着CF质量分数的进一步增加，CF之间发生相互堆积缠绕，特别是在做抗冲击和耐弯曲力学表征时，CF之间的堆积缠绕会产生抗冲击、耐弯曲的作用力,使PP/CF复合材料的冲击强度和弯曲强度再次上升。

由图2(b)可以看出：随着CF质量分数的提高，PP/CF复合材料的弯曲模量呈近似线性上升而标称应变下降，说明在弯曲模量和标称应变测试过程中，随着弯曲应力的提高，PP/CF复合材料的形变量变小，即PP/CF复合材料的韧性降低了。

2.3 相容剂质量分数对PP/CF复合材料力学性能的影响

相容剂PP-g-MAH的质量分数对PP/CF复合材料力学性能的影响见图3。

(a) 拉伸强度、冲击强度、弯曲强度

(b) 标称应变、弯曲模量

由图3(a)可以看出：PP/CF复合材料的冲击强度、拉伸强度、弯曲强度均与PP-g-MAH质量分数呈正比。由图3(b)可以看出：PP/CF复合材料的弯曲模量随PP-g-MAH质量分数的增加呈先降后升的趋势，标称应变随PP-g-MAH质量分数的增加呈明显上升趋势。与图1(a)相比，图3(a)中没有出现峰值，很明显这与相容剂的性质有关，CF使用的上浆剂一般含有环氧基团会与PP-g-MAH发生化学反应，从而增强PP与CF的界面结合力，提高PP/CF复合材料的力学性能[9]。弯曲模量的下降说明，在弯曲应力近似相等的情况下，复合材料标称应变的增加说明相容剂的加入提高了PP/CF复合材料的韧性保持了刚性。

2.4 POE质量分数对PP/CF复合材料力学性能的影响

POE质量分数对PP/CF复合材料力学性能的影响见图4。由图4可以看出：在保持CF加入质量分数大致相同的情况下，随着POE质量分数的增加PP/CF复合材料的冲击强度和标称应变均有所提高，冲击强度提高了25%～45%；但是，弯曲模量、弯曲强度和拉伸强度几乎没有提高，反而呈现下降的趋势。POE是一种热塑性弹性体，具有优良的增韧性能和与聚烯烃亲和性强等特点。与未加入POE的PP/CF复合材料相比，以上结果一致表明PP/CF复合材料的韧性得到了提高。