CCF/IPC 层压板的制备与性能

袁文丽 谭洪生 闫旭 乔亮 王士强

(山东理工大学材料科学与工程学院,山东 淄博,255000)

连续纤维增强是提高高分子材料力学性能最有效且应用最广的改性方法[1-6]。目前,应用较多的是连续纤维增强热固性复合材料,其具有比强度高、比刚度高、耐疲劳性能和耐腐蚀性能优异等优点,但不可回收[7-8]。与热固性基质相比,热塑性基质更适用于提高抗冲击性,复合材料层压板可用于制造汽车、电子和飞机等行业的轻质部件[9]。连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)是一种新兴的复合材料[10],具有良好的可回收性且有更快的加工速度。碳纤维(CF)增强聚合物具有出色的机械性能和低密度特点,广泛应用于航空航天、交通运输等领域[11]。但由于工艺条件的限制,国内乃至国际对这类材料的开发和研究主要以短切纤维和长纤维为主,CFRTP 较少出现。连续玻璃纤维增强聚丙烯(CGF/PP)复合材料具有轻质高强、抗冲击性能好、韧性高、可二次成型、废料可回收再利用等优点,逐渐受到关注,PP 复合材料层压板已在建材、汽车、电气、包装等诸多领域获得广泛应用[12-13]。

下面使用3 种不同厚度的口模,制得了不同CF含量的连续碳纤维(CCF)增强抗冲共聚PP(IPC)预浸带,再将预浸带按不同铺放方式制备CCF/IPC 层压板,研究了CF 含量及铺放方式对CCF/IPC层压板的冲击性能、弯曲性能及动态力学行为的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料

CF,T700SC-24K,日本东丽株式会社;IPC,K7780,燕山石化公司;马来酸酐(MAH),南京德巴高分子材料有限公司。

1.2 仪器与设备

单螺杆挤出机,SXT-I,哈尔滨哈普电气技术有限责任公司;三辊压延机,SJYY-550/750,东莞市森捷数控设备有限公司;万能材料试验机,WDW-20,吉林冠腾自动化技术有限公司;动态热机械分析仪(DMA),DMA 242 E,德国耐驰仪器制造有限公司;加硫成型机,XH-406B,广东锡华机械有限公司;简支梁冲击试验机,XJJD-5J,北京金盛鑫检测仪器有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 预浸带制备

采用自行设计组装的连续纤维增强热塑性预浸带熔融浸渍制备模具和试验室流水线,选用宽度为28.0 mm,厚度分别为0.3,0.4,0.5 mm 的3种口模,在220 ℃下制得了CF 质量分数分别为45%,40%,35%的预浸带。

1.3.2 CCF/IPC层压板制备

将预浸带裁剪成适合模具的样式,按照0°、0°/90°、编织3 种铺放方式放在模具中,温度为100 ℃,压力为1 MPa,预热5 min,然后将温度升至220 ℃,压力升至6 MPa,保温保压10 min,冷却脱模,得到CCF/IPC层压板。

1.4 测试与表征

冲击强度按照GB/T 1043.1—2008 进行测试;弯曲强度按照GB/T 1449—2005进行测试。

DMA 分析:频率为1 Hz,温度为—40～160 ℃,升温速度为5 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 冲击性能

表1为CF 含量与预浸带铺放方式对CCF/IPC层压板冲击强度的影响。

表1 CF含量与预浸带铺放方式对CCF/lPC层压板冲击强度的影响

由表1可以看出:随着CF 含量的增加,采用0°/90°与编织2种铺放方式所得CCF/IPC 层压板的冲击强度均逐渐增大,采用0°铺放方式所得CCF/IPC层压板的冲击强度先增大后减小,在CF质量分数为40%时达到最大,为141.9 kJ/m2。当CF含量相同时,采用0°铺放方式所得CCF/IPC层压板的冲击强度最高,约为0°/90°与编织铺放方式的2倍,编织铺放方式最低。造成这种现象的原因是:1)冲击强度与CF 含量成正比[14],但也受CF与IPC的质量比影响;2)CF的轴向强度很高,当CF含量相同,采用0°铺放方式所得CCF/IPC层压板单位面积内CF 含量约为0°/90°与编织2种铺放方式的2 倍;3)采用编织铺放方式所得CCF/IPC层压板中CF 发生弯曲,产生缺陷,在受到冲击时,其单位面积的纤维强度比采用0°/90°铺放方式所得CCF/IPC 层压板低;4)如果CF 含量过高,IPC对CF的浸渍变差,CF未被IPC 完全浸润,导致CCF/IPC层压板冲击强度降低。

2.2 弯曲性能

表2为CF 含量与预浸带铺放方式对CCF/IPC层压板弯曲性能的影响。

表2 CF含量与预浸带铺放方式对CCF/lPC层压板弯曲性能的影响

由表2可以看出:当CF含量相同时,与0°/90°和编织2种铺放方式相比,采用0°铺放方式所得CCF/IPC层压板的弯曲性能最好,弯曲强度和弯曲模量均远大于前2种铺放方式;随着CF含量的增加,采用3种铺放方式所得CCF/IPC 层压板的弯曲强度和弯曲模量均先升高后降低;当CF质量分数为40%时,采用0°铺放方式所得CCF/IPC层压板的弯曲性能最好。这是因为:1)CF的加入提升了IPC的弯曲强度[15],弯曲强度与单位面积内CF含量成正比;2)在受力方向上,与0°/90°和编织2种铺放方式相比,采用0°铺放方式所得CCF/IPC层压板单位面积内CF 含量更高,约为前2种铺放方式的2倍;3)采用编织铺放方式时,CF 会产生弯曲,不能充分发挥其补强作用,所得CCF/IPC层压板的弯曲强度最低。

2.3 动态力学行为

图1为CCF/IPC 层压板储能模量(E′)与温度的关系,其中,图1(a)中的样品均采用0°铺放方式制得,图1(b)中样品的CF质量分数均为40%。

图1 CCF/lPC层压板E'与温度的关系

由图1可以看出:随着CF含量的增加,CCF/IPC 层压板的E′逐渐增大,当CF 质量分数为45%时,CCF/IPC 层压板的E′约为纯IPC 的11倍;当CF含量相同时,采用0°铺放方式所得CCF/IPC层压板E′最高,编织铺放方式最低。这是因为在CCF/IPC 层压板中,CF 是外加载荷的主要承担者,CF 含量越高,抵抗外力作用而产生变形的能力越强;采用0°铺放方式时,CCF 朝向相同,采用0°/90°与编织2 种铺放方式时,CCF 朝向不同,导致CCF/IPC层压板单位面积内承担载荷的CF含量显著减少;采用编织铺放方式时,CF 会折叠,E′最低。CCF/IPC层压板的E′随温度升高而降低,这是因为随着温度的升高,分子链段运动能力逐渐增强,分子间距离增大,分子间作用力减小,抵抗外力作用而产生变形的能力减弱。

图2为CCF/IPC层压板损耗因子(tanδ)与温度的关系,其中,图2(a)中样品均采用0°铺放方式制得,图2(b)中样品的CF质量分数均为40%。

图2 CCF/lPC层压板tanδ 与温度的关系

由图2可以看出,随着温度的升高,CCF/IPC层压板由玻璃态转变为高弹态,加入CF后,CCF/IPC层压板的玻璃化转变温度(Tg)出现不同程度的提高,表明CCF/IPC 层压板抵抗外力作用而产生变形的能力出现不同程度的增强。

3 结论

a) 随着CF 含量的增加,CCF/IPC 层压板的冲击强度、弯曲强度及弯曲模量总体均逐渐增大。

b) 当CF含量相同时,采用0°铺放方式所得CCF/IPC层压板冲击强度、弯曲强度及弯曲模量均最高,0°/90°铺放方式次之,编织铺放方式最低。

c) 随着CF含量的增加,CCF/IPC层压板的E′逐渐增大,抵抗外力作用而变形的能力越高。当CF 含量相同时,采用0°铺放方式所得CCF/IPC层压板的E′最高,0°/90°铺放方式次之,编织铺放方式最低。加入CF 后,CCF/IPC 层压板的Tg出现不同程度的提高。