長碳纖/長玻纖混雜增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的性能研究

張 麗 張 瑞 赫玉欣

(1. 洛陽師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，河南 洛陽 471934； 2. 河南科技大學(xué) 化工與制藥學(xué)院，河南 洛陽 471023)

混雜纖維復(fù)合材料的概念最早起源于日本，1972年由日本的Hayashi[1]提出并展開研究，旨在彌補(bǔ)單一纖維增強(qiáng)所存在的缺點(diǎn)和不足。混雜纖維的組合形式不僅可以彌補(bǔ)單一纖維的缺點(diǎn)，還能夠在滿足使用載荷的前提下，大幅降低材料的成本，研究表明，相對碳纖維增強(qiáng)PP材料(CFRP)，碳纖維/玻璃纖維混雜復(fù)合材料不僅具有高的斷裂延伸率，且其中碳纖維發(fā)揮的拉伸強(qiáng)度要比在CFRP中高出40%以上[2]。

碳纖維/玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料結(jié)合了碳纖維(CF)、玻璃纖維(GF)及聚丙烯(PP)三者的優(yōu)點(diǎn)，改善了原材料的缺點(diǎn)和不足，重點(diǎn)提高了材料的機(jī)械性能，在汽車船舶、航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。目前，國內(nèi)外對CF/GF增強(qiáng)PP復(fù)合材料的研究主要是通過改變短切纖維的長度和含量來改變復(fù)合材料的性能[6]。添加混雜纖維的長度從幾微米到幾十微米不同，含量從百分之幾到百分之幾十不等[7]。研究表明，通過增加纖維長度和含量可以提高復(fù)合材料的機(jī)械性能，增加其粘度，提高熱穩(wěn)定性，降低材料的流動性[8]。但對于長混雜纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料性能的研究報道還較少。

本文以兩種長纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料為原料，采用注塑成型的方法制備了一系列長碳纖/長玻纖混雜增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，考察了混雜纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

長玻纖增強(qiáng)聚丙烯(GF/PP，牌號：LFT-G?PP-NA-LGF30，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，纖維長度為12.0 mm)；長碳纖增強(qiáng)聚丙烯(CF/PP，牌號：LFT-G?PP-NA-LCF30，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，纖維長度為12.0 mm)；聚丙烯(牌號：K8303，燕山石化)。

塑料注射成型機(jī)(型號：KTE20/500-4-40，寧波市海達(dá)塑料機(jī)械有限公司)；萬能材料試驗機(jī)(型號：WDW-10，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司)；懸臂梁擺錘沖擊試驗機(jī)(型號：ZBC1251-2，深圳市新三思材料檢測有限公司)；掃描電子顯微鏡(型號：JSM-5610LV，日本電子株式會社)。

1.2 混雜復(fù)合材料的制備

將一定量的長玻纖增強(qiáng)聚丙烯、長碳纖增強(qiáng)聚丙烯及聚丙烯原料(比例見表1)在一定的注塑工藝[9]下利用注塑成型機(jī)進(jìn)行注塑實驗制得拉伸樣條及沖擊樣條。

表1 混雜復(fù)合材料的原料配比Tab. 1 The ratio of raw materials for hybrid composites

1.3 表征方法

參照ISO527-2-2012 和ISO1802000 標(biāo)準(zhǔn)分別測試試樣的拉伸性能和沖擊性能；用FESEM 觀察試樣的沖擊斷面的形貌特征。

2 結(jié)果與討論

圖1為復(fù)合材料試樣的拉伸強(qiáng)度圖。由圖可知，在混雜纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的前提下，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨碳纖含量的降低而降低。當(dāng)試樣中CF和GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%和5%時，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度最優(yōu)，約為115 MPa，明顯優(yōu)于純PP的抗拉強(qiáng)度。

圖1 試樣的拉伸強(qiáng)度Fig. 1 Tensile strength of the samples

圖2為復(fù)合材料試樣的斷裂伸長率圖。由圖可知，在混雜纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的前提下，復(fù)合材料的斷裂伸長率的變化趨勢與拉伸強(qiáng)度的變化趨勢完全相反。當(dāng)試樣中CF和GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%和5%時，復(fù)合材料的楊氏模量約為3%；當(dāng)試樣中CF和GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%和25%時，復(fù)合材料的斷裂伸長率約為7%；混雜復(fù)合材料的斷裂伸長率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純PP的203%。

圖3為復(fù)合材料試樣的楊氏模量圖。由圖可知，在混雜纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的前提下，復(fù)合材料的楊氏模量隨試樣中碳纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低而呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢。當(dāng)試樣中CF和GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%和5%時，復(fù)合材料的楊氏模量約為1 816 MPa；當(dāng)試樣中CF和GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%和25%時，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度約為1 500 MPa；混雜復(fù)合材料的楊氏模量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純PP的125 MPa。

圖4為復(fù)合材料試樣的沖擊強(qiáng)度圖。由圖可知，在混雜纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的前提下，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨試樣中碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低而呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)試樣中CF和GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%和5%時，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度約為19 kJ/m2；當(dāng)試樣中CF和GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%和25%時，復(fù)合材料的斷裂伸長率約為12 kJ/m2；混雜復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度均高于純PP的8 kJ/m2。

圖4 試樣的沖擊強(qiáng)度Fig. 4 Tensile strength of the samples

圖5為復(fù)合材料試樣沖擊斷面的SEM圖。由圖可知，純PP的斷面(圖5a)呈現(xiàn)類似階梯狀的結(jié)構(gòu)，表明純PP呈現(xiàn)韌性斷裂。與純PP相比，混雜復(fù)合材料的沖擊斷面的形貌則要復(fù)雜的多。由圖5b～5f可知，CF與GF上黏附有一定量的PP，這表明CF與GF的界面作用較好，從而使得混雜纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料的性能要由于純PP。

圖5 試樣沖擊斷面的SEM圖Fig. 5 SEM images of the samples for impact test

3 結(jié)論

采用注塑成型的方法制備了長碳纖/長玻纖混雜增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料。在混雜纖維總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的前提下，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量及沖擊強(qiáng)度均隨CF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降而降低。當(dāng)試樣中CF和GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%和5%時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、楊式模量及沖擊強(qiáng)度分別為115 MPa、1 816 MPa 和19 KJ/m2。混雜復(fù)合材料的力學(xué)性能均優(yōu)于純PP。