造紙法制備碳纖維增強熱塑性復合材料的研究

徐凱麗 許 躍 劉 文，* 陳雪峰 孫勝然 吳東樂 王 萌

（1.中國制漿造紙研究院有限公司，北京，1 000102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102）

碳纖維增強熱塑性復合材料由于其質量輕、強度高的特點，已迅速發展成為一種市場前景廣闊的復合材料[1]。碳纖維增強熱塑性復合材料的密度小、比強度和比剛度大，具有優異的力學性能、耐腐蝕性、耐熱性和沖擊韌性等，同時容易回收，利用率高，是理想的輕量化材料[2]。與熱固性復合材料相比較，熱塑性復合材料可焊接、可回收、可二次成型，且具有耐沖擊性、高韌性以及生產效率高等優點。隨著各國相繼出臺的油耗和排放法規要求以及電動汽車的發展，汽車輕量化越來越受到關注[3]。碳纖維增強熱塑性復合材料未來可以逐步達到替代部分金屬材料的目的，用作制造扶手以及靠背等多種汽車結構件和功能件[4]。

短切碳纖維與連續碳纖維相比，在保持一定程度力學性能的同時還具有易加料、易混合、便于加工生產等優點[5]。基于濕法造紙，以短切碳纖維為原料制備碳纖維增強熱塑性復合材料是一種新的生產工藝，與傳統注塑工藝以及毛氈布層壓的方法相比[6]，濕法造紙工藝的成型周期短，可實現大規模的連續化生產[7]。

Rezaei 等人[8-9]研究了短切碳纖維增強聚丙烯復合材料，結果表明，隨著碳纖維載荷的增加，復合材料的剛度、硬度、強度和熱降解溫度均有所提高，當纖維長度適當時，其儲能模量也有所提高。Vishkaei 等人[10]的研究表明，聚丙烯復合材料的力學性能和熱降解溫度隨著短切碳纖維的加入而提高。Kimura等人[11]以碳纖維廢渣為原料，采用造紙法將碳纖維與聚酯纖維混合壓縮成預片材后制成復合材料。顏鑫等人[12]探究了基于濕法制備碳纖維熱塑性復合材料的可行性。但總體來說，國內對采用濕法造紙工藝制備短切碳纖維增強熱塑性復合材料的實驗研究較少[13-14]。

本研究以短切碳纖維為增強體，聚丙烯（PP）纖維為基體，采用濕法造紙工藝制備碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）。通過力學性能的對比，初步獲得制備（CFRTP）較優的工藝條件。

1 實 驗

1.1材料與試劑

3、5、7 mm 碳纖維（天津工業大學制備，直徑7 μm，拉伸模量235 GPa，拉伸強度3920 MPa）；聚丙烯（PP）纖維（直徑3.0 d，長度5 mm，浙江益嘉慧實業有限公司）；聚乙烯醇（PVA）水溶性纖維（3 mm，日本可樂麗公司）；聚環氧乙烷（PEO）纖維（固含量0.4%，上海聯盛化工有限公司）。

1.2實驗設備

紙頁成型器（RK-3A，奧地利PTI 公司）；漿料疏解器（95568，奧地利PTI 公司）；掃描電子顯微鏡（S-3400N，日本先端科技有限公司）；自制模具（厚度2 mm）；層壓試驗機（MD300-30T，臨安豐源電子有限公司）；萬能試驗機（DXLL-10000，上海登杰設備有限公司）；沖擊試驗機（XJJ-50，承德金建檢測儀器制造廠）。

1.3碳纖維增強熱塑性復合材料制備

將碳纖維與PP 纖維混合后，加入分散劑PEO 以及PVA 水溶性纖維，利用漿料疏解器進行分散并制成漿料，采用紙頁成型器抄造成定量為100 g/m2的手抄片；手抄片經壓榨、干燥后，將其放入模具中，統一設置熱壓壓力為5 MPa，經層壓機熱壓后成型，制備得到碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 CFRTP工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of CFRTP

1.4性能測試

按照GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的測試方法》測試復合材料的拉力性能；制備拉伸試樣采用萬能試驗機按照GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的測試方法》和GB/T 9341—2008《塑料彎曲性能的測定》分別測試復合材料的拉伸和彎曲性能；采用沖擊試驗機按照GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊強度的測定》測試復合材料的懸臂梁沖擊性能。

2 結果與討論

2.1影響因素

對于CFRTP 制備的影響因素很多，本研究采用四因素三水平的正交實驗，研究了碳纖維含量、碳纖維長度、熱壓溫度以及熱壓時間對CFRTP 力學性能的影響。

2.2正交實驗

正交實驗設計表如表1 所示。本研究不考慮因素間的交互作用，只考察碳纖維含量、碳纖維長度、熱壓溫度以及熱壓時間4 個因素對CFRTP 性能的影響，選用L9（34）正交表，正交實驗表如表2所示。

表1 正交實驗設計Table 1 Orthogonal experimental design

表2 正交實驗方案Table 2 Orthogonal experimental scheme

按照表2的方案依次制備出相應的CFRTP，分別根據對應的標準對試樣條進行力學性能測試，得到拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性的數值，結果見表3，極差分析見表4。

表3 正交實驗結果Table 3 Orthogonal experimental results

從表4 分析得出，制備出的CFRTP 的彎曲強度和缺口沖擊韌性的最優條件為A2B2C1D2，即碳纖維含量20%、碳纖維長度5 mm、熱壓溫度190℃以及熱壓時間10 min。

表4 極差分析表Table 4 Range analysis table

由表4還可以看出，拉伸強度的影響順序為A＞B＞D＞C，彎曲強度的影響順序A＞C＞B＞D，缺口沖擊韌性的影響順序為A＞D＞C＞B。可以得出所選4個因素中碳纖維含量對CFRTP力學性能的影響最為顯著。

2.3碳纖維含量對CFRTP的力學性能影響

由正交實驗可知，碳纖維含量是影響CFRTP 的主要因素。為了進一步研究碳纖維含量對CFRTP 力學性能的影響，設計了以碳纖維含量為自變量的單一因素實驗，實驗方案見表5。實驗結果如表6所示。

表5 以碳纖維含量為自變量的單一因素實驗表Table 5 Single factor experiment table with carbon fiber content as independent variable

為了更直觀地看出碳纖維含量對CFRTP 拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性的影響，根據表6中的數據，繪制出相應變化曲線。圖2為不同碳纖維含量對應的CFRTP 的拉伸強度和拉伸彈性模量的變化曲線。由圖2 可以看出，隨著碳纖維含量的增加，CFRTP 的拉伸強度、拉伸彈性模量均先升高后降低。當碳纖維含量達到20%時，其拉伸強度、拉伸彈性模量均為最大值，相比于未添加短切碳纖維的PP纖維，其拉伸強度從29.0 MPa 增加到了83.9 MPa，提高了189%；其拉伸彈性模量由1.13 GPa提高到了2.18 GPa，提高了93%。

圖2 不同碳纖維含量CFRTP的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of CFRTP with different carbon fiber contents

表6 實驗結果Table 6 Experimental results

圖3為不同碳纖維含量對應的CFRTP的彎曲強度和彎曲彈性模量的變化曲線。從圖3可以看出，隨著碳纖維含量的增加，CFRTP 的彎曲強度、彎曲彈性模量均先升高后降低。當碳纖維含量達到20%時，其彎曲強度、彎曲彈性模量均為最大值，相比于未添加短切碳纖維的PP 纖維，其彎曲強度從34.4 MPa 增加到了52.5 MPa，提高了52%；其彎曲彈性模量由2.10 GPa提高到了5.54 GPa，提高了164%。

圖3 不同碳纖維含量CFRTP的彎曲性能Fig.3 Bending properties of CFRTP with different carbon fiber contents

圖4為不同碳纖維含量對應的CFRTP的缺口沖擊韌性的變化曲線。由圖4可以得出，隨著碳纖維含量的增加，CFRTP 的缺口沖擊韌性先升高后降低。當碳纖維含量達到20%時，缺口沖擊韌性為最大值，相比于未添加短切碳纖維的PP 纖維，其缺口沖擊韌性由4.3 kJ/m2提高到了48.2 kJ/m2，提高了1021%。

圖4 不同碳纖維含量CFRTP的缺口沖擊韌性Fig.4 Notched impact toughness of CFRTP with different carbon fiber contents

從圖2～圖4 可以看出，碳纖維含量對CFRTP 的力學性能具有相同的影響趨勢，即隨著碳纖維含量的提高，CFRTP 的力學性能均先升高后降低；碳纖維含量為20%時，其拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性均達到最大值。這是因為當碳纖維含量較低時，相應的PP 纖維含量高，力學性能相應的會低；同時熱壓時PP 纖維含量高容易被擠出，從而造成內部缺陷也會降低力學性能。隨著碳纖維含量的升高，力學性能隨之升高，當碳纖維含量超過20%時，由于碳纖維含量增加，纖維的分散變得不均勻；同時由于作為熱塑性纖維的PP 纖維含量降低，也會導致復合材料熱壓時結合不好，從而導致力學性能下降。圖5 和圖6 分別為不同碳纖維含量的CFRTP 手抄片以及斷面SEM 圖。從圖中可以看出，當碳纖維含量20%時，手抄片中碳纖維與聚丙烯纖維分散更好；同時，CFRTP 斷面纖維排列更緊密，故20%碳纖維含量的CFRTP力學性能更優。

圖5 不同碳纖維含量的CFRTP手抄片SEM圖Fig.5 SEM images of CFRTP handsheets with different carbon fiber contents

圖6 不同碳纖維含量的CFRTP斷面SEM圖Fig.6 SEM images of CFRTP section with different carbon fiber contents

3 結論

本研究以短切碳纖維為增強體，聚丙烯（PP）纖維為基體，采用濕法造紙工藝制備碳纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）。

3.1通過正交實驗，對碳纖維含量、碳纖維長度、熱壓溫度以及熱壓時間對CFRTP 力學性能的影響進行了探究。結果表明，碳纖維含量20%，碳纖維長度5 mm，熱壓溫度190℃和熱壓時間10 min 時，CFRTP力學性能較優。

3.2正交實驗表明，碳纖維含量是影響CFRTP 力學性能的重要因素。通過單一因素實驗結果表明，隨著碳纖維含量的增加，CFRTP 拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性均先上升后下降；當碳纖維含量達到20%時，CFRTP 的拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性均達到最大值，拉伸強度為83.9 MPa，彎曲強度為52.5 MPa，缺口沖擊韌性48.2 kJ/m2，相比未添加碳纖維的材料其性能分別提升了189%、52%和1021%。