摘要：利用單螺旋桿擠出機制備了聚丙烯/碳纖維復合材料，控制碳纖維含量研究其對復合材料的結構、力學性能和耐熱性能的影響。實驗表明，少量碳纖維的加入提高了聚丙烯復合材料的結晶率，當碳纖維加入到5%時，復合材料結晶率反而降低;復合材料的沖擊韌性隨著碳纖維含量的提高而顯著提高，耐熱性明顯提高，硬度和拉伸強度稍有下降。
關鍵詞：聚丙烯;碳纖維;韌性;耐熱性;結晶率
《齊魯工業大學學報》(雙月刊)創刊于1987年9月，是山東省教育廳主管、山東輕工業學院主辦、面向國內外公開發行的綜合性自然科學學術期刊。
通用塑料聚丙烯(PP)由單體丙烯聚合而成，屬于熱塑性材料。其具有高強度和高耐熱性，同時有優異的絕緣性、環保性、耐腐蝕性等優點，是一種綜合性能優良的材料[1-3]。
PP材料被廣泛應用于包裝、汽車、機械等領域，在國內具有很大的市場。但PP材料仍有一些缺點，比如低溫韌性差、成型收縮率大等，這限制了PP材料在應用領域的發展和推廣[4-5]。
近年來，將PP材料與彈性體共混以達到增韌效果的研究方法高效并且簡單[6-7]。加入具有優良彈性的碳纖維能將PP材料的塑韌性大幅提高，但其含量較高時，復合材料的耐熱性、強度、剛性大幅降低。本研究采用熔融共混法制備復合材料[8-10]，摻入不同含量碳纖維，探究其對基體增韌效果的影響，同時通過測試復合材料的力學性能、耐熱性等，考察了其對復合材料性能的影響。
1 實驗部分
1.1 主要原料及設備
原料：聚丙烯(PP);碳纖維(CF)。
設備情況見表1。
1.2 試樣制備
將干燥后的PP和碳纖維按比例分別稱取，在混料機中混合均勻，加入到單螺旋桿擠出機中熔融共混，制備PP/碳纖維復合材料。碳纖維含量分別為0%、1.5%、3%、5%。單螺旋桿擠出機參數為：加熱段機頭溫度為200 ℃，螺桿轉速220 r/min。最后用注塑機將共混物注射為標準樣條，注射溫度為210 ℃。
1.3 性能測試
力學性能測試：以GB/T 1040—2006《塑料 拉伸性能的測定》為標準，拉伸速度為20 mm/min;沖擊性能測試以GB/T 1843—2008《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》為標準，測試溫度為(35±2) ℃。硬度測試采用洛氏硬度試驗法。每組3個試樣，取平均值。
維卡軟化點測試(VST)：以GB/T 1633—2000《熱塑性塑料維卡軟化溫度(VST)的測定》為標準，升溫速度120 ℃/h，以硅油為傳導介質。
XRD衍射分析：衍射角范圍10°～28°，管電流20 mA，管電壓30 kV。
2 結果與討論
2.1 力學性能分析
2.1.1 碳纖維含量對PP材料拉伸性能的影響
碳纖維含量對PP材料拉伸強度的影響如圖1所示。由圖1可以看出，PP材料的拉伸強度隨碳纖維含量升高而降低，且碳纖維含量低于3%時，拉伸強度受較大影響，下降速度較快。在含量大于3%后并沒有大幅下降，對基體的影響不明顯。說明碳纖維的加入會降低共混物的抗拉強度，然后隨著碳纖維含量的提高影響有所減弱。復合材料的拉伸對應著材料變形的3個階段。彈性變形、塑性變形和斷裂。當復合材料變形達到一定程度，碳纖維鍵角變形到極限，發生塑形變形，繼續加大軸向拉伸力，軸向分子鏈被破壞，發生宏觀斷裂[11]。
2.1.2 碳纖維含量對PP材料沖擊性能的影響
碳纖維含量對PP材料沖擊強度的影響如圖2所示。可以看出，隨著碳纖維含量的增加，PP/碳纖維復合材料的沖擊強度大幅提高。其中，碳纖維含量為5%的PP復合材料沖擊強度最大，是純PP材料沖擊強度的3倍，為26.5 kJ/m2。結果表明，碳纖維的加入能夠顯著提高PP的沖擊韌性。彈性體對基體PP的增韌機制主要是，彈性體顆粒均勻分布在基體PP中，作為分散相增強材料。當受到外力時，應力集中于彈性體顆粒，顆粒發生形變或破碎，吸收了沖擊能量，進而終止了微裂紋的形成和長大[12]。
2.1.3 碳纖維含量對PP材料硬度的影響
由圖3表示，碳纖維的含量對PP材料的硬度影響較大。隨著碳纖維含量的增加，PP復合材料的硬度明顯下降。當碳纖維含量大于3%時，材料硬度下降速度大于含量小于3%的下降速度。碳纖維的加入對材料硬度的影響較大。
2.2 耐熱性能分析
維卡軟化溫度是表征材料耐熱性的指標之一。為了研究碳纖維增韌的同時對復合材料耐熱性的影響，對維卡軟化溫度進行了測試。從圖4可以看出，向PP材料中加入碳纖維后，維卡軟化溫度有所提高。隨著碳纖維含量的增加維卡軟化溫度呈先快速后緩慢升高的趨勢。當碳纖維含量為5%時，其維卡軟化溫度為88 ℃，相對未添加碳纖維的PP材料，維卡軟化溫度提升了9.3%。材料制備合成時，加入的碳纖維根據阻力最小原則，沿著聚丙烯融體流動方向發生排列，形成片狀結構，在某個方向提升材料剛度，使其能夠承受較大的外力，并且能夠抗材料在高溫下在該垂直方向的蠕動，一定程度上阻止了大分子鏈的移動[13]。實驗結果表明，PP復合材料增強材料韌性的同時，又增強了其耐熱性。
2.3 XRD分析
XRD是表征物相的方法，為了研究碳纖維對PP材料的結構的影響，對3組實驗XRD進行了測試。圖5分別為不同含量碳纖維/PP復合材料的XRD衍射圖譜。3條曲線在17° 、19° 和22° 附近有3個明顯的峰，與PP材料的α相的PDF卡相吻合。從實驗結果可以看出，隨著碳纖維含量的遞增，α相特征峰向左移。同時，隨著碳纖維含量的遞增，峰強先增加后減小，當碳纖維含量在1.5%時峰強最高，此時PP結晶率最大，表明碳纖維的加入增大了材料的結晶率。
3 結論
本實驗將不同比例的PP和碳纖維通過單螺旋桿擠出制備成復合材料。實驗結果表明：
1)材料的力學性能隨著碳纖維含量升高而產生明顯變化，碳纖維能明顯改善PP材料的沖擊韌性，最高沖擊強度為26.1 kJ/m2，與純PP材料相比較提高了283%，但拉伸強度和硬度有所下降。
2)復合材料的耐熱性隨碳纖維含量的增加而提高，含量為5%的碳纖維/PP復合材料，其維卡軟化溫度為88 ℃，較未添加碳纖維的PP材料，其維卡軟化溫度提升了9.3%。
3)碳纖維的加入對PP材料的結晶有影響。當碳纖維含量為1.5%時，此時PP材料結晶速率最大，當含量為5%時，材料的結晶率最小。
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