長碳纖/長玻纖混雜增強聚丙烯復合材料的性能研究

張 麗 張 瑞 赫玉欣

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

混雜纖維復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，旨在彌補單一纖維增強所存在的缺點和不足?；祀s纖維的組合形式不僅可以彌補單一纖維的缺點，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PP材料(CFRP)，碳纖維/玻璃纖維混雜復合材料不僅具有高的斷裂延伸率，且其中碳纖維發(fā)揮的拉伸強度要比在CFRP中高出40%以上[2]。

碳纖維/玻璃纖維增強聚丙烯復合材料結合了碳纖維(CF)、玻璃纖維(GF)及聚丙烯(PP)三者的優(yōu)點，改善了原材料的缺點和不足，重點提高了材料的機械性能，在汽車船舶、航空航天、交通運輸等領域均有廣闊的應用前景[3-5]。目前，國內外對CF/GF增強PP復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合材料的機械性能，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PP復合材料性能的研究報道還較少。

本文以兩種長纖維增強聚丙烯復合材料為原料，采用注塑成型的方法制備了一系列長碳纖/長玻纖混雜增強聚丙烯復合材料，考察了混雜纖維質量分數變化對復合材料力學性能的影響，并對其微觀結構進行了表征。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

長玻纖增強聚丙烯(GF/PP，牌號：LFT-G?PP-NA-LGF30，纖維質量分數為30%，纖維長度為12.0 mm)；長碳纖增強聚丙烯(CF/PP，牌號：LFT-G?PP-NA-LCF30，纖維質量分數為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(型號：KTE20/500-4-40，寧波市海達塑料機械有限公司)；萬能材料試驗機(型號：WDW-10，濟南試金集團有限公司)；懸臂梁擺錘沖擊試驗機(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 混雜復合材料的制備

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

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

1.3 表征方法

參照ISO527-2-2012 和ISO1802000 標準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 結果與討論

圖1為復合材料試樣的拉伸強度圖。由圖可知，在混雜纖維質量分數為30%的前提下，復合材料的拉伸強度隨碳纖含量的降低而降低。當試樣中CF和GF的質量分數分別為25%和5%時，復合材料的抗拉強度最優(yōu)，約為115 MPa，明顯優(yōu)于純PP的抗拉強度。

圖1 試樣的拉伸強度Fig. 1 Tensile strength of the samples

圖2為復合材料試樣的斷裂伸長率圖。由圖可知，在混雜纖維質量分數為30%的前提下，復合材料的斷裂伸長率的變化趨勢與拉伸強度的變化趨勢完全相反。當試樣中CF和GF的質量分數分別為25%和5%時，復合材料的楊氏模量約為3%；當試樣中CF和GF的質量分數分別為5%和25%時，復合材料的斷裂伸長率約為7%；混雜復合材料的斷裂伸長率均遠遠低于純PP的203%。

圖3為復合材料試樣的楊氏模量圖。由圖可知，在混雜纖維質量分數為30%的前提下，復合材料的楊氏模量隨試樣中碳纖質量分數的降低而呈現逐漸降低的變化趨勢。當試樣中CF和GF的質量分數分別為25%和5%時，復合材料的楊氏模量約為1 816 MPa；當試樣中CF和GF的質量分數分別為5%和25%時，復合材料的沖擊強度約為1 500 MPa；混雜復合材料的楊氏模量均遠遠高于純PP的125 MPa。

圖4為復合材料試樣的沖擊強度圖。由圖可知，在混雜纖維質量分數為30%的前提下，復合材料的沖擊強度隨試樣中碳纖維質量分數的降低而呈現下降的趨勢。當試樣中CF和GF的質量分數分別為25%和5%時，復合材料的沖擊強度約為19 kJ/m2；當試樣中CF和GF的質量分數分別為5%和25%時，復合材料的斷裂伸長率約為12 kJ/m2；混雜復合材料的沖擊強度均高于純PP的8 kJ/m2。

圖4 試樣的沖擊強度Fig. 4 Tensile strength of the samples

圖5為復合材料試樣沖擊斷面的SEM圖。由圖可知，純PP的斷面(圖5a)呈現類似階梯狀的結構，表明純PP呈現韌性斷裂。與純PP相比，混雜復合材料的沖擊斷面的形貌則要復雜的多。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PP復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 結論

采用注塑成型的方法制備了長碳纖/長玻纖混雜增強聚丙烯復合材料。在混雜纖維總質量分數為30%的前提下，復合材料的拉伸強度、楊氏模量及沖擊強度均隨CF質量分數的下降而降低。當試樣中CF和GF的質量分數分別為25%和5%時，復合材料的拉伸強度、楊式模量及沖擊強度分別為115 MPa、1 816 MPa 和19 KJ/m2?；祀s復合材料的力學性能均優(yōu)于純PP。