碳纤维对聚丙烯结晶及热力学性能的影响

　　摘要：利用单螺旋杆挤出机制备了聚丙烯/碳纤维复合材料，控制碳纤维含量研究其对复合材料的结构、力学性能和耐热性能的影响。实验表明，少量碳纤维的加入提高了聚丙烯复合材料的结晶率，当碳纤维加入到5%时，复合材料结晶率反而降低;复合材料的冲击韧性随着碳纤维含量的提高而显著提高，耐热性明显提高，硬度和拉伸强度稍有下降。

　　关键词：聚丙烯;碳纤维;韧性;耐热性;结晶率

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　　通用塑料聚丙烯(PP)由單体丙烯聚合而成，属于热塑性材料。其具有高强度和高耐热性，同时有优异的绝缘性、环保性、耐腐蚀性等优点，是一种综合性能优良的材料[1-3]。

　　PP材料被广泛应用于包装、汽车、机械等领域，在国内具有很大的市场。但PP材料仍有一些缺点，比如低温韧性差、成型收缩率大等，这限制了PP材料在应用领域的发展和推广[4-5]。

　　近年来，将PP材料与弹性体共混以达到增韧效果的研究方法高效并且简单[6-7]。加入具有优良弹性的碳纤维能将PP材料的塑韧性大幅提高，但其含量较高时，复合材料的耐热性、强度、刚性大幅降低。本研究采用熔融共混法制备复合材料[8-10]，掺入不同含量碳纤维，探究其对基体增韧效果的影响，同时通过测试复合材料的力学性能、耐热性等，考察了其对复合材料性能的影响。

　　1 实验部分

　　1.1 主要原料及设备

　　原料：聚丙烯(PP);碳纤维(CF)。

　　设备情况见表1。

　　1.2 试样制备

　　将干燥后的PP和碳纤维按比例分别称取，在混料机中混合均匀，加入到单螺旋杆挤出机中熔融共混，制备PP/碳纤维复合材料。碳纤维含量分别为0%、1.5%、3%、5%。单螺旋杆挤出机参数为：加热段机头温度为200 ℃，螺杆转速220 r/min。最后用注塑机将共混物注射为标准样条，注射温度为210 ℃。

　　1.3 性能测试

　　力学性能测试：以GB/T 1040—2006《塑料 拉伸性能的测定》为标准，拉伸速度为20 mm/min;冲击性能测试以GB/T 1843—2008《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》为标准，测试温度为(35±2) ℃。硬度测试采用洛氏硬度试验法。每组3个试样，取平均值。

　　维卡软化点测试(VST)：以GB/T 1633—2000《热塑性塑料维卡软化温度(VST)的测定》为标准，升温速度120 ℃/h，以硅油为传导介质。

　　XRD衍射分析：衍射角范围10°～28°，管电流20 mA，管电压30 kV。

　　2 结果与讨论

　　2.1 力学性能分析

　　2.1.1 碳纤维含量对PP材料拉伸性能的影响

　　碳纤维含量对PP材料拉伸强度的影响如图1所示。由图1可以看出，PP材料的拉伸强度随碳纤维含量升高而降低，且碳纤维含量低于3%时，拉伸强度受较大影响，下降速度较快。在含量大于3%后并没有大幅下降，对基体的影响不明显。说明碳纤维的加入会降低共混物的抗拉强度，然后随着碳纤维含量的提高影响有所减弱。复合材料的拉伸对应着材料变形的3个阶段。弹性变形、塑性变形和断裂。当复合材料变形达到一定程度，碳纤维键角变形到极限，发生塑形变形，继续加大轴向拉伸力，轴向分子链被破坏，发生宏观断裂[11]。

　　2.1.2 碳纤维含量对PP材料冲击性能的影响

　　碳纤维含量对PP材料冲击强度的影响如图2所示。可以看出，随着碳纤维含量的增加，PP/碳纤维复合材料的冲击强度大幅提高。其中，碳纤维含量为5%的PP复合材料冲击强度最大，是纯PP材料冲击强度的3倍，为26.5 kJ/m2。结果表明，碳纤维的加入能够显著提高PP的冲击韧性。弹性体对基体PP的增韧机制主要是，弹性体颗粒均匀分布在基体PP中，作为分散相增强材料。当受到外力时，应力集中于弹性体颗粒，颗粒发生形变或破碎，吸收了冲击能量，进而终止了微裂纹的形成和长大[12]。

　　2.1.3 碳纤维含量对PP材料硬度的影响

　　由图3表示，碳纤维的含量对PP材料的硬度影响较大。随着碳纤维含量的增加，PP复合材料的硬度明显下降。当碳纤维含量大于3%时，材料硬度下降速度大于含量小于3%的下降速度。碳纤维的加入对材料硬度的影响较大。

　　2.2 耐热性能分析

　　维卡软化温度是表征材料耐热性的指标之一。为了研究碳纤维增韧的同时对复合材料耐热性的影响，对维卡软化温度进行了测试。从图4可以看出，向PP材料中加入碳纤维后，维卡软化温度有所提高。随着碳纤维含量的增加维卡软化温度呈先快速后缓慢升高的趋势。当碳纤维含量为5%时，其维卡软化温度为88 ℃，相对未添加碳纤维的PP材料，维卡软化温度提升了9.3%。材料制备合成时，加入的碳纤维根据阻力最小原则，沿着聚丙烯融体流动方向发生排列，形成片状结构，在某个方向提升材料刚度，使其能够承受较大的外力，并且能够抗材料在高温下在该垂直方向的蠕动，一定程度上阻止了大分子链的移动[13]。实验结果表明，PP复合材料增强材料韧性的同时，又增强了其耐热性。

　　2.3 XRD分析

　　XRD是表征物相的方法，为了研究碳纤维对PP材料的结构的影响，对3组实验XRD进行了测试。图5分别为不同含量碳纤维/PP复合材料的XRD衍射图谱。3条曲线在17° 、19° 和22° 附近有3个明显的峰，与PP材料的α相的PDF卡相吻合。从实验结果可以看出，随着碳纤维含量的递增，α相特征峰向左移。同时，随着碳纤维含量的递增，峰强先增加后减小，当碳纤维含量在1.5%时峰强最高，此时PP结晶率最大，表明碳纤维的加入增大了材料的结晶率。

　　3 结论

　　本实验将不同比例的PP和碳纤维通过单螺旋杆挤出制备成复合材料。实验结果表明：

　　1)材料的力学性能随着碳纤维含量升高而产生明显变化，碳纤维能明显改善PP材料的冲击韧性，最高冲击强度为26.1 kJ/m2，与纯PP材料相比较提高了283%，但拉伸强度和硬度有所下降。

　　2)复合材料的耐热性随碳纤维含量的增加而提高，含量为5%的碳纤维/PP复合材料，其维卡软化温度为88 ℃，较未添加碳纤维的PP材料，其维卡软化温度提升了9.3%。

　　3)碳纤维的加入对PP材料的结晶有影响。当碳纤维含量为1.5%时，此时PP材料結晶速率最大，当含量为5%时，材料的结晶率最小。

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