任慶龍 夏英 張鋒鋒 張馨月 張桂霞

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連，116034)

玄武巖/碳纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料性能的研究

任慶龍 夏英*張鋒鋒 張馨月 張桂霞

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連，116034)

采用雙輥開(kāi)煉機(jī)將玄武巖纖維(X)、碳纖維(C)與聚丙烯(PP)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)進(jìn)行熔融共混，制備了PP/EVA/X/C復(fù)合材料。研究了X與C復(fù)配比例對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并探討了優(yōu)化后的復(fù)配比例對(duì)PP/EVA復(fù)合材料加工性能、熱性能的影響以及復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)情況。結(jié)果表明：當(dāng)X與C質(zhì)量比為1∶3時(shí)，PP/EVA/X/C復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較好。與PP/EVA復(fù)合材料相比，改性玄武巖纖維(SSiX)和碳纖維(SSiC)增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了15.73 MPa，彎曲強(qiáng)度提高了30.36 MPa，但沖擊強(qiáng)度有所下降。同時(shí)，與PP/EVA/X/C復(fù)合材料相比，PP/EVA/SSiX/SSiC復(fù)合材料的加工性能得到改善，熱穩(wěn)定性也得到了提高。

玄武巖纖維 碳纖維 復(fù)合材料 性能

為了提高聚丙烯(PP)的韌性，通常將PP與橡膠彈性體共混，其中PP/三元乙丙橡膠(EPDM)、PP/乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)等共混物已得到廣泛應(yīng)用[1]。但這種改性材料在韌性大幅度提高的同時(shí)，其剛性損失很大。因此為了改善PP/EVA復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度，使用綠色環(huán)保纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

玄武巖纖維(X)是一種典型的硅酸鹽纖維。具有原料來(lái)源廣、成本低、抗拉強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、透波性能優(yōu)異等性能，除此之外，玄武巖纖維還具有綠色無(wú)污染的特性[2-4]。碳纖維是一種含碳量高的無(wú)機(jī)高分子纖維，兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。

下面采用雙輥開(kāi)煉機(jī)將X、碳纖維(C)與PP，EVA進(jìn)行熔融共混，制備了PP/EVA/X/C復(fù)合材料。研究了X與C復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

PP，J340，盤錦華錦乙烯有限責(zé)任公司；EVA，EVA-18，乙酸乙烯酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%，東莞市鴻君塑膠原料有限公司；X和C，短切3 mm，海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司；NaOH，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；硅烷偶聯(lián)劑，KH550，南京道寧化工有限公司；無(wú)水乙醇，優(yōu)級(jí)純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；濃硫酸，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；甲酸，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 設(shè)備

電熱干燥箱(202-00A)及高速萬(wàn)能粉碎機(jī)(FW100)，天津市泰斯特儀器有限公司；雙輥開(kāi)煉機(jī)，SK-160B 160×320 mm，上海思南橡膠機(jī)械有限公司；平板硫化機(jī)，QLB-50D/Q，江蘇無(wú)錫市中凱橡塑機(jī)械有限公司；萬(wàn)能制樣機(jī)，HY-W，河北省承德試驗(yàn)機(jī)廠；微機(jī)控制電子萬(wàn)能機(jī)，RGT-5，深圳市瑞格爾儀器有限公司；液晶顯示沖擊試驗(yàn)機(jī)，RXJ-50，深圳市瑞格爾儀器有限公司；熔融指數(shù)儀，XRZ-400，吉林大學(xué)儀器廠；熱失重儀(TGA)，Q50，美國(guó)TA儀器；掃描電鏡(SEM)，JSM-6460 LV，日本電子公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 纖維處理

配制濃度為1 mol/L的硫酸溶液，將5 g 的X加到配好的1 mL硫酸溶液中，于80 ℃反應(yīng)2 h，反應(yīng)結(jié)束后抽濾，洗滌干燥。再采用一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的KH550溶液對(duì)酸處理后的X按比例進(jìn)行表面處理，得到改性玄武巖纖維(SSiX)，并在100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥8 h備用。處理C方法同上，得到改性碳纖維記為SSiC。

1.3.2 復(fù)合材料的制備

將X，C與PP，EVA按比例(其中纖維總用量為30份，PP用量為56份，EVA用量為14份)于(180±5) ℃雙輥開(kāi)煉機(jī)上混煉8 min，混煉均勻后下片，在溫度為(178±3) ℃、壓力為15 MPa平板硫化機(jī)上熱壓5 min，熱壓完成后再冷壓20 min得到樣板，裁成標(biāo)準(zhǔn)樣以備測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度按GB/T 6344—2008 測(cè)試，拉伸速率為50 mm/min；彎曲強(qiáng)度按GB/T 9341—2008 測(cè)試，彎曲速率為2 mm/min；懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按 GB/T 1943—2007 測(cè)試。熔體流動(dòng)速率測(cè)試按照GB/T 3682—2008標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試溫度230 ℃，負(fù)載2.16 kg；熱失重分析在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，氮?dú)饬魉贋?0 mL/min，其升溫速度為10 ℃/min，溫度為25～550 ℃。SEM測(cè)試按GB/T 16594—2008標(biāo)準(zhǔn)，試樣經(jīng)過(guò)液氮冷凍脆斷進(jìn)行噴金處理后測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 未改性纖維對(duì)PP/EVA力學(xué)性能的影響

表1為X和C兩種纖維比例對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

表1 未改性纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從表1可以看出，X和C質(zhì)量比由1∶1變化至1∶3時(shí)，PP/EVA/X/C復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，但當(dāng)X和C質(zhì)量比為1∶4時(shí)，PP/EVA/X/C復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度開(kāi)始下降。當(dāng)復(fù)配纖維中X與C質(zhì)量比例由2∶1增至4∶1時(shí)，PP/EVA/X/C復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度明顯下降，由此說(shuō)明，在該復(fù)配纖維體系中，加大C比例有利于復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的提高。另外從表1還可以看出，X與C比例由1∶1變化至1∶3時(shí)，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度由6.43 kJ/m2增至7.40 kJ/m2，C含量繼續(xù)增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度明顯下降；X與C質(zhì)量比由2∶1變化至4∶1時(shí)，沖擊強(qiáng)度由8.04 kJ/m2降至5.85 kJ/m2。綜合考慮，X和C復(fù)配質(zhì)量比為1∶3時(shí)，PP/EVA/X/C復(fù)合材料的力學(xué)性能較佳。

2.2 改性纖維對(duì)PP/EVA力學(xué)性能的影響

表2為改性纖維復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

表2 改性纖維復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從表2可以看出，X和C復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料起到了增強(qiáng)作用，其中改性纖維復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的增強(qiáng)效果最為突出，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度較PP/EVA復(fù)合材料分別提高了15.73，30.36 MPa，沖擊強(qiáng)度較PP/EVA/X/C復(fù)合材料也提高了2.70 kJ/m2。這不僅因?yàn)楦男岳w維的表面易于同基體PP/EVA相容，增加了界面黏結(jié)力，還由于與未改性纖維相比，兩種改性纖維交錯(cuò)互織能形成有效的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這有利于緩解局部應(yīng)力，因此SSiX/SSiC/PP/EVA復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能明顯提高。

2.3 改性纖維對(duì)PP/EVA熔體流動(dòng)速率的影響

經(jīng)測(cè)試PP,PP/EVA,PP/EVA/X/C,PP/EVA/SSiX/SSiC熔體流動(dòng)速率分別為1.16，3.04，2.01，3.25 g/10min。

其中PP/EVA/SSiX/SSiC復(fù)合材料的加工流動(dòng)性較好。這是因?yàn)槲锤男缘腦和C表面極性較強(qiáng)，與基體樹(shù)脂相容性較差，因此與PP/EVA復(fù)合材料相比，流動(dòng)性有所降低。而改性的纖維與基體樹(shù)脂的相容性變得較好，因此C在樹(shù)脂中的取向更佳明顯，材料熔體流動(dòng)速率加快。

2.4 PP/EVA的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1為纖維復(fù)配增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。

從圖1(a)可以看出，PP/EVA/X/C復(fù)合材料的斷面上有較多纖維裸露在外面，并且纖維表面光滑，孔洞和溝壑結(jié)構(gòu)較多。部分纖維團(tuán)聚在一處，說(shuō)明未改性復(fù)配纖維在基體中的分散性較差。從圖1(b)可以看出，纖維在基體中分散均勻，且纖維從基體中拔出的孔洞和溝壑結(jié)構(gòu)減少，纖維完全被樹(shù)脂包裹，已看不到圖1(a)中光滑的纖維表面。這是由于復(fù)配纖維均經(jīng)酸刻蝕并偶聯(lián)處理后，纖維表面變得粗糙，增加了其與樹(shù)脂基體之間的相容性，這有利于與樹(shù)脂基體之間的界面結(jié)合，從而復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度得到提高。

圖1 纖維復(fù)配增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

2.5 改性纖維復(fù)配對(duì)PP/EVA熱性能的影響

圖2為復(fù)合材料的熱失重曲線，圖3為復(fù)合材料的DTG曲線。

圖2 復(fù)合材料的熱失重曲線

由圖2、圖3可知，纖維復(fù)配增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的初始分解溫度均低于未添加纖維的PP/EVA復(fù)合材料。這可能因?yàn)閺?fù)配纖維中存在易于降解的低聚物或纖維表面物理吸附水的揮發(fā)。

圖3 復(fù)合材料的DTG曲線

從圖2、圖3還可以看出，改性纖維復(fù)配增強(qiáng)的PP/EVA復(fù)合材料質(zhì)量損失50%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度(Td50%)高于未添加纖維的復(fù)合材料的；另外，在該升溫速率下，復(fù)配纖維增強(qiáng)的PP/EVA復(fù)合材料的最大分解速率有所降低。因此，當(dāng)加入改性復(fù)配纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料時(shí)，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。

3 結(jié)論

a) X和C復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料有增強(qiáng)

作用，當(dāng)未改性X與C質(zhì)量比為1∶3時(shí)，PP/EVA/X/C復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較佳。

b) 與PP/EVA復(fù)合材料相比，改性纖維復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的增強(qiáng)效果更為突出。SSiX/SSiC/PP/EVA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度提高了15.73，30.36 MPa，但沖擊強(qiáng)度有所下降。

c) PP/EVA/SSiX/SSiC復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率為3.25 g/10min，改性纖維復(fù)配增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的加工流動(dòng)性得到了改善。

c) 復(fù)配纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的Td50%均高于未添加纖維PP/EVA復(fù)合材料的，其熱穩(wěn)定性有所提高。

[1] 宣兆龍，易建政，杜仕國(guó). 聚丙烯的共混改性研究[J]. 塑料科技，1999，(6)：17-20.

[2] 宋秋霞，劉華武，鐘智麗，等. 硅烷偶聯(lián)劑處理對(duì)玄武巖單絲拉伸性能的影響[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010, 29(1):19-22.

[3] 郭宗福，鐘智麗. 玄武巖纖維/聚丙烯熱塑板拉伸性能的研究[J].玻璃纖維，2012,(2):34-38.

[4] 吳佳林. 連續(xù)玄武巖纖維的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].化纖與紡織技術(shù)，2012,41(3):38-41.

Properties of Basalt and Carbon Fibers Reinforced PP/EVA Composites

Ren Qinglong Xia Ying Zhang Fengfeng Zhang Xinyue Zhang Guixia

(School of Textile and Material Engineering,Dalian Polytechnic University, Dalian，Liaoning,116034)

The PP/EVA/X/C composite was prepared with the basalt (X) fiber, carbon fiber (C), PP and EVA by blending in a double roller mixer. The effect of the proportion of these two kinds of fibers on the mechanical properties of PP/EVA composite was investigated. Meanwhile, the processability, thermal properties and morphology structure of the composite were also analyzed. The results showed that when the proportion of X and C was 1:3, the comprehensive mechanical properties of PP/EVA/X/C composite was better. Compared with the PP/EVA composite, the tensile strength and flexural strength of the modified basalt (SSiX) and carbon (SSiC) fibers reinforced PP/EVA composite increased by 15.73 MPa and 30.36 MPa respectively, but its impact strength declined. In addition, the processability and thermal stability of PP/EVA/SSiX/SSiC composite were improved compared to PP/EVA/X/C composite.

basalt fiber; carbon fiber; composite; properties

2016-06-15;修改稿收到日期:2016-10-15。

任慶龍,男,碩士研究生,主要從事高分子材料加工和改性以及功能復(fù)合材料的研究。

*通信聯(lián)系人,E-mail:xiaying961@163.com。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.06.005