袁文麗 譚洪生 閆旭 喬亮 王士強

(山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 淄博,255000)

連續(xù)纖維增強是提高高分子材料力學(xué)性能最有效且應(yīng)用最廣的改性方法[1-6]。目前,應(yīng)用較多的是連續(xù)纖維增強熱固性復(fù)合材料,其具有比強度高、比剛度高、耐疲勞性能和耐腐蝕性能優(yōu)異等優(yōu)點,但不可回收[7-8]。與熱固性基質(zhì)相比,熱塑性基質(zhì)更適用于提高抗沖擊性,復(fù)合材料層壓板可用于制造汽車、電子和飛機等行業(yè)的輕質(zhì)部件[9]。連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)是一種新興的復(fù)合材料[10],具有良好的可回收性且有更快的加工速度。碳纖維(CF)增強聚合物具有出色的機械性能和低密度特點,廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域[11]。但由于工藝條件的限制,國內(nèi)乃至國際對這類材料的開發(fā)和研究主要以短切纖維和長纖維為主,CFRTP 較少出現(xiàn)。連續(xù)玻璃纖維增強聚丙烯(CGF/PP)復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、抗沖擊性能好、韌性高、可二次成型、廢料可回收再利用等優(yōu)點,逐漸受到關(guān)注,PP 復(fù)合材料層壓板已在建材、汽車、電氣、包裝等諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[12-13]。

下面使用3 種不同厚度的口模,制得了不同CF含量的連續(xù)碳纖維(CCF)增強抗沖共聚PP(IPC)預(yù)浸帶,再將預(yù)浸帶按不同鋪放方式制備CCF/IPC 層壓板,研究了CF 含量及鋪放方式對CCF/IPC層壓板的沖擊性能、彎曲性能及動態(tài)力學(xué)行為的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料

CF,T700SC-24K,日本東麗株式會社;IPC,K7780,燕山石化公司;馬來酸酐(MAH),南京德巴高分子材料有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

單螺桿擠出機,SXT-I,哈爾濱哈普電氣技術(shù)有限責任公司;三輥壓延機,SJYY-550/750,東莞市森捷數(shù)控設(shè)備有限公司;萬能材料試驗機,WDW-20,吉林冠騰自動化技術(shù)有限公司;動態(tài)熱機械分析儀(DMA),DMA 242 E,德國耐馳儀器制造有限公司;加硫成型機,XH-406B,廣東錫華機械有限公司;簡支梁沖擊試驗機,XJJD-5J,北京金盛鑫檢測儀器有限公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 預(yù)浸帶制備

采用自行設(shè)計組裝的連續(xù)纖維增強熱塑性預(yù)浸帶熔融浸漬制備模具和試驗室流水線,選用寬度為28.0 mm,厚度分別為0.3,0.4,0.5 mm 的3種口模,在220 ℃下制得了CF 質(zhì)量分數(shù)分別為45%,40%,35%的預(yù)浸帶。

1.3.2 CCF/IPC層壓板制備

將預(yù)浸帶裁剪成適合模具的樣式,按照0°、0°/90°、編織3 種鋪放方式放在模具中,溫度為100 ℃,壓力為1 MPa,預(yù)熱5 min,然后將溫度升至220 ℃,壓力升至6 MPa,保溫保壓10 min,冷卻脫模,得到CCF/IPC層壓板。

1.4 測試與表征

沖擊強度按照GB/T 1043.1—2008 進行測試;彎曲強度按照GB/T 1449—2005進行測試。

DMA 分析:頻率為1 Hz,溫度為—40～160 ℃,升溫速度為5 ℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊性能

表1為CF 含量與預(yù)浸帶鋪放方式對CCF/IPC層壓板沖擊強度的影響。

表1 CF含量與預(yù)浸帶鋪放方式對CCF/lPC層壓板沖擊強度的影響

由表1可以看出:隨著CF 含量的增加,采用0°/90°與編織2種鋪放方式所得CCF/IPC 層壓板的沖擊強度均逐漸增大,采用0°鋪放方式所得CCF/IPC層壓板的沖擊強度先增大后減小,在CF質(zhì)量分數(shù)為40%時達到最大,為141.9 kJ/m2。當CF含量相同時,采用0°鋪放方式所得CCF/IPC層壓板的沖擊強度最高,約為0°/90°與編織鋪放方式的2倍,編織鋪放方式最低。造成這種現(xiàn)象的原因是:1)沖擊強度與CF 含量成正比[14],但也受CF與IPC的質(zhì)量比影響;2)CF的軸向強度很高,當CF含量相同,采用0°鋪放方式所得CCF/IPC層壓板單位面積內(nèi)CF 含量約為0°/90°與編織2種鋪放方式的2 倍;3)采用編織鋪放方式所得CCF/IPC層壓板中CF 發(fā)生彎曲,產(chǎn)生缺陷,在受到?jīng)_擊時,其單位面積的纖維強度比采用0°/90°鋪放方式所得CCF/IPC 層壓板低;4)如果CF 含量過高,IPC對CF的浸漬變差,CF未被IPC 完全浸潤,導(dǎo)致CCF/IPC層壓板沖擊強度降低。

2.2 彎曲性能

表2為CF 含量與預(yù)浸帶鋪放方式對CCF/IPC層壓板彎曲性能的影響。

表2 CF含量與預(yù)浸帶鋪放方式對CCF/lPC層壓板彎曲性能的影響

由表2可以看出:當CF含量相同時,與0°/90°和編織2種鋪放方式相比,采用0°鋪放方式所得CCF/IPC層壓板的彎曲性能最好,彎曲強度和彎曲模量均遠大于前2種鋪放方式;隨著CF含量的增加,采用3種鋪放方式所得CCF/IPC 層壓板的彎曲強度和彎曲模量均先升高后降低;當CF質(zhì)量分數(shù)為40%時,采用0°鋪放方式所得CCF/IPC層壓板的彎曲性能最好。這是因為:1)CF的加入提升了IPC的彎曲強度[15],彎曲強度與單位面積內(nèi)CF含量成正比;2)在受力方向上,與0°/90°和編織2種鋪放方式相比,采用0°鋪放方式所得CCF/IPC層壓板單位面積內(nèi)CF 含量更高,約為前2種鋪放方式的2倍;3)采用編織鋪放方式時,CF 會產(chǎn)生彎曲,不能充分發(fā)揮其補強作用,所得CCF/IPC層壓板的彎曲強度最低。

2.3 動態(tài)力學(xué)行為

圖1為CCF/IPC 層壓板儲能模量(E′)與溫度的關(guān)系,其中,圖1(a)中的樣品均采用0°鋪放方式制得,圖1(b)中樣品的CF質(zhì)量分數(shù)均為40%。

圖1 CCF/lPC層壓板E'與溫度的關(guān)系

由圖1可以看出:隨著CF含量的增加,CCF/IPC 層壓板的E′逐漸增大,當CF 質(zhì)量分數(shù)為45%時,CCF/IPC 層壓板的E′約為純IPC 的11倍;當CF含量相同時,采用0°鋪放方式所得CCF/IPC層壓板E′最高,編織鋪放方式最低。這是因為在CCF/IPC 層壓板中,CF 是外加載荷的主要承擔者,CF 含量越高,抵抗外力作用而產(chǎn)生變形的能力越強;采用0°鋪放方式時,CCF 朝向相同,采用0°/90°與編織2 種鋪放方式時,CCF 朝向不同,導(dǎo)致CCF/IPC層壓板單位面積內(nèi)承擔載荷的CF含量顯著減少;采用編織鋪放方式時,CF 會折疊,E′最低。CCF/IPC層壓板的E′隨溫度升高而降低,這是因為隨著溫度的升高,分子鏈段運動能力逐漸增強,分子間距離增大,分子間作用力減小,抵抗外力作用而產(chǎn)生變形的能力減弱。

圖2為CCF/IPC層壓板損耗因子(tanδ)與溫度的關(guān)系,其中,圖2(a)中樣品均采用0°鋪放方式制得,圖2(b)中樣品的CF質(zhì)量分數(shù)均為40%。

圖2 CCF/lPC層壓板tanδ 與溫度的關(guān)系

由圖2可以看出,隨著溫度的升高,CCF/IPC層壓板由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài),加入CF后,CCF/IPC層壓板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)出現(xiàn)不同程度的提高,表明CCF/IPC 層壓板抵抗外力作用而產(chǎn)生變形的能力出現(xiàn)不同程度的增強。

3 結(jié)論

a) 隨著CF 含量的增加,CCF/IPC 層壓板的沖擊強度、彎曲強度及彎曲模量總體均逐漸增大。

b) 當CF含量相同時,采用0°鋪放方式所得CCF/IPC層壓板沖擊強度、彎曲強度及彎曲模量均最高,0°/90°鋪放方式次之,編織鋪放方式最低。

c) 隨著CF含量的增加,CCF/IPC層壓板的E′逐漸增大,抵抗外力作用而變形的能力越高。當CF 含量相同時,采用0°鋪放方式所得CCF/IPC層壓板的E′最高,0°/90°鋪放方式次之,編織鋪放方式最低。加入CF 后,CCF/IPC 層壓板的Tg出現(xiàn)不同程度的提高。