張逸飛

摘 要：采用熔融浸漬法制備纖維增強PA6復合材料，研究了纖維含量對廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料力學性能、斷口形貌和熱穩(wěn)定性的影響。結果表明：廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的拉伸強度會隨纖維含量逐漸增加而先增加后減??；添加纖維的復合材料的儲能模量都高于PA6，纖維增強復合材料的導熱性能都由于PA6；在纖維質量分數(shù)為45%時取得最大值約986 MPa、最大的結晶峰溫度和初始結晶溫度復合材料具有最佳的導熱性能；廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的結晶峰溫度和初始結晶溫度隨著纖維含量增加都表現(xiàn)為先升高后減小。適宜的廢鉛蓄電池存儲用纖維增強PA6復合材料的纖維添加量為45%。

關鍵詞：纖維增強PA6；纖維含量；拉伸性能；熱穩(wěn)定性

中圖分類號：TQ327；TB332

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0090-03

Performance testing and characterization of carbon fiber composite materials used for storing waste lead-acid batteries

ZHANG Yifei

（Mining & Metallurgy Technology Group Co.，Ltd.，Beijing 100160，China

）

Abstract：Fiber reinforced PA6 composite materials were prepared by melt impregnation method.The effect of fiber content on the mechanical properties，fracture morphology，and thermal stability of carbon fiber composite materials used for storage of waste lead batteries was studied.The results showed that the tensile strength of carbon fiber composite materials used for storage of waste lead batteries increased first and then decreased with the gradual increase of fiber content，reaching a maximum value of approximately 986 MPa at a fiber content of 45%.The storage modulus of composite materials with added fibers was higher than PA6，and the thermal conductivity of fiber reinforced composite materials was better than PA6.The composite material had the best thermal conductivity when the fiber content was 45%; The crystallization peak temperature and initial crystallization temperature of carbon fiber composite materials used for waste lead battery storage both increased and then decreased with the increase of fiber content.The appropriate fiber addition amount of fiber reinforced PA6 composite material for waste lead battery storage was 45%.

Key words：fiber reinforced PA6;fiber content;tensile properties;thermal stability

碳纖維增強熱塑性樹脂材料由于具有質量輕、高強高韌、耐摩擦和耐疲勞性能好、尺寸精度高等特性［1］，有望在廢鉛蓄電池存儲用材料中得到廣泛應用。目前，碳纖維增強熱塑性樹脂材料的研究多集中在纖維改性［2］、制備工藝［3］等方面，對于纖維含量對碳纖維增強熱塑性樹脂力學性能和熱穩(wěn)定性等方面的研究較少［4-6］。選取廢鉛蓄電池存儲用碳纖維增強熱塑性樹脂為研究對象，研究了纖維含量對廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料力學性能、斷口形貌和熱穩(wěn)定性的影響，結果將有助于高綜合性能的廢鉛蓄電池存儲用碳纖維增強熱塑性樹脂的開發(fā)并推動其應用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗原料包括T700 SC-24K型碳纖維、TP-4208型PA6樹脂、A型抗氧化劑。

1.2 制備方法

采用熔融浸漬法［7］制備廢鉛蓄電池存儲用碳纖維增強熱塑性樹脂材料，預先對PA6樹脂進行真空干燥，連續(xù)碳纖維經過預熱預分散后進行熔融浸漬，然后加入PA6樹脂，采用三輥壓延機進行壓延處理后進行牽引、卷取［8］，得到纖維增強PA6復合材料。

1.3 測試與表征

室溫拉伸性能測試采用INSTRON-5969型拉伸試驗機進行，試樣長度為250 mm、拉伸速率為5 mm/min，每組試樣6根，結果取其平均值；采用華為P40手機和JSM-6800型掃描電子顯微鏡對復合材料的拉伸斷口形貌進行觀察；采用STA449C型同步熱分析儀進行差示掃描量熱分析和熱失重分析［9］，保護氣為氮氣。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

圖1為纖維含量對廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料拉伸強度的影響。

由圖1可知，當纖維含量為0時，廢鉛蓄電池存儲用材的拉伸強度為71 MPa；增加纖維含量，廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的拉伸強度減小至797 MPa。由此可見，碳纖維的添加可以增強廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的拉伸強度，但是并不是纖維含量越高越好，在纖維含量為45%時復合材料可以取得最大的拉伸強度。這主要是因為碳纖維加入后可以起到增強骨架作用，在一定含量添加范圍內可以起到增強作用［10］，但是如果纖維含量過高，纖維難以被樹脂浸漬，造成部分纖維沒有被樹脂包覆且局部纖維會聚集而造成粘接性變差［11］，復合材料內部缺陷增多，在承受外加載荷時復合材料會優(yōu)先從缺陷處萌生裂紋并造成拉伸強度降低。

圖2為廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料拉伸斷口的微觀形貌，纖維含量為45%。從拉伸斷口的微觀形貌中可見，纖維與樹脂發(fā)生了良好浸漬，纖維都發(fā)生了斷裂而未在斷面發(fā)現(xiàn)明顯缺陷；從纖維外表面形貌中可見，纖維外表面被樹脂所包覆，這與前述的宏觀斷口形貌觀察結果相吻合。

2.2 動態(tài)熱機械性能

圖3為廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的動態(tài)熱機械分析結果。

從圖3可見，添加纖維的復合材料的儲能模量都高于PA6，表明纖維添加有助于提升復合材料抵抗變形的能力，但是在較高的溫度下復合材料的儲能模量會降低，這主要與溫度升高時預浸料的儲能模量會有較大幅度下降有關［12］，且較高溫度范圍內纖維含量為45%的復合材料的儲能模量較高。

2.3 熱穩(wěn)定性

圖4為廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的TG和DTG曲線。

從圖4可以看出，纖維的添加會使得復合材料的初始降解溫度先減小后增大，后期分解溫度也呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，這主要是因為復合材料中纖維自身具有良好的導熱作用，導熱性能會優(yōu)于PA6，且纖維含量為45%時復合材料具有最佳的導熱性能，這主要是因為此時纖維含量較高且浸漬較好，相應具有良好導熱性有關［13］，而過多的顯微添加會使得復合材料出現(xiàn)不完全包覆狀態(tài)，纖維也會出現(xiàn)局部聚集而產生缺陷［14］，導熱性能會一定程降低。

圖5為廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的DSC曲線。

由圖5復合材料的DSC曲線碳纖維對比分析可知，不同纖維含量的廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的結晶峰溫度和初始結晶溫度都相較于PA6樹脂發(fā)生右偏移，這也說明纖維增加會一定程度上提高復合材料的結晶峰溫度和初始結晶溫度，且結晶峰寬有明顯降低。此外，廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的結晶峰溫度和初始結晶溫度會隨著纖維含量增加表現(xiàn)出相同趨勢，即先升高而減小，在纖維含量為45%時具有最大的結晶峰溫度和初始結晶溫度，這主要與此時纖維能與樹脂有效浸漬，不會產生局部纖維聚集和空隙等有關［15］。

3 結語

（1）廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的拉伸強度隨著纖維含量逐漸增加而先增加后減小，在纖維含量為45%時取得最大值，約為986 MPa；繼續(xù)增加纖維含量至50%，廢鉛蓄電池存儲用碳纖維復合材料的拉伸強度減小至797 MPa；

（2）添加纖維的復合材料的儲能模量都高于PA6，但是在較高的溫度下復合材料的儲能模量會降低；

（3）纖維增強復合材料的導熱性能都優(yōu)于PA6，且纖維含量為45%時復合材料具有最佳的導熱性能；在纖維含量為45%時纖維增強復合材料具有最大的結晶峰溫度和初始結晶溫度。

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