短切碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究.pdf

Automobile Parts 2023.06051Preparation and Properties Research of Chopped CarbonFiber Reinforced Polypropylene Composites短切碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究收稿日期:2022-09-26作者简介:廖辉(1987),男,硕士,工程师,主要从事汽车内饰结构设计及材料开发工作。E-mail:hui.liao 。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.010短切碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究廖辉1,闫溥2,周海21.上海延锋金桥汽车饰件系统有限公司,上海 200036;2.会通新材料股份有限公司,安徽合肥 231202摘要:通过双螺杆熔融共混法制备聚丙烯/短切碳纤维(PP/SCF)复合材料,研究了 SCF 和马来酸酐接枝聚丙烯相容剂(PP-g-MAH)的用量对复合材料力学性能、流动性能及热稳定性能的影响,并采用扫描电子显微镜观察了复合材料的断面形貌。结果表明:SCF 用量对 PP 基体中的分散有显著影响,PP-g-MAH 对界面结合特性起着重要作用,两者的结合显著影响 SCF/PP 复合材料的综合性能;当 SCF 质量分数为 15%、相容剂质量分数为 9%时,其综合性能最优。关键词:聚丙烯;马来酸酐接枝聚丙烯;短切碳纤维;复合材料中图分类号:TQ327.3Preparation and Properties Research of Chopped Carbon Fiber Reinforced Polypropylene CompositesLIAO Hui1,YAN Pu2,ZHOU Hai21.Shanghai Yanfeng Jinqiao Automotive Trim System Co.,Ltd.,Shanghai 200036,China;2.Orinko Advanced Plastics Co.,Ltd.,Hefei Anhui 231202,ChinaAbstract:Polypropylene/chopped carbon fiber(PP/SCF)composites were fabricated via twin screw melt blend.The effects of the amount of SCF and the maleic anhydride grafted polypropylene(PP-g-MAH)on the mechanical properties,flow properties and thermal stabilities of composites were studied.The fracture surface morphology of PP/SCF composites was observed by scanning electron microscope(SEM).The results indicate that the dispersion condition in polypropylene matrix is significantly affected by the amount of SCF,and the PP-g-MAH plays an important role on the interface bonding characteristics,the combination of the two significantly affects the comprehensive properties of SCF/PP composites.When the mass fraction of SCF is 15%and the mass fraction of compatibilizer is 9%,its comprehensive performance is the best.Keywords:polypropylene(PP);maleic anhydride grafted polypropylene(PP-g-MAH);chopped carbon fiber;composites0 引言聚丙烯(PP)具有密度低、刚韧平衡性好、热性能和耐酸碱性能优等特点,已被广泛应用于汽车内外饰制品中。短切碳纤维(SCF)作为一种性能优异的无机填料,具有高强度、高模量、耐腐蚀优和质轻等特点。为此,将 SCF 用于增强 PP 制得 PP/SCF 复合材料用于汽车内外饰制品中,相较于传统的玻璃纤维增强 PP 复合材料,具有密度低、强度高、耐腐蚀等优势,在实现汽车节能、减排和轻量化设计要求上,具有极大的经济价值和社会意义1-4。但 PP 作为一种非极性材料,与市售 SCF 的界面黏结力较差,难以发挥 SCF 的增强特性。本文利用万能试验机、冲击试验机、熔体流动速率仪、热重分析仪器以及扫描电子显微镜等设备,系统地研究 SCF 和相容剂对PP/SCF 复合材料的力学性能、热稳定性能、流动特性和微观形貌的影响,为制备 PP/SCF 复合材料提供一定的理论支持和实践指导。1 试验部分1.1 主要原材料聚丙烯(PP)M60RHC,中国石油化工(镇海)公司生产;短切碳纤维(SCF)UTS50,日本东邦化学工业株式会社生产;马来酸酐接枝 PP 相容剂(PP-g-MAH)CMG9801,佳易容(江苏)有限公司生产。1.2 主要设备及仪器SHJ-35 型同向双螺杆挤出机,南京瑞亚装配有限公司生产;B-920 型注塑机,浙江海天塑机有限公司生产;AGS-X-20KN 型万能试验机,岛津(中国)有限公司生产;PTM-1400 型冲击试验机,深圳三思纵横科技股份有限公司生产;ZRZ1452 型熔体流动速率试验机,美特斯工业系统(中国)有限公司生产;TGA/DSC1 型热重分析仪器,瑞士梅特勒公司生产;TESCAN MIRA LMS 型扫描电子显微镜,TESCAN(中国)公司生产。2023.06 Automobile Parts052研究与开发Research&Development1.3 试样制备根据表 1 所示的质量分数,准确称取各组分材料,并将除 SCF 以外组分混合均匀,SCF 从侧喂料下机,其余组分从主喂料下机,通过双螺杆挤出、造粒,制备测试样条。表 1 PP/SCF 复合材料试样配方单位:%试样编号PPPP-g-MAHSCF1#100002#95053#900104#850155#800206#750257#823158#796159#7691510#73121511#7015151.4 测试与表征(1)力学性能测试:拉伸强度依据 ISO 5272 标准测试,拉伸速率为 50 mm/min;简支梁缺口冲击强度依据 ISO 179 标准测试,A 型缺口。(2)流动性能的测试:依据 ISO 1133 标准测试,测试温度为 230,负荷为 2.16 kg。(3)扫描电镜(SEM)表征:将样品用液氮淬断,经离子溅射仪对其断面进行喷金,利用扫描电子显微镜观察 SCF/PP 复合材料断面形貌。(4)热重(TG)测试:称取 68 mg 样品在氮气氛围下,以 10 /min 的速率升至 650。2 结果与讨论2.1 SCF 用量对复合材料力学性能的影响在 PP 中加入不同质量分数的 SCF,研究其对复合材料性能的影响。由图 1 可以看出:随 SCF 质量分数的增加,PP/SCF 复合材料的拉伸强度呈现先增加后趋于稳定的趋势,缺口冲击强度却呈现先增加后减少趋势;当 SCF 的质量分数为 15%时,PP/SCF 复合材料的拉伸强度和缺口冲击强度达到极值。图 1 SCF 质量分数对复合材料拉伸强度和缺口冲击强度的影响为进一步研究 SCF 质量分数对复合材料性能影响的原因,使用 SEM 对其断面形貌进行观察。SCF 质量分数对断面形貌的影响如图 2 所示。由图可以看出:未加入SCF 的 PP(图2 中1#试样)断面较为平滑,存在一些基体的微裂纹;随着 SCF 的加入,在复合材料的电镜图中出现了短棒状的 SCF(图 2 中 2#6#试样);在 SCF 质量分数低于 15%(图 2 中 4#试样)时,SCF 能够均匀地分散在聚合物基体中;SCF 质量分数为 20%(图 2 中 5#试样)和 25%时(图 2 中 6#试样),由于 SCF 质量分数过高不易分散导致纤维间发生团簇(如白色圈标识处)。图 2 SCF 质量分数对断面形貌的影响Automobile Parts 2023.06053这说明随着 SCF 的加入,在 PP/SCF 复合体系中SCF 确实能起到增强作用,但是随着 SCF 加入量超过15%,过量的 SCF 会在 PP 基体中发生聚集和团簇现象,这会引起体系内的缺陷增加,不利于提升 PP/SCF 复合材料拉伸强度和韧性5-6。因此,当 SCF 的质量分数为15%时,对 PP/SCF 复合材料体系发挥较好的增强和增韧作用。2.2 SCF 用量对复合材料热学性能的影响为了研究 SCF 用量对复合材料热学性能的影响,对PP/SCF 复合材料进行热失重表征,如图 3 所示。从热失重谱图中可知,PP/SCF 复合材料均在 430 附近开始热分解,SCF 的加入没有明显影响 PP 分解温度,但当 SCF 质 量 分 数 分 别 为 0、5%、10%、15%、20%、25%时,复合材料的最大分解温度分别为 459.2、462.7、463.1、463.2、463.6、466.4,说明随着 SCF 加入量增加,PP/SCF 复合材料热稳定性能变好。图 3 SCF 质量分数对复合材料热学性能的影响2.3 SCF 用量对复合材料加工性能的影响为了研究 SCF 用量对复合材料流动性能的影响,对PP/SCF 复合材料进行熔融指数(MFR)测试,如图 4所示。由图可见,随着 PP/SCF 复合材料中 SCF 含量的增加,材料的 MFR 性能先降低后上升再下降;当纤维质量分数为 15%时,迎来了反转点,这是由于碳化处理的SCF 表面很粗糙,有利于增加 SCF 与 PP 的界面结合力;当材料熔融流动时,纤维未完全脱离基体,增大了流动时的摩擦,使得材料流出速度减慢,MFR 变小。而当SCF 质量分数过高时基体中出现 SCF 团簇现象,使得纤维比表面积减小,与基体的黏结力被削弱,反而减少了摩擦7。图 4 SCF 质量分数对复合材料流动性能的影响2.4 相容剂用量对复合材料力学性能的影响考虑碳纤维表面含有大量羟基基团,为提升碳纤维和聚丙烯基体的黏结力,固定碳纤维质量分数为 15%,添加市售的马来酸酐接枝 PP(PP-g-MAH)相容剂,研究其不同用量对 SCF/PP 复合材料性能的影响,结果如图 5 所示。图 5 相容剂质量分数对复合材料拉伸强度和缺口冲击强度的影响由图 5 可见,随着相容剂用量的增加,PP/SCF 复合材料的拉伸强度和缺口冲击强度均呈现先增加后减少的趋势;当相容剂的质量分数为 9%时,两项指标均达到最大值。为了进一步研究相容剂用量对 PP/SCF 复合材料性能的影响,对其低温脆断进行断面形貌的观察,如图 6所示。由图可见,随着相容剂质量分数的增加,PP/SCF复合材料在脆断面处的 SCF 表面逐渐附着有 PP 树脂,这是导致 PP/SCF 复合材料力学性能变化的原因。Preparation and Properties Research of Chopped CarbonFiber Reinforced Polypropylene Composites短切碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究2023.06 Automobile Parts054研究与开发Research&Development图 6 相容剂质量分数对断面形貌的影响由于 SCF 和 PP 之间的界面结合力,不仅有利于外界加载的载荷通过界面由 PP 树脂转移到 SCF 上,发挥出 SCF 的增强作用,而且更能很好地提升 PP/SCF 复合材料的整体性能。但是界面结合力不宜太弱,也不宜太强,如果界面结合力太弱不利于载荷的传递,以及 SCF的增强作用,从而影响 PP/SCF 复合材料性能;如果界面黏结太强,影响复合材料断裂时纤维拨出的能量吸收过程,则会使复合材料的强度性能下降8-9。综上,相容剂质量分数为 9%时,SCF 与 PP 树脂间的界面黏结强度适中,最有利于 PP/SCF 复合材料各性能的提高。3 结论(1)随着 SCF 质量分数的增加,PP/SCF 复合材料的拉伸强度呈现先增加后趋于稳定的趋势,流动性能呈现先降低后上升再下降趋势,缺口冲击强度却呈现先增加后减少趋势,当 SCF 质量分数为 15%时,迎来了反转点。(2)随着 SCF 质量分数的增加,PP/SCF 复合材料最大分解温度有逐步上升趋势,说明 SCF 的加入在一定程度上提升 PP/SCF 复合材料的热稳定性能。(3)随着相容剂质量分数的增加,PP/SCF 复合材料的拉伸强度和缺口冲击强度均呈现先增加后减少的趋势,当相容剂的质量分数为 9%时,两项指标均达到最大值。参考文献:1 朱熠,滕腾.长纤维增强复合材料在汽车上的应用J.汽车工艺与材料,2014(4):49-59.ZHU Y,TENG T.Application of long fiber reinforced composites in automobile J.Automobile technology&material,2014(4):49-59.2 李思宇,高山俊,刘俊威,等.碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备及性能J.工程塑料应用,2017,45(12):1-7.LI S Y,GAO S J,LIU J W,et al.Preparation and properties of poly-propylene composites reinforced by short carbon fiberJ.Engineer-ing plastics application,2017,45(12):1-7.3 陈姗,唐梓健,李彦涛,等.碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备及性能研究J.中国塑料,2017,31(4):24-29.CHEN S,TANG Z J,LI Y T,et al.Study on preparation and proper-ties of carbon fiber-reinforced polypropylene J.China plastics,2017,31(4):24-29.4 TIAN H F,ZHANG S,GE X,et al.Crystallization behaviors and mechanical properties of carbon fiber-reinforced polypropylene com-positesJ.Journal of thermal analysis and calorimetry,2017,128(3):1495-1504.5 KARSLI N G,AYTAC A.Effects of maleated polypropylene on the morphology,thermal and mechanical properties of short carbon fiber reinforced polypropylene compositesJ.Materials&design,2011,32(7):4069-4073.6 袁海兵.短切碳纤维增强聚丙烯复合材料的性能J.合成树脂及塑料,2018,35(2):24-28.YUAN H B.Properties of PP composites reinforced by chopped car-bon fibersJ.China synthetic resin and plastics,2018,35(2):24-28.7 陶振刚,廖秋慧,徐晨,等.短切碳纤维增强 PP 复合材料流动性能研究J.工程塑料应用,2015,43(1):6-10.TAO Z G,LIAO Q H,XU C,et al.Research on liquidity of chopped carbon fiber reinforced PP composites J.Engineering plastics application,2015,43(1):6-10.8 任毅,景鹏展,孙宝忠,等.马来酸酐接枝聚丙烯增强碳纤维织物聚丙烯复合材料界面的研究J.塑料工业,2021,49(10):126-130.REN Y,JING P Z,SUN B Z,et al.Study on the interface of maleic anhydride grafted polypropylene reinforced carbon fiber fabric polypropylene composite J.China plastics industry,2021,49(10):126-130.9 徐胜,黄雪飞,杨斌.碳纤维表面处理对碳纤维/聚丙烯复合材料界面结合性能的影响 J.复 合 材 料 科 学 与工程,2021(1):65-71.XU S,HUANG X F,YANG B.Effect of carbon fiber surface treat-ment on interfacial bonding performance of carbon fiber reinforced polypropylene compositesJ.Composites science and engineering,2021(1):65-71.