蘆葦/碳纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的制備及性能研究

叢世杰，任慶龍，夏 英，張鋒鋒，張馨月

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

蘆葦/碳纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的制備及性能研究

叢世杰，任慶龍，夏 英*，張鋒鋒，張馨月

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

采用雙輥開煉機(jī)將蘆葦纖維(LF)、碳纖維(CF)與聚丙烯(PP)、聚醋酸乙烯酯(EVA)進(jìn)行熔融共混，制備了PP/EVA/LF/CF復(fù)合材料，以及LF經(jīng)堿處理、CF經(jīng)硫酸/硅烷偶聯(lián)劑處理后，制備了PP/EVA/改性蘆葦纖維(ALF)/改性碳纖維(SSiCF)復(fù)合材料，研究了2種纖維復(fù)配質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，探討了復(fù)配改性纖維對(duì)復(fù)合材料接觸角、熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：當(dāng)LF與CF復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，PP/EVA/LF/CF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，ALF與SSiCF復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)， PP/EVA/ALF/SSiCF的拉伸強(qiáng)度提高了11.13 MPa，彎曲強(qiáng)度提高了16.31MPa，沖擊強(qiáng)度降低；PP/EVA/ALF/SSiCF復(fù)合材料較PP/EVA復(fù)合材料的表面親水接觸角提高了7°，殘?zhí)柯视?增加至23.1%，熱穩(wěn)定性明顯提高。

聚丙烯 聚醋酸乙烯酯 蘆葦纖維 碳纖維 復(fù)合材料 接觸角 熱穩(wěn)定性

聚丙烯(PP)具有良好的物理和化學(xué)性能，且價(jià)格低廉，但因其具有低溫韌性差、尺寸收縮率大、不耐老化等缺點(diǎn)[1-2]，限制了其在結(jié)構(gòu)材料和工程塑料方面的應(yīng)用。近十年以來，由天然植物纖維增塑熱塑性樹脂制備的復(fù)合材料一直倍受關(guān)注[3]。蘆葦纖維(LF)作為一種天然植物纖維，價(jià)格便宜、生長(zhǎng)周期比較短、來源廣泛，是一種生物可降解性的材料，因此它有望成為未來增強(qiáng)復(fù)合材料的一種新型材料[4-5]，但是LF增強(qiáng)復(fù)合材料存在耐熱性差的弊端。碳纖維(CF)作為一種高性能無機(jī)纖維，具有密度小，強(qiáng)度高、耐熱性較好的優(yōu)勢(shì)，在航空、航天、建筑等領(lǐng)域應(yīng)用極其廣泛[6]，目前，CF及其復(fù)合材料已經(jīng)成為我國(guó)新材料行業(yè)的領(lǐng)軍產(chǎn)品[7]。但由于CF本身的表面性質(zhì)，用其增強(qiáng)的復(fù)合材料較難呈現(xiàn)良好的力學(xué)性能。為此，作者采用機(jī)械共混的方法，研究了LF與CF的復(fù)配質(zhì)量比對(duì)PP/聚醋酸乙烯酯(EVA)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，探討了改性纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料表面親水接觸角、熱穩(wěn)定性的影響，以期通過天然有機(jī)纖維與無機(jī)纖維優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

PP：牌號(hào)J340，盤錦華錦乙烯有限責(zé)任公司產(chǎn)；EVA：醋酸乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%，東莞市鴻君塑膠原料有限公司產(chǎn)；CF：海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司產(chǎn)；蘆葦板：由大連工業(yè)大學(xué)輕工與化工學(xué)院提供；硅烷偶聯(lián)劑KH-550：南京道寧化工有限公司產(chǎn)；無水乙醇：優(yōu)級(jí)純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司產(chǎn)；濃硫酸(H2SO4)：天津市瑞金特化學(xué)品有限公司產(chǎn)；甲酸、氫氧化鈉(NaOH)：分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)。

1.2 設(shè)備

SK-160B雙輥塑煉機(jī)：160 mm×320 mm，上海思南橡膠機(jī)械有限公司制；202- 00A電熱干燥箱，F(xiàn)W100高速萬能粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司制；QLB-50D/Q平板硫化機(jī)：江蘇無錫市中凱橡塑機(jī)械有限公司制；HY-W萬能制樣機(jī)：河北省承德試驗(yàn)機(jī)廠制；RGT-5型微機(jī)控制電子萬能機(jī)、RXJ-50型液晶顯示沖擊試驗(yàn)機(jī)：深圳市瑞格爾儀器有限公司制；JYSP-360型接觸角測(cè)定儀：北京金盛鑫檢測(cè)儀器有限公司制；Q50型熱失重分析儀：美國(guó)TA儀器公司制。

1.3 試樣制備

1.3.1 LF堿處理

配制一定質(zhì)量濃度的NaOH溶液，將LF按照0.2 g/mL加入到NaOH溶液中，在一定溫度下處理一定時(shí)間，處理完成后抽濾，再采用甲酸溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%)洗除殘留NaOH，然后用去離子水洗滌3次，得到堿處理蘆葦纖維(ALF)，并在100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h備用。

1.3.2 H2SO4和KH-550聯(lián)合處理CF

配制濃度為1 mol/L的硫酸溶液，將CF按5 g/mL加入配好的硫酸溶液中，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KH-550溶液對(duì)酸處理后的CF進(jìn)行表面處理，得到改性碳纖維(SSiCF)，并在100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h備用。

1.3.3 復(fù)合材料的制備

將LF，CF與PP，EVA按一定質(zhì)量比(纖維:PP:EVA為15:28:7)混合，于(180±5)℃雙輥混煉機(jī)上混煉5～8 min，混煉均勻后下片，在溫度為(178±3)℃、壓力為15 MPa的平板硫化機(jī)上熱壓300 s，熱壓完成后再冷壓20 min得到樣板，再靜置24 h后裁成標(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。

接觸角：采用JYSP-360型接觸角測(cè)定儀測(cè)量所制備的復(fù)合材料與水的接觸角，測(cè)量3次并取平均值。

熱重(TG)分析：采用Q50型熱失重分析儀測(cè)試復(fù)合材料在氮?dú)鈿夥障碌臒岱€(wěn)定性能。測(cè)試條件為氮?dú)饬魉?0 mL/min，升溫速率15 ℃/min，試樣質(zhì)量5～10 mg，溫度30～550 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 LF與CF復(fù)配質(zhì)量比

從表1可以看出：當(dāng)LF與CF的復(fù)配質(zhì)量比由1:1變化至1:5時(shí)，隨CF復(fù)配比例的增加，PP/EVA/LF/CF復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)LF與CF的復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，PP/EVA/LF/CF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均達(dá)到最大值，而沖擊強(qiáng)度呈先增后降的變化趨勢(shì)；當(dāng)LF與CF的復(fù)配質(zhì)量比由2:1變化至5:1時(shí)，隨LF復(fù)配比例的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度明顯減弱，而且沖擊強(qiáng)度也降低。因此綜合考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能，選擇適宜的LF與CF纖維的復(fù)配質(zhì)量比為1:5。

表1 LF與CF復(fù)配質(zhì)量比對(duì)PP/EVA

2.2 ALF/SSiCF復(fù)配質(zhì)量比

從表2可以看出，LF和CF復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料有明顯的增強(qiáng)作用，其中ALF和SSiCF復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的增強(qiáng)效果最為明顯，其拉伸強(qiáng)度較PP/EVA/LF/CF復(fù)合材料提高了11.13 MPa，彎曲強(qiáng)度提高了16.31 MPa。這主要是因?yàn)榻?jīng)過改性的LF和CF表面羥基減弱，表面極性降低，增加了其與基體PP/EVA之間的相容性，有利于與基體樹脂產(chǎn)生界面粘結(jié)，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提高。

表2 纖維復(fù)配質(zhì)量比對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.3 復(fù)合材料的表面親水接觸角

由表3可知：與PP/EVA復(fù)合材料相比，PP/EVA/LF/CF復(fù)合材料的接觸角減小了7°，說明此時(shí)復(fù)合材料表面為親水表面，這是因?yàn)閺?fù)合材料中添加的LF吸水性較強(qiáng)，且LF與基體之間的相容性差，粘結(jié)力弱，從而導(dǎo)致PP/EVA/LF/CF復(fù)合材料表面的親水接觸角變小；PP/EVA/ALF/ SSiCF復(fù)合材料的表面親水接觸角較PP/EVA復(fù)合材料提高了7°，說明LF，CF表面改性復(fù)配后有利于基體與纖維之間的相容，這是由于改性后的纖維表面變得粗糙，極性降低，表面吸水性變得較弱，其與基體樹脂之間的相容性得到了改善，從而使得復(fù)合材料的親水接觸角變大。

表3 復(fù)合材料的表面親水接觸角

2.4 復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能

由圖1及表4可知，復(fù)配纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料在失重率為5%時(shí)的分解溫度(Td5%)均低于PP/EVA復(fù)合材料。

圖1 復(fù)合材料的TG曲線Fig.1 TG curves of composites1—PP/EVA/ALF/SSiCF；2—PP/EVA/LF/CF；3—PP/EVA

這主要因?yàn)閺?fù)配纖維中存在易于降解的LF及纖維表面物理吸附水的揮發(fā)造成的；復(fù)配纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料在失重率為50%時(shí)的分解溫度(Td50%)，失重率為100%時(shí)的分解溫度(Tmax)均高于PP/EVA復(fù)合材料；改性復(fù)配纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的Td5%，Td50%高于PP/EVA/LF/CF復(fù)合材料，這是因?yàn)楦男院蟮睦w維與樹脂基體的粘附力增強(qiáng)，界面結(jié)合性增強(qiáng)，纖維雖然經(jīng)過高溫降解為碳化物，但與樹脂基體的結(jié)合性依舊存在，其結(jié)合性越好，對(duì)樹脂基體的分子鏈運(yùn)動(dòng)阻礙性越強(qiáng)，分子鏈運(yùn)動(dòng)所需的能量也就越高，因此提高了復(fù)合材料所對(duì)應(yīng)的熱分解溫度；添加改性復(fù)配纖維后，PP/EVA復(fù)合材料的殘?zhí)柯视?增加至23.1%。這是因?yàn)镻P和EVA均屬于非積炭型高分子材料，所以在高溫下PP/EVA復(fù)合材料無殘余，而添加的有機(jī)和無機(jī)纖維均屬于積炭型材料。因此，當(dāng)加入復(fù)配纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料時(shí)，復(fù)合材料的殘?zhí)柯实玫教岣撸瑹岱€(wěn)定性明顯增強(qiáng)。

表4 復(fù)合材料的熱失重參數(shù)

注：升溫速率15 ℃/min。

3 結(jié)論

a. LF和CF纖維復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料有增強(qiáng)作用，當(dāng)LF和CF纖維復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，PP/EVA/LF/CF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，ALF和SSiCF復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的增強(qiáng)效果最為明顯，當(dāng)ALF和SSiCF復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，改性復(fù)配增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了11.13 MPa，彎曲強(qiáng)度提高了16.31 MPa，但沖擊強(qiáng)度降低。

c. 與PP/EVA復(fù)合材料相比，PP/EVA/ALF/SSiCF復(fù)合材料的表面親水接觸角提高了7°，殘?zhí)柯视?增加至23.1%，熱穩(wěn)定性明顯提高。

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Preparation and properties of reed/carbon fiber-reinforced PP/EVA composite

Cong Shijie, Ren Qinglong, Xia Ying, Zhang Fengfeng, Zhang Xinyue

(SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034)

A polypropylene/ethylene-vinyl acetate copolymer/reed fiber/carbon fiber (PP/EVA/LF/CF) composite was prepared by melt blending LF, CF, PP and EVA in a double roller mixer. And a PP/EVA/modified reed fiber (ALF)/modified carbon fiber (SSiCF) composite was prepared by treating LF with alkali solution and CF with sulfuric acid/silane coupling agent. The effect of the mass ratio of two kinds of fibers on the mechanical properties of the composite was prepared. The effect of the compounding modified fiber on the contact angle and thermal stability of the composite was investigated. The results showed that the PP/EVA/LF/CF composite exhibited the fairly good comprehensive mechanical properties as the mass ratio of LF and CF was 1:5; as compared with PP/EVA composite, PP/EVA/ALF/SSiCF composite had an increase of 11.13 MPa in the tensile strength and 16.31 MPa in the bending strength, but a decrease in the impact strength as the mass ratio of ALF and SSiCF was 1:5; meanwhile, the surface water contact angle was increased by 7°, the carbon residue was increased from 0 and 23.1%, and the thermal stability was obviously improved.

polypropylene; polyvinyl acetate; reed fiber; carbon fiber; composite; contact angle; thermal stability

2016- 07-11； 修改稿收到日期：2017-12-22。

叢世杰(1992—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楦叻肿拥募庸ず透男裕约肮δ軓?fù)合材料的制備。E-mail：1719913159@qq.com。

* 通訊聯(lián)系人。E-mail：Xiaying961@163.com。

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1001- 0041(2017)01- 0046- 04