蘆葦/碳纖維補(bǔ)強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料性能研究

夏 英，張馨月，張鋒鋒，任慶龍，李智佳

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

聚丙烯（PP）是一種通用塑料，具有密度小、來源豐富、價(jià)格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好、性價(jià)比高及易于回收利用和加工成型等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在低溫韌性差、不耐老化、對(duì)缺口敏感、尺寸收縮率大和抗沖擊性能差等缺點(diǎn)[1]，因此在工程塑料和結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用受到限制。為了提高PP的韌性，通常將PP與橡膠類彈性體混合，如氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙丙橡膠、乙烯-辛烯共聚物和三元乙丙橡膠等[2-6]。混合并用雖然在一定程度上提高了PP的韌性，但不可避免地會(huì)降低其模量和強(qiáng)度。

近年來，天然纖維補(bǔ)強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料越來越受到人們的重視[7]。蘆葦纖維是天然植物纖維，不僅價(jià)格便宜、生長(zhǎng)周期短、來源廣泛，而且是一種生物可降解性的材料，因此有望成為未來補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料的一種新型材料[8-9]。

碳纖維是同時(shí)具有纖維柔軟可加工性和碳材料強(qiáng)抗拉力的無機(jī)纖維。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)復(fù)合材料主要是以碳纖維作為補(bǔ)強(qiáng)體相、樹脂作為基體相成型的復(fù)合材料，碳纖維及其復(fù)合材料是國(guó)家重點(diǎn)投資和開發(fā)的潛在材料。碳纖維由于具有高強(qiáng)輕質(zhì)的特殊性能，在一些重大基礎(chǔ)工程、高端裝備和采油等領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大[10-12]。目前，碳纖維及其復(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[13-14]。而有關(guān)蘆葦纖維和碳纖維復(fù)配補(bǔ)強(qiáng)PP/乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）復(fù)合材料的研究尚未見報(bào)道。

本工作將碳纖維（C）、蘆葦（L）與PP/EVA進(jìn)行熔融共混，制備L/C/PP/EVA復(fù)合材料，并研究L/C復(fù)配比例對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

EVA-18，VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.18，東莞市鴻君塑膠原料有限公司產(chǎn)品；PP，牌號(hào)J340，盤錦華錦乙烯有限責(zé)任公司產(chǎn)品；短切3 mm蘆葦，海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司產(chǎn)品；濃硫酸，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司產(chǎn)品；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)品；氫氧化鈉（分析純）和甲酸（分析純），天津科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；硅烷偶聯(lián)劑KH550，南京道寧化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備與儀器

SK-160B型兩輥開煉機(jī)，160 mm×320 mm，上海思南橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；QLB-50D/Q型平板硫化機(jī)，無錫市中凱橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；HY-W型萬能制樣機(jī)，河北省承德試驗(yàn)機(jī)廠產(chǎn)品；202-00A型電熱干燥箱和FW100型高速萬能粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；XRZ-400型熔融指數(shù)儀，吉林大學(xué)儀器廠產(chǎn)品；Zeiss Mikroskop Axiopla型偏光顯微鏡（POM），德國(guó)蔡司光學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；RGT-5型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)和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產(chǎn)品；JSM-6460LV型掃描電鏡（SEM），日本電子公司產(chǎn)品。

1.3 試樣制備

1.3.1 蘆葦纖維堿處理

配制一定質(zhì)量濃度的氫氧化鈉溶液，按照每10 mL溶液2 g的比例加入蘆葦纖維，在一定溫度下處理一定時(shí)間之后抽濾。首先用甲酸溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03）洗除殘留氫氧化鈉，然后用去離子水洗滌3次，并在100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥8 h備用，得到堿處理蘆葦記，為AL。

1.3.2 硫酸/硅烷偶聯(lián)劑聯(lián)合處理碳纖維

用去離子水將濃硫酸稀釋成濃度為1 mol·L-1的硫酸溶液，按照每10 mL溶液5 g的比例加入碳纖維，在80 ℃下反應(yīng)2 h。

用去離子水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25的乙醇溶液，稱取一定量的硅烷偶聯(lián)劑KH550配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.007 5的乙醇水溶液。稱取一定量干燥后的碳纖維，按照每10 mL溶液5 g的比例加入到配好的硅烷偶聯(lián)劑KH550乙醇水溶液中，在80 ℃下反應(yīng)2 h，得到的處理后碳纖維記為SSiC。

1.3.3 復(fù)合材料

將經(jīng)處理的干燥蘆葦纖維和碳纖維與PP和EVA于（180±2）℃兩輥開煉機(jī)上混煉8 min，混煉均勻后下片，在（180±3）℃/15 MPa×5 min條件下硫化，熱壓過程中進(jìn)行3次排氣處理，再在15 MPa下冷壓20 min得到試樣，放置24 h后裁樣。

1.4 性能測(cè)試

懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1943—2009《木材橫紋抗壓彈性模量測(cè)定方法》測(cè)試；彎曲強(qiáng)度按GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測(cè)定》測(cè)試，彎曲速率為2 mm·min-1；拉伸強(qiáng)度按GB/T 6344—2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》測(cè)試，拉伸速率為50 mm·min-1；將樣品置于載玻片上，然后在加熱臺(tái)上熔融并壓成薄片，在偏光顯微鏡下記錄結(jié)晶形態(tài)；加工流動(dòng)性能按照GB/T 3682—2008《熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率和熔體體積流動(dòng)速率的測(cè)定》測(cè)試，溫度為230 ℃，負(fù)載為2.16 kg；SEM測(cè)試按照GB/T 16594—2008《微米級(jí)長(zhǎng)度的掃描電鏡測(cè)量方法通則》進(jìn)行，試樣經(jīng)過液氮冷凍脆斷，斷口表面進(jìn)行噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 L/C復(fù)配比例對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

L/C復(fù)配比例對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響見表1。

由表1可見：當(dāng)L/C復(fù)配比例由1∶1～1∶5變化時(shí)，隨著碳纖維比例的增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，當(dāng)L/C復(fù)配比例為1∶5時(shí)，均為最大值，而沖擊強(qiáng)度呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)；當(dāng)L/C復(fù)配比例由2∶1～5∶1變化時(shí)，隨著蘆葦纖維比例的增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。綜合考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能，選擇L/C的復(fù)配比例為1∶5。

表1 L/C復(fù)配比例對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.2 纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響見表2。

由表2可見：蘆葦/碳纖維復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的韌性有明顯的增強(qiáng)作用，改性蘆葦和改性碳纖維補(bǔ)強(qiáng)效果更好；AL/SSiC/PP/EVA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別比L/C/PP/EVA復(fù)合材料提高了1.44 MPa，4.76 MPa和0.8 kJ·m-2。這主要是由于經(jīng)過改性的蘆葦纖維和碳纖維表面羥基減少、極性降低，增強(qiáng)了與基體的相容性，有利于與基體產(chǎn)生界面粘合，從而使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到改善。

表2 纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.3 纖維對(duì)復(fù)合材料加工性能的影響

纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料加工性能的影響見表3。

表3 纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料加工性能的影響

由表3可見：與PP/EVA復(fù)合材料相比，纖維補(bǔ)強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的加工流動(dòng)性均有所降低；AL/SSiC/PP/EVA復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率比PP/EVA和L/C/PP/EVA復(fù)合材料分別下降了0.121和0.073 g·min-1。這主要是由于未改性的蘆葦和碳纖維表面極性較強(qiáng)，不易與基體發(fā)生纏結(jié)，相容性較差，纖維取向起主導(dǎo)作用；而改性纖維與基體的相容性變好，但是改性纖維在樹脂中的破壞樹脂連續(xù)性作用大于取向作用，因此熔體流動(dòng)速率有所降低。

2.4 復(fù)合材料的POM分析

復(fù)合材料的POM照片見圖1。

從圖1可以看出：L/C/PP/EVA復(fù)合材料中出現(xiàn)了許多大而亮的區(qū)域，這些區(qū)域中的球晶尺寸較大、邊界不規(guī)則，分布明顯不均，同時(shí)未改性纖維出現(xiàn)部分團(tuán)聚現(xiàn)象，即在基體中分散不均勻；AL/SSiC/PP/EVA復(fù)合材料中球晶的分布變得較均勻，結(jié)晶區(qū)域內(nèi)沒有大而亮的區(qū)域出現(xiàn)，球晶細(xì)化且尺寸變得均勻，這有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖1 復(fù)合材料的POM照片（放大200倍）

2.5 復(fù)合材料的SEM分析

復(fù)合材料的SEM照片見圖2。

圖2 復(fù)合材料的SEM照片（放大2 000倍）

由圖2可以看出：L/C/PP/EVA復(fù)合材料中可觀察到團(tuán)聚成束狀的蘆葦纖維，纖維表面有豎條紋的碳纖維，當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，光滑的碳纖維從基體中剝離后形成長(zhǎng)溝槽，碳纖維容易從基體中被大量抽離，與基體相容性較差，同時(shí)能看到部分蘆葦纖維團(tuán)聚在基體中，說明與基體的相容性較差；經(jīng)表面改性后的纖維從基體中拔出的長(zhǎng)度變小，且未出現(xiàn)剝離溝槽結(jié)構(gòu)，說明改性纖維與基體的相容性得到提高，從而增大了與基體之間的界面粘合力，使復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯提高。

3 結(jié)論

（1）L/C復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料有補(bǔ)強(qiáng)作用，當(dāng)L/C復(fù)配比例為1∶5時(shí)，PP/EVA復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較佳。

（2）與L/C/PP/EVA復(fù)合材料相比，改性蘆葦和碳纖維復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)效果更為明顯，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別提高了1.44 MPa，4.76 MPa和0.8 kJ·m-2。

（3）AL/SSiC/PP/EVA復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率比PP/EVA和L/C/PP/EVA復(fù)合材料分別下降了0.121和0.073 g·min-1，纖維補(bǔ)強(qiáng)后復(fù)合材料的加工流動(dòng)性有所下降。