造紙法制備碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的研究

徐凱麗 許 躍 劉 文，* 陳雪峰 孫勝然 吳東樂 王 萌

（1.中國制漿造紙研究院有限公司，北京，1 000102；2.制漿造紙國家工程實驗室，北京，100102）

碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料由于其質(zhì)量輕、強度高的特點，已迅速發(fā)展成為一種市場前景廣闊的復(fù)合材料[1]。碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的密度小、比強度和比剛度大，具有優(yōu)異的力學性能、耐腐蝕性、耐熱性和沖擊韌性等，同時容易回收，利用率高，是理想的輕量化材料[2]。與熱固性復(fù)合材料相比較，熱塑性復(fù)合材料可焊接、可回收、可二次成型，且具有耐沖擊性、高韌性以及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。隨著各國相繼出臺的油耗和排放法規(guī)要求以及電動汽車的發(fā)展，汽車輕量化越來越受到關(guān)注[3]。碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料未來可以逐步達到替代部分金屬材料的目的，用作制造扶手以及靠背等多種汽車結(jié)構(gòu)件和功能件[4]。

短切碳纖維與連續(xù)碳纖維相比，在保持一定程度力學性能的同時還具有易加料、易混合、便于加工生產(chǎn)等優(yōu)點[5]。基于濕法造紙，以短切碳纖維為原料制備碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料是一種新的生產(chǎn)工藝，與傳統(tǒng)注塑工藝以及毛氈布層壓的方法相比[6]，濕法造紙工藝的成型周期短，可實現(xiàn)大規(guī)模的連續(xù)化生產(chǎn)[7]。

Rezaei 等人[8-9]研究了短切碳纖維增強聚丙烯復(fù)合材料，結(jié)果表明，隨著碳纖維載荷的增加，復(fù)合材料的剛度、硬度、強度和熱降解溫度均有所提高，當纖維長度適當時，其儲能模量也有所提高。Vishkaei 等人[10]的研究表明，聚丙烯復(fù)合材料的力學性能和熱降解溫度隨著短切碳纖維的加入而提高。Kimura等人[11]以碳纖維廢渣為原料，采用造紙法將碳纖維與聚酯纖維混合壓縮成預(yù)片材后制成復(fù)合材料。顏鑫等人[12]探究了基于濕法制備碳纖維熱塑性復(fù)合材料的可行性。但總體來說，國內(nèi)對采用濕法造紙工藝制備短切碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的實驗研究較少[13-14]。

本研究以短切碳纖維為增強體，聚丙烯（PP）纖維為基體，采用濕法造紙工藝制備碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）。通過力學性能的對比，初步獲得制備（CFRTP）較優(yōu)的工藝條件。

1 實 驗

1.1材料與試劑

3、5、7 mm 碳纖維（天津工業(yè)大學制備，直徑7 μm，拉伸模量235 GPa，拉伸強度3920 MPa）；聚丙烯（PP）纖維（直徑3.0 d，長度5 mm，浙江益嘉慧實業(yè)有限公司）；聚乙烯醇（PVA）水溶性纖維（3 mm，日本可樂麗公司）；聚環(huán)氧乙烷（PEO）纖維（固含量0.4%，上海聯(lián)盛化工有限公司）。

1.2實驗設(shè)備

紙頁成型器（RK-3A，奧地利PTI 公司）；漿料疏解器（95568，奧地利PTI 公司）；掃描電子顯微鏡（S-3400N，日本先端科技有限公司）；自制模具（厚度2 mm）；層壓試驗機（MD300-30T，臨安豐源電子有限公司）；萬能試驗機（DXLL-10000，上海登杰設(shè)備有限公司）；沖擊試驗機（XJJ-50，承德金建檢測儀器制造廠）。

1.3碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料制備

將碳纖維與PP 纖維混合后，加入分散劑PEO 以及PVA 水溶性纖維，利用漿料疏解器進行分散并制成漿料，采用紙頁成型器抄造成定量為100 g/m2的手抄片；手抄片經(jīng)壓榨、干燥后，將其放入模具中，統(tǒng)一設(shè)置熱壓壓力為5 MPa，經(jīng)層壓機熱壓后成型，制備得到碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 CFRTP工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of CFRTP

1.4性能測試

按照GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的測試方法》測試復(fù)合材料的拉力性能；制備拉伸試樣采用萬能試驗機按照GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的測試方法》和GB/T 9341—2008《塑料彎曲性能的測定》分別測試復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能；采用沖擊試驗機按照GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊強度的測定》測試復(fù)合材料的懸臂梁沖擊性能。

2 結(jié)果與討論

2.1影響因素

對于CFRTP 制備的影響因素很多，本研究采用四因素三水平的正交實驗，研究了碳纖維含量、碳纖維長度、熱壓溫度以及熱壓時間對CFRTP 力學性能的影響。

2.2正交實驗

正交實驗設(shè)計表如表1 所示。本研究不考慮因素間的交互作用，只考察碳纖維含量、碳纖維長度、熱壓溫度以及熱壓時間4 個因素對CFRTP 性能的影響，選用L9（34）正交表，正交實驗表如表2所示。

表1 正交實驗設(shè)計Table 1 Orthogonal experimental design

表2 正交實驗方案Table 2 Orthogonal experimental scheme

按照表2的方案依次制備出相應(yīng)的CFRTP，分別根據(jù)對應(yīng)的標準對試樣條進行力學性能測試，得到拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性的數(shù)值，結(jié)果見表3，極差分析見表4。

表3 正交實驗結(jié)果Table 3 Orthogonal experimental results

從表4 分析得出，制備出的CFRTP 的彎曲強度和缺口沖擊韌性的最優(yōu)條件為A2B2C1D2，即碳纖維含量20%、碳纖維長度5 mm、熱壓溫度190℃以及熱壓時間10 min。

表4 極差分析表Table 4 Range analysis table

由表4還可以看出，拉伸強度的影響順序為A＞B＞D＞C，彎曲強度的影響順序A＞C＞B＞D，缺口沖擊韌性的影響順序為A＞D＞C＞B。可以得出所選4個因素中碳纖維含量對CFRTP力學性能的影響最為顯著。

2.3碳纖維含量對CFRTP的力學性能影響

由正交實驗可知，碳纖維含量是影響CFRTP 的主要因素。為了進一步研究碳纖維含量對CFRTP 力學性能的影響，設(shè)計了以碳纖維含量為自變量的單一因素實驗，實驗方案見表5。實驗結(jié)果如表6所示。

表5 以碳纖維含量為自變量的單一因素實驗表Table 5 Single factor experiment table with carbon fiber content as independent variable

為了更直觀地看出碳纖維含量對CFRTP 拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性的影響，根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)，繪制出相應(yīng)變化曲線。圖2為不同碳纖維含量對應(yīng)的CFRTP 的拉伸強度和拉伸彈性模量的變化曲線。由圖2 可以看出，隨著碳纖維含量的增加，CFRTP 的拉伸強度、拉伸彈性模量均先升高后降低。當碳纖維含量達到20%時，其拉伸強度、拉伸彈性模量均為最大值，相比于未添加短切碳纖維的PP纖維，其拉伸強度從29.0 MPa 增加到了83.9 MPa，提高了189%；其拉伸彈性模量由1.13 GPa提高到了2.18 GPa，提高了93%。

圖2 不同碳纖維含量CFRTP的拉伸性能Fig.2 Tensile properties of CFRTP with different carbon fiber contents

表6 實驗結(jié)果Table 6 Experimental results

圖3為不同碳纖維含量對應(yīng)的CFRTP的彎曲強度和彎曲彈性模量的變化曲線。從圖3可以看出，隨著碳纖維含量的增加，CFRTP 的彎曲強度、彎曲彈性模量均先升高后降低。當碳纖維含量達到20%時，其彎曲強度、彎曲彈性模量均為最大值，相比于未添加短切碳纖維的PP 纖維，其彎曲強度從34.4 MPa 增加到了52.5 MPa，提高了52%；其彎曲彈性模量由2.10 GPa提高到了5.54 GPa，提高了164%。

圖3 不同碳纖維含量CFRTP的彎曲性能Fig.3 Bending properties of CFRTP with different carbon fiber contents

圖4為不同碳纖維含量對應(yīng)的CFRTP的缺口沖擊韌性的變化曲線。由圖4可以得出，隨著碳纖維含量的增加，CFRTP 的缺口沖擊韌性先升高后降低。當碳纖維含量達到20%時，缺口沖擊韌性為最大值，相比于未添加短切碳纖維的PP 纖維，其缺口沖擊韌性由4.3 kJ/m2提高到了48.2 kJ/m2，提高了1021%。

圖4 不同碳纖維含量CFRTP的缺口沖擊韌性Fig.4 Notched impact toughness of CFRTP with different carbon fiber contents

從圖2～圖4 可以看出，碳纖維含量對CFRTP 的力學性能具有相同的影響趨勢，即隨著碳纖維含量的提高，CFRTP 的力學性能均先升高后降低；碳纖維含量為20%時，其拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性均達到最大值。這是因為當碳纖維含量較低時，相應(yīng)的PP 纖維含量高，力學性能相應(yīng)的會低；同時熱壓時PP 纖維含量高容易被擠出，從而造成內(nèi)部缺陷也會降低力學性能。隨著碳纖維含量的升高，力學性能隨之升高，當碳纖維含量超過20%時，由于碳纖維含量增加，纖維的分散變得不均勻；同時由于作為熱塑性纖維的PP 纖維含量降低，也會導(dǎo)致復(fù)合材料熱壓時結(jié)合不好，從而導(dǎo)致力學性能下降。圖5 和圖6 分別為不同碳纖維含量的CFRTP 手抄片以及斷面SEM 圖。從圖中可以看出，當碳纖維含量20%時，手抄片中碳纖維與聚丙烯纖維分散更好；同時，CFRTP 斷面纖維排列更緊密，故20%碳纖維含量的CFRTP力學性能更優(yōu)。

圖5 不同碳纖維含量的CFRTP手抄片SEM圖Fig.5 SEM images of CFRTP handsheets with different carbon fiber contents

圖6 不同碳纖維含量的CFRTP斷面SEM圖Fig.6 SEM images of CFRTP section with different carbon fiber contents

3 結(jié)論

本研究以短切碳纖維為增強體，聚丙烯（PP）纖維為基體，采用濕法造紙工藝制備碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）。

3.1通過正交實驗，對碳纖維含量、碳纖維長度、熱壓溫度以及熱壓時間對CFRTP 力學性能的影響進行了探究。結(jié)果表明，碳纖維含量20%，碳纖維長度5 mm，熱壓溫度190℃和熱壓時間10 min 時，CFRTP力學性能較優(yōu)。

3.2正交實驗表明，碳纖維含量是影響CFRTP 力學性能的重要因素。通過單一因素實驗結(jié)果表明，隨著碳纖維含量的增加，CFRTP 拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性均先上升后下降；當碳纖維含量達到20%時，CFRTP 的拉伸強度、彎曲強度以及缺口沖擊韌性均達到最大值，拉伸強度為83.9 MPa，彎曲強度為52.5 MPa，缺口沖擊韌性48.2 kJ/m2，相比未添加碳纖維的材料其性能分別提升了189%、52%和1021%。