碳纖維布增強聚丙烯板落錘試驗研究

摘 要：為研究碳纖維布增強聚丙烯板材的抗沖擊性能，利用環氧樹脂采用外貼的方式分別制備單層碳纖維布和雙層碳纖維布的復合板材，同時設置未粘貼碳纖維布的對照組試件，并通過采用INSTRON CEAST 9350落錘沖擊試驗系統分別以4、8、12 J的能量進行落錘試驗，并得出沖擊荷載-位移的曲線和試驗后板材的損傷破壞形態。試驗結果表明，外貼碳纖維布能夠顯著提高聚丙烯板材的抗沖擊性，并且也能夠減少聚丙烯板材在沖擊荷載下“應力發白”現象的產生，同時粘貼雙層的碳纖維布的板材的抗沖擊能力優于粘貼單層碳纖維布的板材。

關鍵詞：碳纖維布；抗沖擊性能；聚丙烯；應力發白；落錘試驗

中圖分類號：TQ327.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0086-04

Abstract： In order to study the impact resistance of carbon fiber sheet reinforced polypropylene sheet. The composite plates of single-layer carbon fiber cloth and double-layer carbon fiber cloth were prepared by external sticking of epoxy resin， and the control specimens without carbon fiber cloth were set up at the same time. The drop weight test was carried out with the energy of 4， 8 and 12 J respectively by using INSTRON CEAST 9350 drop weight impact test system， and the impact load-displacement curve and the damage mode of the plate after the test were obtained. The test results show that the external application of carbon fiber sheet can not only significantly improve the impact resistance of polypropylene sheet， but also reduce the phenomenon of "stress whitening" of polypropylene sheet under impact load. At the same time， the impact resistance of the plate with double-layer carbon fiber sheet is better than that of single-layer carbon fiber sheet.

Keywords： carbon fiber cloth; impact resistance; polypropylene; stress whitening; drop weight test

碳纖維布增強聚丙烯板是將碳纖維布利用粘接劑通過一定的工藝方式粘接在聚丙烯板上的一種新型復合材料，其材料主要作為一種新型包裝材料以更好地滿足在復雜情況下貴重物品的存放、搬運、運輸和使用的要求，以防止物品受到損壞[1-3]。目前國內外專家學者大部分都是利用樹脂為基體和纖維增強材料經過成型工藝復合而成的復合材料[4-7]，而很少是通過利用纖維布外貼的方式來增強塑料，其重要的原因是纖維布與塑料的粘接強度影響著纖維布力學性能的發揮。本文則通過利用落錘沖擊裝置實踐探究碳纖維布增強聚丙烯板材的抗沖擊性能。

1 試驗材料

試驗采用由日本辰日株式會社提供的碳纖維布和配套樹脂及上海昇輝橡膠制品公司提供的聚丙烯板材進行試件的制作。材料性能見表1。

2 試件制備

試驗試件的尺寸參照GB 11548—1989《硬質塑料板材耐沖擊性能試驗方法（落錘法）》進行制作，尺寸為長185 mm，寬160 mm，板厚5 mm。板件結構如圖1所示，粘貼后效果如圖2所示。并且設有對照組和試驗組A與試驗組B，對A、B試驗組試件利用打磨機進行縱向打磨，每個試件打磨50 s，打磨完成后利用粗糙度儀進行分區域取點檢測[8]，檢測結果如圖3所示。按照式（1）的計算公式得出試件表明粗糙度的參考值見表2。然后在試驗組A的試件上粘貼單層的碳纖維布且將碳纖維布按纖維的拉伸方向沿板長邊粘貼，在試驗組B的試件上粘貼雙層碳纖維布且碳纖維布第一層按纖維的拉伸方向沿板長邊粘貼，第二層按纖維的拉伸方向沿板短邊粘貼，同時在粘貼時注重對膠層厚度的控制，厚度均小于等于0.5 mm，如圖4—圖6所示。將粘貼好的試件靜止8 h以上待樹脂完全硬化。

3 試驗方法

將試驗組A、B 2組試件依據GB 11548—1989《硬質塑料板材耐沖擊性能試驗方法（落錘法）》，在INSTRON CEAST 9350落錘沖擊試驗系統中分別以4、8、12 J的能量進行落錘試驗[9]，如圖7所示。該系統的沖頭直徑為20 mm的半球型錘頭，撞擊器的總重量保持5.5 kg恒定。同時該系統有防止二次沖擊的抓鉤，能夠將沖頭在第一次沖擊反彈后及時鉤住，以避免沖頭下落對試件造成的二次沖擊。

4 試驗結果

4.1 低速沖擊性能分析

由圖8—圖11可知，在4 J的能量沖擊下單層碳纖維布板的沖擊力-位移線形高于空白板試件線形，最大沖擊力荷載提高了14%，最大位移減少了28.5%，而雙層碳纖維布板的最大沖擊力荷載提高了43%，最大位移減少了34%。在4 J的能量沖擊下雙層碳纖維布對板材的最大沖擊荷載的提高效果較為顯著，同時也能夠減小變形量的增加。在8 J的能量沖擊下，單層碳纖維布板的最大沖擊荷載提高了0.8%，最大位移減少了13%，而雙層碳纖維布板的最大沖擊荷載提高了13.4%，最大位移減少了32.6%。在8 J的能量沖擊下單層碳纖維布對板材最大沖擊荷載的提高不明顯，但能夠減少板材的變形量。雙層碳纖維布對減小板材變形量的效果較為顯著，同時對于板材最大沖擊荷載提高優于單層碳纖維布。在12 J的能量的沖擊下單層碳纖維布板的最大沖擊荷載提高了70.5%，最大位移減少了40.3%，而雙層碳纖維板形的最大沖擊荷載提高了99.8%，最大位移減少了51.2%。在12 J的能量沖擊下由空白板材出現了較大的位移而產生了塑性變形可知，利用碳纖維布外貼能夠使試件在較大能量沖擊下不被破壞，同時對于板材所承受最大沖擊荷載的提高和限制其位移變形量的增加有著顯著效果。根據上述論述可知，在不同能量的沖擊下碳纖維布對聚丙烯抗沖擊性能有了明顯的提高，其中雙層碳纖維布的提升效果明顯高于單層碳纖維布，見表3。

4.2 板材損傷破壞分析

PP、PE、HIPS、ABS、高分子合金及填充聚合物等塑料制品在使用過程中受到拉伸、彎曲、沖擊等外力作用時經常會出現發白現象[10-11]。應力發白的定義大致有2種：一種定義是聚合物材料在應力作用下局部發白，這種現象叫應力發白。另一種定義認為聚合物材料在應力作用下產生大量銀紋，銀紋區內折光指數降低而呈現一片銀白色，這種現象叫應力發白，該定義將應力發白現象等同于銀紋現象，與前一種定義的區別在于前者并不認為應力發白區就一定是銀紋區。應該說前一種定義更具有普遍意義[12-13]。落錘試驗后的試驗板材上均出現了應力發白的現象，且在相同的沖擊能量下應力發白區域隨著碳纖維布層數的增加而減小，在相同試驗組的試驗板材中8 J、12 J能量下應力發白區域大小相近均大于4 J能量下的應力發白區域。這表明外貼碳纖維布能夠減少聚丙烯板材在沖擊荷載下應力發白現象的產生，提高了板材的抗沖擊性能。同時外貼碳纖維布減小發白區域大小在沖擊能量小于等于8 J時效果較為明顯。試驗后在試驗組A、B中的試件中均出現了環氧樹脂膠層與聚丙烯板材脫膠的現象，這表明環氧樹脂與聚丙烯板材粘接強度不夠，從而導致了碳纖維布優異的力學性能未能完全發揮，因此仍需要進一步提高碳纖維布與聚丙烯板材的粘接強度，以提高碳纖維布的利用率，從而制備出實用性強且抗沖擊性能效果顯著的復合板材。

5 結論

本文通過對增強的聚丙烯板材與未增強的聚丙烯板材進行的不同能量的落錘試驗，分析得到以下具有參考價值的結論。

1）外貼碳纖維布對于聚丙烯板材的抗沖擊性能的提高的效果顯著，且雙層碳纖維布的增強效果優于單層碳纖維布。

2）4 J、12 J的能量沖擊下單層碳纖維布的增強效率高于8 J。

3）在一定的沖擊能量的范圍內，外貼碳纖維布能夠減小聚丙烯板材產生的應力發白區域。

4）利用環氧樹脂與聚丙烯板材的粘接的強度有待進一步提高。

5）試驗幾何尺寸下的聚丙烯板材最大抗沖擊能量“E”的范圍為8 J<E≤12 J。

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作者簡介：黃彩飛（1995-），男，工程碩士，研究實習員。研究方向為材料力學性能、開放教育管理。