碳纤维对聚丙烯结晶及热力学性能的影响

刘茂　廖益均　吴晓莉

摘要：利用单螺旋杆挤出机制备了聚丙烯/碳纤维复合材料，控制碳纤维含量研究其对复合材料的结构、力学性能和耐热性能的影响。实验表明，少量碳纤维的加入提高了聚丙烯复合材料的结晶率，当碳纤维加入到5%时，复合材料结晶率反而降低;复合材料的冲击韧性随着碳纤维含量的提高而显著提高，耐热性明显提高，硬度和拉伸强度稍有下降。

关键词：聚丙烯;碳纤维;韧性;耐热性;结晶率

中图分类号：TQ325.1+4文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2019）04-0014-03

Effect of Carbon Fiber on Crystallization and

Thermodynamic Properties of Polypropylene

LIU Mao，  LIAO Yijun，  WU Xiaoli

（College of Materials and Environmental Engineering，Chengdu Technological University

，Chengdu 611730，China）

Abstract：Polypropylene/carbon fiber composite was prepared by single screw extruder. The effects of carbon fiber content on the structure， mechanical properties and heat resistance of composite were studied. Experimental results show that the addition of a small amount of carbon fiber improves the crystallization rate of polypropylene composite， and when the carbon fiber is added to 5%， the crystallization rate of the composite decreases. With the increase of carbon fiber content， the impact toughness of the composite increases significantly， the heat resistance is obviously improved， and the hardness and tensile strength decrease slightly.

Keywords：polypropylene; carbon fiber; toughness; heat resistance; crystallinity

通用塑料聚丙烯（PP）由單体丙烯聚合而成，属于热塑性材料。其具有高强度和高耐热性，同时有优异的绝缘性、环保性、耐腐蚀性等优点，是一种综合性能优良的材料[1-3]。

PP材料被广泛应用于包装、汽车、机械等领域，在国内具有很大的市场。但PP材料仍有一些缺点，比如低温韧性差、成型收缩率大等，这限制了PP材料在应用领域的发展和推广[4-5]。

近年来，将PP材料与弹性体共混以达到增韧效果的研究方法高效并且简单[6-7]。加入具有优良弹性的碳纤维能将PP材料的塑韧性大幅提高，但其含量较高时，复合材料的耐热性、强度、刚性大幅降低。本研究采用熔融共混法制备复合材料[8-10]，掺入不同含量碳纤维，探究其对基体增韧效果的影响，同时通过测试复合材料的力学性能、耐热性等，考察了其对复合材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料及设备

原料：聚丙烯（PP）;碳纤维（CF）。

设备情况见表1。

1.2 试样制备

将干燥后的PP和碳纤维按比例分别称取，在混料机中混合均匀，加入到单螺旋杆挤出机中熔融共混，制备PP/碳纤维复合材料。碳纤维含量分别为0%、1.5%、3%、5%。单螺旋杆挤出机参数为：加热段机头温度为200 ℃，螺杆转速220 r/min。最后用注塑机将共混物注射为标准样条，注射温度为210 ℃。

1.3 性能测试

力学性能测试：以GB/T 1040—2006《塑料 拉伸性能的测定》为标准，拉伸速度为20 mm/min;冲击性能测试以GB/T 1843—2008《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》为标准，测试温度为（35±2）  ℃。硬度测试采用洛氏硬度试验法。每组3个试样，取平均值。

维卡软化点测试（VST）：以GB/T 1633—2000《热塑性塑料维卡软化温度（VST）的测定》为标准，升温速度120  ℃/h，以硅油为传导介质。

XRD衍射分析：衍射角范围10°～28°，管电流20 mA，管电压30 kV。

2 结果与讨论

2.1 力学性能分析

2.1.1 碳纤维含量对PP材料拉伸性能的影响

碳纤维含量对PP材料拉伸强度的影响如图1所示。由图1可以看出，PP材料的拉伸强度随碳纤维含量升高而降低，且碳纤维含量低于3%时，拉伸强度受较大影响，下降速度较快。在含量大于3%后并没有大幅下降，对基体的影响不明显。说明碳纤维的加入会降低共混物的抗拉强度，然后随着碳纤维含量的提高影响有所减弱。复合材料的拉伸对应着材料变形的3个阶段。弹性变形、塑性变形和断裂。当复合材料变形达到一定程度，碳纤维键角变形到极限，发生塑形变形，继续加大轴向拉伸力，轴向分子链被破坏，发生宏观断裂[11]。

2.1.2 碳纤维含量对PP材料冲击性能的影响

碳纤维含量对PP材料冲击强度的影响如图2所示。可以看出，随着碳纤维含量的增加，PP/碳纤维复合材料的冲击强度大幅提高。其中，碳纤维含量为5%的PP复合材料冲击强度最大，是纯PP材料冲击强度的3倍，为26.5  kJ/m2。结果表明，碳纤维的加入能够显著提高PP的冲击韧性。弹性体对基体PP的增韧机制主要是，弹性体颗粒均匀分布在基体PP中，作为分散相增强材料。当受到外力时，应力集中于弹性体颗粒，颗粒发生形变或破碎，吸收了冲击能量，进而终止了微裂纹的形成和长大[12]。

2.1.3 碳纤维含量对PP材料硬度的影响

由图3表示，碳纤维的含量对PP材料的硬度影响较大。随着碳纤维含量的增加，PP复合材料的硬度明显下降。当碳纤维含量大于3%时，材料硬度下降速度大于含量小于3%的下降速度。碳纤维的加入对材料硬度的影响较大。

2.2 耐热性能分析

维卡软化温度是表征材料耐热性的指标之一。为了研究碳纤维增韧的同时对复合材料耐热性的影响，对维卡软化温度进行了测试。从图4可以看出，向PP材料中加入碳纤维后，维卡软化温度有所提高。随着碳纤维含量的增加维卡软化温度呈先快速后缓慢升高的趋势。当碳纤维含量为5%时，其维卡软化温度为88 ℃，相对未添加碳纤维的PP材料，维卡软化温度提升了9.3%。材料制备合成时，加入的碳纤维根据阻力最小原则，沿着聚丙烯融体流动方向发生排列，形成片状结构，在某个方向提升材料刚度，使其能够承受较大的外力，并且能够抗材料在高温下在该垂直方向的蠕动，一定程度上阻止了大分子链的移动[13]。实验结果表明，PP复合材料增强材料韧性的同时，又增强了其耐热性。

2.3 XRD分析

XRD是表征物相的方法，为了研究碳纤维对PP材料的结构的影响，对3组实验XRD进行了测试。图5分别为不同含量碳纤维/PP复合材料的XRD衍射图谱。3条曲线在17° 、19° 和22° 附近有3个明显的峰，与PP材料的α相的PDF卡相吻合。从实验结果可以看出，随着碳纤维含量的递增，α相特征峰向左移。同时，随着碳纤维含量的递增，峰强先增加后减小，当碳纤维含量在1.5%时峰强最高，此时PP结晶率最大，表明碳纤维的加入增大了材料的结晶率。

3 结论

本实验将不同比例的PP和碳纤维通过单螺旋杆挤出制备成复合材料。实验结果表明：

1）材料的力学性能随着碳纤维含量升高而产生明显变化，碳纤维能明显改善PP材料的冲击韧性，最高冲击强度为26.1 kJ/m2，与纯PP材料相比较提高了283%，但拉伸强度和硬度有所下降。

2）复合材料的耐热性随碳纤维含量的增加而提高，含量为5%的碳纤维/PP复合材料，其维卡软化温度为88 ℃，较未添加碳纤维的PP材料，其维卡软化温度提升了9.3%。

3）碳纤维的加入对PP材料的结晶有影响。当碳纤维含量为1.5%时，此时PP材料結晶速率最大，当含量为5%时，材料的结晶率最小。

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收稿日期：2019-04-19

基金项目：四川省教育厅项目（18ZD0039）

第一作者简介：刘茂（1997—），男，材料科学与工程专业，2016级本科生。

通信作者简介：廖益均（1988—），男，讲师，博士，研究方向：高分子材料改性与成型加工，电子邮箱：liaoyijun1988@163.com。