长碳纤/长玻纤混杂增强聚丙烯复合材料的性能研究

张 丽 张 瑞 赫玉欣

(1. 洛阳师范学院 化学化工学院，河南 洛阳 471934； 2. 河南科技大学 化工与制药学院，河南 洛阳 471023)

混杂纤维复合材料的概念最早起源于日本，1972年由日本的Hayashi[1]提出并展开研究，旨在弥补单一纤维增强所存在的缺点和不足。混杂纤维的组合形式不仅可以弥补单一纤维的缺点，还能够在满足使用载荷的前提下，大幅降低材料的成本，研究表明，相对碳纤维增强PP材料(CFRP)，碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料不仅具有高的断裂延伸率，且其中碳纤维发挥的拉伸强度要比在CFRP中高出40%以上[2]。

碳纤维/玻璃纤维增强聚丙烯复合材料结合了碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)及聚丙烯(PP)三者的优点，改善了原材料的缺点和不足，重点提高了材料的机械性能，在汽车船舶、航空航天、交通运输等领域均有广阔的应用前景[3-5]。目前，国内外对CF/GF增强PP复合材料的研究主要是通过改变短切纤维的长度和含量来改变复合材料的性能[6]。添加混杂纤维的长度从几微米到几十微米不同，含量从百分之几到百分之几十不等[7]。研究表明，通过增加纤维长度和含量可以提高复合材料的机械性能，增加其粘度，提高热稳定性，降低材料的流动性[8]。但对于长混杂纤维增强PP复合材料性能的研究报道还较少。

本文以两种长纤维增强聚丙烯复合材料为原料，采用注塑成型的方法制备了一系列长碳纤/长玻纤混杂增强聚丙烯复合材料，考察了混杂纤维质量分数变化对复合材料力学性能的影响，并对其微观结构进行了表征。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

长玻纤增强聚丙烯(GF/PP，牌号：LFT-G©PP-NA-LGF30，纤维质量分数为30%，纤维长度为12.0 mm)；长碳纤增强聚丙烯(CF/PP，牌号：LFT-G©PP-NA-LCF30，纤维质量分数为30%，纤维长度为12.0 mm)；聚丙烯(牌号：K8303，燕山石化)。

塑料注射成型机(型号：KTE20/500-4-40，宁波市海达塑料机械有限公司)；万能材料试验机(型号：WDW-10，济南试金集团有限公司)；悬臂梁摆锤冲击试验机(型号：ZBC1251-2，深圳市新三思材料检测有限公司)；扫描电子显微镜(型号：JSM-5610LV，日本电子株式会社)。

1.2 混杂复合材料的制备

将一定量的长玻纤增强聚丙烯、长碳纤增强聚丙烯及聚丙烯原料(比例见表1)在一定的注塑工艺[9]下利用注塑成型机进行注塑实验制得拉伸样条及冲击样条。

表1 混杂复合材料的原料配比Tab. 1 The ratio of raw materials for hybrid composites

1.3 表征方法

参照ISO527-2-2012 和ISO1802000 标准分别测试试样的拉伸性能和冲击性能；用FESEM 观察试样的冲击断面的形貌特征。

2 结果与讨论

图1为复合材料试样的拉伸强度图。由图可知，在混杂纤维质量分数为30%的前提下，复合材料的拉伸强度随碳纤含量的降低而降低。当试样中CF和GF的质量分数分别为25%和5%时，复合材料的抗拉强度最优，约为115 MPa，明显优于纯PP的抗拉强度。

图1 试样的拉伸强度Fig. 1 Tensile strength of the samples

图2为复合材料试样的断裂伸长率图。由图可知，在混杂纤维质量分数为30%的前提下，复合材料的断裂伸长率的变化趋势与拉伸强度的变化趋势完全相反。当试样中CF和GF的质量分数分别为25%和5%时，复合材料的杨氏模量约为3%；当试样中CF和GF的质量分数分别为5%和25%时，复合材料的断裂伸长率约为7%；混杂复合材料的断裂伸长率均远远低于纯PP的203%。

图3为复合材料试样的杨氏模量图。由图可知，在混杂纤维质量分数为30%的前提下，复合材料的杨氏模量随试样中碳纤质量分数的降低而呈现逐渐降低的变化趋势。当试样中CF和GF的质量分数分别为25%和5%时，复合材料的杨氏模量约为1 816 MPa；当试样中CF和GF的质量分数分别为5%和25%时，复合材料的冲击强度约为1 500 MPa；混杂复合材料的杨氏模量均远远高于纯PP的125 MPa。

图4为复合材料试样的冲击强度图。由图可知，在混杂纤维质量分数为30%的前提下，复合材料的冲击强度随试样中碳纤维质量分数的降低而呈现下降的趋势。当试样中CF和GF的质量分数分别为25%和5%时，复合材料的冲击强度约为19 kJ/m2；当试样中CF和GF的质量分数分别为5%和25%时，复合材料的断裂伸长率约为12 kJ/m2；混杂复合材料的冲击强度均高于纯PP的8 kJ/m2。

图4 试样的冲击强度Fig. 4 Tensile strength of the samples

图5为复合材料试样冲击断面的SEM图。由图可知，纯PP的断面(图5a)呈现类似阶梯状的结构，表明纯PP呈现韧性断裂。与纯PP相比，混杂复合材料的冲击断面的形貌则要复杂的多。由图5b～5f可知，CF与GF上黏附有一定量的PP，这表明CF与GF的界面作用较好，从而使得混杂纤维增强PP复合材料的性能要由于纯PP。

图5 试样冲击断面的SEM图Fig. 5 SEM images of the samples for impact test

3 结论

采用注塑成型的方法制备了长碳纤/长玻纤混杂增强聚丙烯复合材料。在混杂纤维总质量分数为30%的前提下，复合材料的拉伸强度、杨氏模量及冲击强度均随CF质量分数的下降而降低。当试样中CF和GF的质量分数分别为25%和5%时，复合材料的拉伸强度、杨式模量及冲击强度分别为115 MPa、1 816 MPa 和19 KJ/m2。混杂复合材料的力学性能均优于纯PP。