碳纤维/聚丙烯/聚乳酸增强复合材料的力学性能

宋雪旸， 张 岩， 徐成功， 王 萍， 阮芳涛

(1. 苏州大学 纺织与服装工程学院， 江苏 苏州 215000； 2. 安徽工程大学 纺织服装学院， 安徽 芜湖 241000)

碳纤维(CF)及其增强复合材料由于具有比强度高、耐高温、耐腐蚀、易传热等优良性能，近年来被广泛应用于建筑、汽车、体育、航空航天等领域。热塑性CF增强复合材料具有良好的形状可设计性，在软化形态中能够自由塑形，冷却后可恢复坚硬特性。热塑性树脂种类繁多，更重要的是其在加热后可恢复流动态，为碳纤维复合材料使用后的回收再利用提供了可能，大大降低了成本，减少了对环境的破坏[1]。

聚丙烯(PP)具有低廉的价格和良好的力学性能，是目前最轻的树脂，在碳纤维增强复合材料中得到广泛应用，但PP无法生物降解，由其制造的复合材料废弃物难以处理[2]。为解决碳纤维增强复合材料废弃后在填埋处理中难以降解的问题，许多研究人员对聚乳酸(PLA)/碳纤维复合材料的制备工艺以及各种性能进行了相关研究[3-5]，结果表明，PLA复合材料虽然可以生物降解，但PLA复合材料的力学性能相对较差，极大限制了其在力学强度要求较高领域的使用[6]。国内外在PP与PLA共混方面有不少研究，PLA的加入可赋予或者提升PLA/PP共混材料的生物可降解性[7-9]。为此，本文在PP树脂中加入PLA，利用热压工艺制备碳纤维增强复合材料，对复合材料进行冲击、弯曲、拉伸等力学性能测试，分析PLA质量分数对碳纤维/PP增强复合材料力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料

碳纤维平纹织物(面密度为220 g/m2，T700SC-12000-50C，日本东丽株式会社)；聚丙烯(B4808，中国石化燕山石化公司)；聚乳酸(REVODE190，浙江海正生物材料股份有限公司)

1.2 试样制备

1.2.1 PP与PLA混合膜制备

将PP和PLA分别按PLA质量分数为0%、20%、40%、60%、80%和100%计量后在高速混合机中混合，用XLB-D(Y)平板硫化机(青岛汇才机械制造有限公司)在温度为170 ℃，压力为2～3 MPa的条件下制备出PP/PLA共混膜。用ZRZ1452熔体流动速率实验机(上海皆准仪器设备有限公司)测试PP/PLA共混树脂的熔融指数，测试温度为170 ℃。利用熔融指数表征聚合物在给定温度及剪切条件下的流动性。熔融指数越大，则聚合物的加工流动性越好。不同PLA质量分数的PLA/PP共混膜对应的熔融指数如表1所示。

表1 不同PLA质量分数PLA/PP共混膜的熔融指数Tab.1 Melt index of PLA/PP blends with different PLA content

1.2.2 碳纤维增强复合材料制备

将碳纤维平纹织物和PLA/PP共混膜以叠层结构送入100T四柱式平板硫化机(青岛东诺橡胶机械有限公司)进行熔融浸渍与固化成型，制得长为150 mm、宽为150 mm、厚度为2 mm的不同PLA质量分数的碳纤维增强复合材料。实验温度为170～180 ℃，压力为2～3 MPa，热压10 min，保压8 h。连续碳纤维增强复合材料制备工艺示意图如图1所示。

图1 连续碳纤维增强复合材料制备工艺示意图Fig.1 Manufacturing process of continuous carbon fiber reinforced composites

1.3 力学性能测试

用切割机将已准备好的复合材料裁剪成相应尺寸：拉伸试样为150 mm×(12.5±0.5) mm，冲击试样为80 mm×(10±0.5) mm，弯曲试样为70 mm×(10±0.5) mm。通过对复合材料试样的拉伸、冲击、弯曲测试，研究PLA质量分数对碳纤维增强复合材料力学性能的影响。

1.3.1 冲击性能测试

根据GB/T 1043.1—2008《塑料 简支梁冲击性能的测定 第1部分：非仪器冲击试验》，利用XJJ-50S简支梁冲击试验机(济南恒思盛达仪器有限公司)测试样品的冲击强度和吸收能。摆锤能量为7.5 J，冲击速度为3.8 m/s，摆锤预扬角为160°。每组试样测试5次，取平均值。

1.3.2 弯曲性能测试

参照GB/T 3356—2014《定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验方法》，采用WCW-20微机控制电子万能试验机(济南天辰试验机制造有限公司)测量材料的弯曲性能。试样的跨距比为32∶1，宽度为12.5 mm，试样的长度比跨度长为20%，每种试样测试5次，取平均值。

1.3.3 拉伸性能测试

参照GB/T 3354—2014《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》,采用WCW-20微机控制电子万能试验机(济南天辰试验机制造有限公司)测量材料的拉伸性能。拉伸速度为2 mm/min。每组试样测试5次，取平均值。

1.4 拉伸断裂形貌观察

用TM3030台式扫描电子显微镜(日本日立公司)观察拉伸实验后样品的横截面形态，加速电压为3.0 kV。

2 实验结果与讨论

2.1 PLA含量对复合材料冲击性能影响

图2示出不同PLA质量分数的碳纤维增强复合材料的冲击强度。可以看出，PLA质量分数对复合材料冲击性能有显著影响。当树脂中不含PLA时，碳纤维增强复合材料的冲击强度为22.27 kJ/m2；当PLA质量分数为20%时，复合材料的冲击强度迅速下降至15.6 kJ/m2；随着PLA质量分数的提高，复合材料的冲击强度得到提高；当PLA质量分数达到60%时，碳纤维增强复合材料基本达到原样的冲击强度，为21.8 kJ/m2，冲击性能较好；进一步增加PLA质量分数，其冲击强度开始逐步降低，当树脂全部为PLA时，试样的冲击强度仅为9.35 kJ/m2。造成这种现象的原因可能是PP的力学性能较好，与碳纤维结合较好，试样冲击破坏形式以碳纤维的剪断及基体开裂为主，因此，当树脂中不掺杂PLA时，碳纤维增强复合材料的冲击强度较好[10-11]。当树脂中PLA质量分数较小时，试样冲击后表面出现发白现象，复合材料冲击性能大幅度下降[12]。随着PLA质量分数的增加，PLA的冲击韧性仍发挥作用，因此其冲击强度提高。然而由于PLA的力学性能差，PLA质量分数的继续增加将导致复合材料的冲击强度大幅度下降。

图2 不同PLA质量分数的复合材料冲击强度Fig.2 Impact strength of composites with different PLA mass fraction

2.2 PLA含量对复合材料弯曲性能影响

图3示出不同PLA质量分数的碳纤维增强复合材料的弯曲性能。从图3(a)可以看出，随着 PLA 质量分数的增加，复合材料的弯曲强度呈先下降后上升，最后再下降的趋势，与冲击强度变化趋势较为吻合。当树脂中不掺杂PLA时，碳纤维增强复合材料的弯曲强度为111.0 MPa；在PLA质量分数为20%时，复合材料弯曲性能迅速下降至49.5 MPa；随着PLA质量分数的增加，复合材料的弯曲强度大幅度上升,然后达到峰值(112.5 MPa)；随后进一步增加树脂中PLA的质量分数，其弯曲强度开始下降，碳纤维/PLA复合材料的弯曲强度为57.0 MPa。

图3 不同PLA质量分数的复合材料弯曲性能Fig.3 Bending properties of composites with different PLA mass fraction. (a) Bending strength；(b) Bending stress and strain curves

从图3(b)可以看出，树脂中不掺杂PLA的碳纤维增强复合材料在应变为60%时，弯曲强度达到最大值，随后复合材料发生弯曲破坏。加入PLA后当复合材料应变在10%～20%时，弯曲强度达到最大值，随后开始缓慢下降，最后急剧下降，复合材料发生弯曲破坏。出现这种现象可能是由于PLA/PP共混体系与碳纤维粘结能力弱，弯曲时首先出现分层，试样遭到局部破坏，弯曲强度开始缓慢下降，随后碳纤维开始发生断裂，试样被彻底破坏。

2.3 PLA含量对复合材料拉伸性能影响

图4示出不同PLA质量分数的碳纤维增强复合材料的拉伸性能。由图4(a)可知，复合材料的拉伸强度随着PLA质量分数的增加，呈现出先上升后下降的趋势。当树脂体系中不包含PLA时，碳纤维增强复合材料的拉伸强度为34.48 MPa；随着PLA质量分数的增加，复合材料拉伸强度开始增加，直至PLA质量分数达到40%时，复合材料拉伸强度(48.6 MPa)达到峰值。随后再增加PLA质量分数，复合材料拉伸强度开始降低。从图4(b)拉伸应力-应变曲线可以看出，不掺杂PLA树脂的碳纤维增强复合材料拉伸断裂功(应力-应变曲线下的面积)最小，复合材料韧性最差。

图4 不同PLA质量分数的复合材料拉伸性能Fig.4 Tensile properties of composites with different PLA mass fraction. (a) Tensile strength；(b) Tensile stress and strain curves

图5示出不同PLA质量分数的碳纤维增强复合材料的拉伸断裂面形貌照片。可以看出，随着PLA质量分数的增加，复合材料的断面由界面脱粘逐渐演变为基体裂纹后,继续演变为以脱层开裂为主。碳纤维增强复合材料是由纤维和树脂2种组分组成，纤维和树脂的性质差异很大。碳纤维复合材料受到外力作用时，首先由界面承载外力然后传递到纤维上，所以纤维与树脂的界面结合情况好坏直接影响复合材料的力学性能。Drzal等[13-14]提出的复合界面键合模型认为，复合界面力主要分为3种类型：化学键合力、范德华力和机械嵌合力。由于热塑性树脂基体和碳纤维之间没有界面反应，所以形成不了化学键和官能团，即界面力主要是范德华力和机械嵌合力。树脂基体对碳纤维的浸渍越充分，界面结合处形成的范德华力和机械嵌合力就越大，界面结合性就越好。复合材料在承载力时，通常承载力的是树脂基体，然后通过基体和纤维的界面把载力传递到纤维上。由表1可知，随着PLA质量分数的增加，PLA/PP共混树脂的熔融指数变大。当共混树脂熔融指数较低时，纤维粘接不牢，界面层的强度小于基体本身的强度，所以界面层最先遭到破坏，出现脱层现象，复合材料力学性能低；随着熔融指数的增加，树脂充分浸渍碳纤维，复合材料力学性能较高。当熔融指数过大，树脂大部分沉积在复合材料底面，复合材料内部树脂较少，纤维结合不牢固，复合材料力学性能较差，这可能也是复合材料拉伸强度先升高后降低的主要原因。

图5 不同PLA质量分数的复合材料拉伸断裂表面形貌(×40)Fig.5 Tensile fracture surface morphology of composite with different PLA mass fraction (×40)

3 结 论

1)随着PLA质量分数的增大，碳纤维增强复合材料的力学性能大致呈现先升高后降低的变化。当PLA质量分数为60%时，碳纤维增强复合材料的冲击强度和弯曲强度最高，分别为21.8 kJ/m2和112.5 MPa；当PLA质量分数为40%时，试样的拉伸强度达到峰值，为48.6 MPa。

2)PLA质量分数对碳纤维增强复合材料力学性能有显著影响，适量地掺杂PLA树脂对碳纤维增强PP基复合材料有一定的增韧作用，在不损失抗冲击性能和弯曲性能的同时，增加复合材料的拉伸强度。当PLA质量分数为60%时，碳纤维增强复合材料综合力学性能较好，可以替代碳纤维/PP复合材料，使产品更加绿色环保。

3)由于PLA/PP树脂相容性差，力学性能优化不明显，如何对PLA/PP共混体系进行改性是未来研究的重点。

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