摘要
本研究以短切碳纤维为增强体，聚丙烯（PP）纤维为基体，采用湿法造纸工艺制备碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）。通过正交实验，探讨了碳纤维含量、碳纤维长度、热压温度以及热压时间对CFRTP力学性能的影响。结果表明，碳纤维含量是影响复合材料力学性能的主要因素；正交实验条件下，当碳纤维含量20%，碳纤维长度5 mm，热压温度190℃，热压时间10 min时，CFRTP的性能最好，其拉伸强度为83.9 MPa，弯曲强度为52.5 MPa，缺口冲击韧性48.2 kJ/m2，对比同等条件下未添加碳纤维的材料其性能分别提高了189%、52%以及1021%。同时，通过单一因素实验探究不同碳纤维含量对CFRTP力学性能的影响。结果表明，随着碳纤维含量的增加，CFRTP的拉伸强度、弯曲强度以及缺口冲击韧性均先上升后下降。
碳纤维增强热塑性复合材料由于其质量轻、强度高的特点，已迅速发展成为一种市场前景广阔的复合材料[1]。碳纤维增强热塑性复合材料的密度小、比强度和比刚度大，具有优异的力学性能、耐腐蚀性、耐热性和冲击韧性等，同时容易回收，利用率高，是理想的轻量化材料[2]。与热固性复合材料相比较，热塑性复合材料可焊接、可回收、可二次成型，且具有耐冲击性、高韧性以及生产效率高等优点。随着各国相继出台的油耗和排放法规要求以及电动汽车的发展，汽车轻量化越来越受到关注[3]。碳纤维增强热塑性复合材料未来可以逐步达到替代部分金属材料的目的，用作制造扶手以及靠背等多种汽车结构件和功能件[4]。
短切碳纤维与连续碳纤维相比，在保持一定程度力学性能的同时还具有易加料、易混合、便于加工生产等优点[5]。基于湿法造纸，以短切碳纤维为原料制备碳纤维增强热塑性复合材料是一种新的生产工艺，与传统注塑工艺以及毛毡布层压的方法相比[6]，湿法造纸工艺的成型周期短，可实现大规模的连续化生产[7]。
Rezaei等人[8-9]研究了短切碳纤维增强聚丙烯复合材料，结果表明，随着碳纤维载荷的增加，复合材料的刚度、硬度、强度和热降解温度均有所提高，当纤维长度适当时，其储能模量也有所提高。Vishkaei等人[10]的研究表明，聚丙烯复合材料的力学性能和热降解温度随着短切碳纤维的加入而提高。Kimura等人[11]以碳纤维废渣为原料，采用造纸法将碳纤维与聚酯纤维混合压缩成预片材后制成复合材料。颜鑫等人[12]探究了基于湿法制备碳纤维热塑性复合材料的可行性。但总体来说，国内对采用湿法造纸工艺制备短切碳纤维增强热塑性复合材料的实验研究较少[13-14]。
本研究以短切碳纤维为增强体，聚丙烯（PP）纤维为基体，采用湿法造纸工艺制备碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）。通过力学性能的对比，初步获得制备（CFRTP）较优的工艺条件。
3、5、7 mm碳纤维（天津工业大学制备，直径7 μm，拉伸模量235 GPa，拉伸强度3920 MPa）；聚丙烯（PP）纤维（直径3.0 d，长度5 mm，浙江益嘉慧实业有限公司）；聚乙烯醇（PVA）水溶性纤维（3 mm，日本可乐丽公司）；聚环氧乙烷（PEO）纤维（固含量0.4%，上海联盛化工有限公司）。
纸页成型器（RK-3A，奥地利PTI公司）；浆料疏解器（95568，奥地利PTI公司）；扫描电子显微镜（S-3400N，日本先端科技有限公司）；自制模具（厚度2 mm）；层压试验机（MD300-30T，临安丰源电子有限公司）；万能试验机（DXLL-10000，上海登杰设备有限公司）；冲击试验机（XJJ-50，承德金建检测仪器制造厂）。
将碳纤维与PP纤维混合后，加入分散剂PEO以及PVA水溶性纤维，利用浆料疏解器进行分散并制成浆料，采用纸页成型器抄造成定量为100 g/m2的手抄片；手抄片经压榨、干燥后，将其放入模具中，统一设置热压压力为5 MPa，经层压机热压后成型，制备得到碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）。其工艺流程图如图1所示。
Fig. 1 Process flow chart of CFRTP
按照GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的测试方法》测试复合材料的拉力性能；制备拉伸试样采用万能试验机按照GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的测试方法》和GB/T 9341—2008《塑料弯曲性能的测定》分别测试复合材料的拉伸和弯曲性能；采用冲击试验机按照GB/T 1843—2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》测试复合材料的悬臂梁冲击性能。
对于CFRTP制备的影响因素很多，本研究采用四因素三水平的正交实验，研究了碳纤维含量、碳纤维长度、热压温度以及热压时间对CFRTP力学性能的影响。
正交实验设计表如表1所示。本研究不考虑因素间的交互作用，只考察碳纤维含量、碳纤维长度、热压温度以及热压时间4个因素对CFRTP性能的影响，选用L9（34）正交表，正交实验表如表2所示。
表1
正交实验设计
Table 1
Orthogonal experimental design
| 水平 | A碳纤维含量/% | B碳纤维长度/mm | C热压温度/℃ | D热压时间/min |
|---|
|
1 |
10 |
3 |
190 |
5 |
|
2 |
20 |
5 |
200 |
10 |
|
3 |
30 |
7 |
210 |
15 |
表2
正交实验方案
Table 2
Orthogonal experimental scheme
| 实验号 | 因素 |
|---|
| A | B | C | D |
|---|
|
1 |
10 |
3 |
190 |
5 |
|
2 |
10 |
5 |
200 |
10 |
|
3 |
10 |
7 |
210 |
15 |
|
4 |
20 |
5 |
190 |
15 |
|
5 |
20 |
7 |
200 |
5 |
|
6 |
20 |
3 |
210 |
10 |
|
7 |
30 |
7 |
190 |
10 |
|
8 |
30 |
3 |
200 |
15 |
|
9 |
30 |
5 |
210 |
5 |
按照表2的方案依次制备出相应的CFRTP，分别根据对应的标准对试样条进行力学性能测试，得到拉伸强度、弯曲强度以及缺口冲击韧性的数值，结果见表3，极差分析见表4。
表3
正交实验结果
Table 3
Orthogonal experimental results
| 实验号 | 因素 | 实验指标 |
|---|
| 碳纤维含量/% | 碳纤维长度/mm | 热压温度/℃ | 热压时间/min | 拉伸强度/MPa | 弯曲强度/MPa | 缺口冲击韧性/kJ·m-2 |
|---|
|
1 |
10 |
3 |
190 |
5 |
71.7 |
35.7 |
37.47 |
|
2 |
10 |
5 |
200 |
10 |
95.7 |
44.3 |
50.00 |
|
3 |
10 |
7 |
210 |
15 |
66.9 |
31.5 |
37.80 |
|
4 |
20 |
5 |
190 |
15 |
84.2 |
58.7 |
52.63 |
|
5 |
20 |
7 |
200 |
5 |
79.2 |
55.6 |
46.60 |
|
6 |
20 |
3 |
210 |
10 |
88.4 |
43.1 |
47.17 |
|
7 |
30 |
7 |
190 |
10 |
60.1 |
42.4 |
37.50 |
|
8 |
30 |
3 |
200 |
15 |
53.5 |
34.7 |
34.40 |
|
9 |
30 |
5 |
210 |
5 |
68.8 |
28 |
33.93 |
表4
极差分析表
Table 4
Range analysis table
| 实验号 | 因素 |
|---|
| A | B | C | D |
|---|
|
拉伸强度/MPa |
k1 |
234.3 |
213.6 |
216 |
219.7 |
|
k2 |
251.8 |
248.7 |
228.4 |
244.2 |
|
k3 |
182.40 |
206.20 |
224.10 |
204.60 |
|
1 |
78.10 |
71.20 |
72.00 |
73.23 |
|
2 |
83.93 |
82.90 |
76.13 |
81.40 |
|
3 |
60.80 |
68.73 |
74.70 |
68.20 |
|
R |
23.13 |
14.17 |
1.63 |
13.2 |
|
优水平 |
A2 |
B2 |
C2 |
D2 |
|
优组合 |
A2B2C2D2 |
|
弯曲强度/MPa |
k1 |
111.5 |
113.5 |
136.8 |
119.3 |
|
k2 |
157.4 |
131 |
134.6 |
129.8 |
|
k3 |
105.1 |
129.5 |
102.6 |
124.9 |
|
1 |
37.17 |
37.83 |
45.60 |
39.77 |
|
2 |
52.47 |
43.67 |
44.87 |
43.27 |
|
3 |
35.03 |
43.17 |
34.20 |
41.63 |
|
R |
17.44 |
5.84 |
11.40 |
3.50 |
|
优水平 |
A2 |
B2 |
C1 |
D2 |
|
优组合 |
A2B2C1D2 |
|
缺口冲击韧性/kJ·m-2 |
k1 |
120.00 |
122.00 |
128.08 |
120.13 |
|
k2 |
144.45 |
126.38 |
123.60 |
129.23 |
|
k3 |
106.97 |
123.03 |
119.73 |
122.05 |
|
1 |
40.00 |
40.67 |
42.69 |
40.04 |
|
2 |
48.15 |
42.13 |
41.20 |
43.08 |
|
3 |
35.66 |
41.01 |
39.91 |
40.68 |
|
R |
12.49 |
1.46 |
2.78 |
3.04 |
|
优水平 |
A2 |
B2 |
C1 |
D2 |
|
优组合 |
A2B2C1D2 |
从表4分析得出，制备出的CFRTP的弯曲强度和缺口冲击韧性的最优条件为A2B2C1D2，即碳纤维含量20%、碳纤维长度5 mm、热压温度190℃以及热压时间10 min。
由表4还可以看出，拉伸强度的影响顺序为A>B>D>C，弯曲强度的影响顺序A>C>B>D，缺口冲击韧性的影响顺序为A>D>C>B。可以得出所选4个因素中碳纤维含量对CFRTP力学性能的影响最为显著。
由正交实验可知，碳纤维含量是影响CFRTP的主要因素。为了进一步研究碳纤维含量对CFRTP力学性能的影响，设计了以碳纤维含量为自变量的单一因素实验，实验方案见表5。实验结果如表6所示。
表5
以碳纤维含量为自变量的单一因素实验表
Table 5
Single factor experiment table with carbon fiber content as independent variable
| 实验序号 | 碳纤维含量/% | 碳纤维长度/mm | 热压温度/℃ | 热压时间/min |
|---|
|
10 |
0 |
5 |
190 |
10 |
|
11 |
10 |
5 |
190 |
10 |
|
12 |
20 |
5 |
190 |
10 |
|
13 |
30 |
5 |
190 |
10 |
|
14 |
40 |
5 |
190 |
10 |
表6
实验结果
Table 6
Experimental results
| 实验序号 | 碳纤维含量/% | 拉伸强度/MPa | 拉伸弹性模量/GPa | 弯曲强度/MPa | 弯曲弹性模量/GPa | 缺口冲击韧性/kJ·m-2 |
|---|
|
10 |
0 |
29.0 |
1.13 |
34.4 |
2.10 |
4.3 |
|
11 |
10 |
78.1 |
1.71 |
37.2 |
2.61 |
40.1 |
|
12 |
20 |
83.9 |
2.18 |
52.5 |
5.54 |
48.2 |
|
13 |
30 |
60.8 |
2.02 |
35.1 |
5.19 |
35.7 |
|
14 |
40 |
51.3 |
1.77 |
32.4 |
4.27 |
28.5 |
为了更直观地看出碳纤维含量对CFRTP拉伸强度、弯曲强度以及缺口冲击韧性的影响，根据表6中的数据，绘制出相应变化曲线。图2为不同碳纤维含量对应的CFRTP的拉伸强度和拉伸弹性模量的变化曲线。由图2可以看出，随着碳纤维含量的增加，CFRTP的拉伸强度、拉伸弹性模量均先升高后降低。当碳纤维含量达到20%时，其拉伸强度、拉伸弹性模量均为最大值，相比于未添加短切碳纤维的PP纤维，其拉伸强度从29.0 MPa增加到了83.9 MPa，提高了189%；其拉伸弹性模量由1.13 GPa提高到了2.18 GPa，提高了93%。
Fig. 2 Tensile properties of CFRTP with different carbon fiber contents
图3为不同碳纤维含量对应的CFRTP的弯曲强度和弯曲弹性模量的变化曲线。从图3可以看出，随着碳纤维含量的增加，CFRTP的弯曲强度、弯曲弹性模量均先升高后降低。当碳纤维含量达到20%时，其弯曲强度、弯曲弹性模量均为最大值，相比于未添加短切碳纤维的PP纤维，其弯曲强度从34.4 MPa增加到了52.5 MPa，提高了52%；其弯曲弹性模量由2.10 GPa提高到了5.54 GPa，提高了164%。
Fig. 3 Bending properties of CFRTP with different carbon fiber contents
图4为不同碳纤维含量对应的CFRTP的缺口冲击韧性的变化曲线。由图4可以得出，随着碳纤维含量的增加，CFRTP的缺口冲击韧性先升高后降低。当碳纤维含量达到20%时，缺口冲击韧性为最大值，相比于未添加短切碳纤维的PP纤维，其缺口冲击韧性由4.3 kJ/m2提高到了48.2 kJ/m2，提高了1021%。
Fig. 4 Notched impact toughness of CFRTP with different carbon fiber contents
从图2~图4可以看出，碳纤维含量对CFRTP的力学性能具有相同的影响趋势，即随着碳纤维含量的提高，CFRTP的力学性能均先升高后降低；碳纤维含量为20%时，其拉伸强度、弯曲强度以及缺口冲击韧性均达到最大值。这是因为当碳纤维含量较低时，相应的PP纤维含量高，力学性能相应的会低；同时热压时PP纤维含量高容易被挤出，从而造成内部缺陷也会降低力学性能。随着碳纤维含量的升高，力学性能随之升高，当碳纤维含量超过20%时，由于碳纤维含量增加，纤维的分散变得不均匀；同时由于作为热塑性纤维的PP纤维含量降低，也会导致复合材料热压时结合不好，从而导致力学性能下降。图5和图6分别为不同碳纤维含量的CFRTP手抄片以及断面SEM图。从图中可以看出，当碳纤维含量20%时，手抄片中碳纤维与聚丙烯纤维分散更好；同时，CFRTP断面纤维排列更紧密，故20%碳纤维含量的CFRTP力学性能更优。
Fig. 5 SEM images of CFRTP handsheets with different carbon fiber contents
Fig. 6 SEM images of CFRTP section with different carbon fiber contents
本研究以短切碳纤维为增强体，聚丙烯（PP）纤维为基体，采用湿法造纸工艺制备碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）。
3.1 通过正交实验，对碳纤维含量、碳纤维长度、热压温度以及热压时间对CFRTP力学性能的影响进行了探究。结果表明，碳纤维含量20%，碳纤维长度5 mm，热压温度190℃和热压时间10 min时，CFRTP力学性能较优。
3.2 正交实验表明，碳纤维含量是影响CFRTP力学性能的重要因素。通过单一因素实验结果表明，随着碳纤维含量的增加，CFRTP拉伸强度、弯曲强度以及缺口冲击韧性均先上升后下降；当碳纤维含量达到20%时，CFRTP的拉伸强度、弯曲强度以及缺口冲击韧性均达到最大值，拉伸强度为83.9 MPa，弯曲强度为52.5 MPa，缺口冲击韧性48.2 kJ/m2，相比未添加碳纤维的材料其性能分别提升了189%、52%和1021%。
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