短切碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究.pdf
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1、Automobile Parts 2023.06051Preparation and Properties Research of Chopped CarbonFiber Reinforced Polypropylene Composites短切碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究收稿日期:2022-09-26作者简介:廖辉(1987),男,硕士,工程师,主要从事汽车内饰结构设计及材料开发工作。E-mail:hui.liao 。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.010短切碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究廖辉1,闫溥2,周海21.上海延锋金桥汽车饰件
2、系统有限公司,上海 200036;2.会通新材料股份有限公司,安徽合肥 231202摘要:通过双螺杆熔融共混法制备聚丙烯/短切碳纤维(PP/SCF)复合材料,研究了 SCF 和马来酸酐接枝聚丙烯相容剂(PP-g-MAH)的用量对复合材料力学性能、流动性能及热稳定性能的影响,并采用扫描电子显微镜观察了复合材料的断面形貌。结果表明:SCF 用量对 PP 基体中的分散有显著影响,PP-g-MAH 对界面结合特性起着重要作用,两者的结合显著影响 SCF/PP 复合材料的综合性能;当 SCF 质量分数为 15%、相容剂质量分数为 9%时,其综合性能最优。关键词:聚丙烯;马来酸酐接枝聚丙烯;短切碳纤维;复
3、合材料中图分类号:TQ327.3Preparation and Properties Research of Chopped Carbon Fiber Reinforced Polypropylene CompositesLIAO Hui1,YAN Pu2,ZHOU Hai21.Shanghai Yanfeng Jinqiao Automotive Trim System Co.,Ltd.,Shanghai 200036,China;2.Orinko Advanced Plastics Co.,Ltd.,Hefei Anhui 231202,ChinaAbstract:Polypropylen
4、e/chopped carbon fiber(PP/SCF)composites were fabricated via twin screw melt blend.The effects of the amount of SCF and the maleic anhydride grafted polypropylene(PP-g-MAH)on the mechanical properties,flow properties and thermal stabilities of composites were studied.The fracture surface morphology
5、of PP/SCF composites was observed by scanning electron microscope(SEM).The results indicate that the dispersion condition in polypropylene matrix is significantly affected by the amount of SCF,and the PP-g-MAH plays an important role on the interface bonding characteristics,the combination of the tw
6、o significantly affects the comprehensive properties of SCF/PP composites.When the mass fraction of SCF is 15%and the mass fraction of compatibilizer is 9%,its comprehensive performance is the best.Keywords:polypropylene(PP);maleic anhydride grafted polypropylene(PP-g-MAH);chopped carbon fiber;compo
7、sites0 引言聚丙烯(PP)具有密度低、刚韧平衡性好、热性能和耐酸碱性能优等特点,已被广泛应用于汽车内外饰制品中。短切碳纤维(SCF)作为一种性能优异的无机填料,具有高强度、高模量、耐腐蚀优和质轻等特点。为此,将 SCF 用于增强 PP 制得 PP/SCF 复合材料用于汽车内外饰制品中,相较于传统的玻璃纤维增强 PP 复合材料,具有密度低、强度高、耐腐蚀等优势,在实现汽车节能、减排和轻量化设计要求上,具有极大的经济价值和社会意义1-4。但 PP 作为一种非极性材料,与市售 SCF 的界面黏结力较差,难以发挥 SCF 的增强特性。本文利用万能试验机、冲击试验机、熔体流动速率仪、热重分析仪器以
8、及扫描电子显微镜等设备,系统地研究 SCF 和相容剂对PP/SCF 复合材料的力学性能、热稳定性能、流动特性和微观形貌的影响,为制备 PP/SCF 复合材料提供一定的理论支持和实践指导。1 试验部分1.1 主要原材料聚丙烯(PP)M60RHC,中国石油化工(镇海)公司生产;短切碳纤维(SCF)UTS50,日本东邦化学工业株式会社生产;马来酸酐接枝 PP 相容剂(PP-g-MAH)CMG9801,佳易容(江苏)有限公司生产。1.2 主要设备及仪器SHJ-35 型同向双螺杆挤出机,南京瑞亚装配有限公司生产;B-920 型注塑机,浙江海天塑机有限公司生产;AGS-X-20KN 型万能试验机,岛津(中
9、国)有限公司生产;PTM-1400 型冲击试验机,深圳三思纵横科技股份有限公司生产;ZRZ1452 型熔体流动速率试验机,美特斯工业系统(中国)有限公司生产;TGA/DSC1 型热重分析仪器,瑞士梅特勒公司生产;TESCAN MIRA LMS 型扫描电子显微镜,TESCAN(中国)公司生产。2023.06 Automobile Parts052研究与开发Research&Development1.3 试样制备根据表 1 所示的质量分数,准确称取各组分材料,并将除 SCF 以外组分混合均匀,SCF 从侧喂料下机,其余组分从主喂料下机,通过双螺杆挤出、造粒,制备测试样条。表 1 PP/SCF 复合
10、材料试样配方单位:%试样编号PPPP-g-MAHSCF1#100002#95053#900104#850155#800206#750257#823158#796159#7691510#73121511#7015151.4 测试与表征(1)力学性能测试:拉伸强度依据 ISO 5272 标准测试,拉伸速率为 50 mm/min;简支梁缺口冲击强度依据 ISO 179 标准测试,A 型缺口。(2)流动性能的测试:依据 ISO 1133 标准测试,测试温度为 230,负荷为 2.16 kg。(3)扫描电镜(SEM)表征:将样品用液氮淬断,经离子溅射仪对其断面进行喷金,利用扫描电子显微镜观察 SCF/P
11、P 复合材料断面形貌。(4)热重(TG)测试:称取 68 mg 样品在氮气氛围下,以 10 /min 的速率升至 650。2 结果与讨论2.1 SCF 用量对复合材料力学性能的影响在 PP 中加入不同质量分数的 SCF,研究其对复合材料性能的影响。由图 1 可以看出:随 SCF 质量分数的增加,PP/SCF 复合材料的拉伸强度呈现先增加后趋于稳定的趋势,缺口冲击强度却呈现先增加后减少趋势;当 SCF 的质量分数为 15%时,PP/SCF 复合材料的拉伸强度和缺口冲击强度达到极值。图 1 SCF 质量分数对复合材料拉伸强度和缺口冲击强度的影响为进一步研究 SCF 质量分数对复合材料性能影响的原因
12、,使用 SEM 对其断面形貌进行观察。SCF 质量分数对断面形貌的影响如图 2 所示。由图可以看出:未加入SCF 的 PP(图2 中1#试样)断面较为平滑,存在一些基体的微裂纹;随着 SCF 的加入,在复合材料的电镜图中出现了短棒状的 SCF(图 2 中 2#6#试样);在 SCF 质量分数低于 15%(图 2 中 4#试样)时,SCF 能够均匀地分散在聚合物基体中;SCF 质量分数为 20%(图 2 中 5#试样)和 25%时(图 2 中 6#试样),由于 SCF 质量分数过高不易分散导致纤维间发生团簇(如白色圈标识处)。图 2 SCF 质量分数对断面形貌的影响Automobile Part
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