玄武巖/碳纖維增強PP/EVA復合材料性能的研究

任慶龍 夏英 張鋒鋒 張馨月 張桂霞

(大連工業(yè)大學紡織與材料工程學院，遼寧 大連，116034)

玄武巖/碳纖維增強PP/EVA復合材料性能的研究

任慶龍 夏英*張鋒鋒 張馨月 張桂霞

(大連工業(yè)大學紡織與材料工程學院，遼寧 大連，116034)

采用雙輥開煉機將玄武巖纖維(X)、碳纖維(C)與聚丙烯(PP)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)進行熔融共混，制備了PP/EVA/X/C復合材料。研究了X與C復配比例對PP/EVA復合材料力學性能的影響，并探討了優(yōu)化后的復配比例對PP/EVA復合材料加工性能、熱性能的影響以及復合材料的微觀結構情況。結果表明：當X與C質(zhì)量比為1∶3時，PP/EVA/X/C復合材料的綜合力學性能較好。與PP/EVA復合材料相比，改性玄武巖纖維(SSiX)和碳纖維(SSiC)增強PP/EVA復合材料的拉伸強度提高了15.73 MPa，彎曲強度提高了30.36 MPa，但沖擊強度有所下降。同時，與PP/EVA/X/C復合材料相比，PP/EVA/SSiX/SSiC復合材料的加工性能得到改善，熱穩(wěn)定性也得到了提高。

玄武巖纖維 碳纖維 復合材料 性能

為了提高聚丙烯(PP)的韌性，通常將PP與橡膠彈性體共混，其中PP/三元乙丙橡膠(EPDM)、PP/乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)等共混物已得到廣泛應用[1]。但這種改性材料在韌性大幅度提高的同時，其剛性損失很大。因此為了改善PP/EVA復合材料的力學強度，使用綠色環(huán)保纖維增強PP/EVA復合材料具有一定的現(xiàn)實意義。

玄武巖纖維(X)是一種典型的硅酸鹽纖維。具有原料來源廣、成本低、抗拉強度高、耐高溫、耐腐蝕、透波性能優(yōu)異等性能，除此之外，玄武巖纖維還具有綠色無污染的特性[2-4]。碳纖維是一種含碳量高的無機高分子纖維，兼具碳材料強抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，是一種力學性能優(yōu)異的新材料。

下面采用雙輥開煉機將X、碳纖維(C)與PP，EVA進行熔融共混，制備了PP/EVA/X/C復合材料。研究了X與C復配對PP/EVA復合材料力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原料

PP，J340，盤錦華錦乙烯有限責任公司；EVA，EVA-18，乙酸乙烯酯質(zhì)量分數(shù)18%，東莞市鴻君塑膠原料有限公司；X和C，短切3 mm，海寧安捷復合材料有限責任公司；NaOH，分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；硅烷偶聯(lián)劑，KH550，南京道寧化工有限公司；無水乙醇，優(yōu)級純，天津市光復科技發(fā)展有限公司；濃硫酸，天津市瑞金特化學品有限公司；甲酸，分析純，天津科密歐化學試劑有限公司。

1.2 設備

電熱干燥箱(202-00A)及高速萬能粉碎機(FW100)，天津市泰斯特儀器有限公司；雙輥開煉機，SK-160B 160×320 mm，上海思南橡膠機械有限公司；平板硫化機，QLB-50D/Q，江蘇無錫市中凱橡塑機械有限公司；萬能制樣機，HY-W，河北省承德試驗機廠；微機控制電子萬能機，RGT-5，深圳市瑞格爾儀器有限公司；液晶顯示沖擊試驗機，RXJ-50，深圳市瑞格爾儀器有限公司；熔融指數(shù)儀，XRZ-400，吉林大學儀器廠；熱失重儀(TGA)，Q50，美國TA儀器；掃描電鏡(SEM)，JSM-6460 LV，日本電子公司。

1.3 試樣制備

1.3.1 纖維處理

配制濃度為1 mol/L的硫酸溶液，將5 g 的X加到配好的1 mL硫酸溶液中，于80 ℃反應2 h，反應結束后抽濾，洗滌干燥。再采用一定質(zhì)量分數(shù)的KH550溶液對酸處理后的X按比例進行表面處理，得到改性玄武巖纖維(SSiX)，并在100 ℃的鼓風干燥箱中干燥8 h備用。處理C方法同上，得到改性碳纖維記為SSiC。

1.3.2 復合材料的制備

將X，C與PP，EVA按比例(其中纖維總用量為30份，PP用量為56份，EVA用量為14份)于(180±5) ℃雙輥開煉機上混煉8 min，混煉均勻后下片，在溫度為(178±3) ℃、壓力為15 MPa平板硫化機上熱壓5 min，熱壓完成后再冷壓20 min得到樣板，裁成標準樣以備測試。

1.4 性能測試

拉伸強度按GB/T 6344—2008 測試，拉伸速率為50 mm/min；彎曲強度按GB/T 9341—2008 測試，彎曲速率為2 mm/min；懸臂梁缺口沖擊強度按 GB/T 1943—2007 測試。熔體流動速率測試按照GB/T 3682—2008標準，測試溫度230 ℃，負載2.16 kg；熱失重分析在氮氣保護下，氮氣流速為60 mL/min，其升溫速度為10 ℃/min，溫度為25～550 ℃。SEM測試按GB/T 16594—2008標準，試樣經(jīng)過液氮冷凍脆斷進行噴金處理后測試。

2 結果與討論

2.1 未改性纖維對PP/EVA力學性能的影響

表1為X和C兩種纖維比例對PP/EVA復合材料力學性能的影響。

表1 未改性纖維對PP/EVA復合材料力學性能的影響

從表1可以看出，X和C質(zhì)量比由1∶1變化至1∶3時，PP/EVA/X/C復合材料的拉伸強度和彎曲強度呈增大趨勢，但當X和C質(zhì)量比為1∶4時，PP/EVA/X/C復合材料的拉伸、彎曲強度和沖擊強度開始下降。當復配纖維中X與C質(zhì)量比例由2∶1增至4∶1時，PP/EVA/X/C復合材料的拉伸和彎曲強度明顯下降，由此說明，在該復配纖維體系中，加大C比例有利于復合材料拉伸強度和彎曲強度的提高。另外從表1還可以看出，X與C比例由1∶1變化至1∶3時，復合材料沖擊強度由6.43 kJ/m2增至7.40 kJ/m2，C含量繼續(xù)增加，復合材料的沖擊強度明顯下降；X與C質(zhì)量比由2∶1變化至4∶1時，沖擊強度由8.04 kJ/m2降至5.85 kJ/m2。綜合考慮，X和C復配質(zhì)量比為1∶3時，PP/EVA/X/C復合材料的力學性能較佳。

2.2 改性纖維對PP/EVA力學性能的影響

表2為改性纖維復配對PP/EVA復合材料力學性能的影響。

表2 改性纖維復配對PP/EVA復合材料力學性能的影響

從表2可以看出，X和C復配對PP/EVA復合材料起到了增強作用，其中改性纖維復配對PP/EVA復合材料的增強效果最為突出，拉伸強度和彎曲強度較PP/EVA復合材料分別提高了15.73，30.36 MPa，沖擊強度較PP/EVA/X/C復合材料也提高了2.70 kJ/m2。這不僅因為改性纖維的表面易于同基體PP/EVA相容，增加了界面黏結力，還由于與未改性纖維相比，兩種改性纖維交錯互織能形成有效的二維網(wǎng)狀結構，這有利于緩解局部應力，因此SSiX/SSiC/PP/EVA復合材料的綜合力學性能明顯提高。

2.3 改性纖維對PP/EVA熔體流動速率的影響

經(jīng)測試PP,PP/EVA,PP/EVA/X/C,PP/EVA/SSiX/SSiC熔體流動速率分別為1.16，3.04，2.01，3.25 g/10min。

其中PP/EVA/SSiX/SSiC復合材料的加工流動性較好。這是因為未改性的X和C表面極性較強，與基體樹脂相容性較差，因此與PP/EVA復合材料相比，流動性有所降低。而改性的纖維與基體樹脂的相容性變得較好，因此C在樹脂中的取向更佳明顯，材料熔體流動速率加快。

2.4 PP/EVA的微觀結構分析

圖1為纖維復配增強PP/EVA復合材料的微觀結構。

從圖1(a)可以看出，PP/EVA/X/C復合材料的斷面上有較多纖維裸露在外面，并且纖維表面光滑，孔洞和溝壑結構較多。部分纖維團聚在一處，說明未改性復配纖維在基體中的分散性較差。從圖1(b)可以看出，纖維在基體中分散均勻，且纖維從基體中拔出的孔洞和溝壑結構減少，纖維完全被樹脂包裹，已看不到圖1(a)中光滑的纖維表面。這是由于復配纖維均經(jīng)酸刻蝕并偶聯(lián)處理后，纖維表面變得粗糙，增加了其與樹脂基體之間的相容性，這有利于與樹脂基體之間的界面結合，從而復合材料的力學強度得到提高。

圖1 纖維復配增強PP/EVA復合材料的微觀結構

2.5 改性纖維復配對PP/EVA熱性能的影響

圖2為復合材料的熱失重曲線，圖3為復合材料的DTG曲線。

圖2 復合材料的熱失重曲線

由圖2、圖3可知，纖維復配增強PP/EVA復合材料的初始分解溫度均低于未添加纖維的PP/EVA復合材料。這可能因為復配纖維中存在易于降解的低聚物或纖維表面物理吸附水的揮發(fā)。

圖3 復合材料的DTG曲線

從圖2、圖3還可以看出，改性纖維復配增強的PP/EVA復合材料質(zhì)量損失50%時對應的溫度(Td50%)高于未添加纖維的復合材料的；另外，在該升溫速率下，復配纖維增強的PP/EVA復合材料的最大分解速率有所降低。因此，當加入改性復配纖維增強PP/EVA復合材料時，復合材料的熱穩(wěn)定性有所增強。

3 結論

a) X和C復配對PP/EVA復合材料有增強

作用，當未改性X與C質(zhì)量比為1∶3時，PP/EVA/X/C復合材料的綜合力學性能較佳。

b) 與PP/EVA復合材料相比，改性纖維復配對PP/EVA復合材料的增強效果更為突出。SSiX/SSiC/PP/EVA復合材料的拉伸強度和彎曲強度提高了15.73，30.36 MPa，但沖擊強度有所下降。

c) PP/EVA/SSiX/SSiC復合材料的熔體流動速率為3.25 g/10min，改性纖維復配增強PP/EVA復合材料的加工流動性得到了改善。

c) 復配纖維增強PP/EVA復合材料的Td50%均高于未添加纖維PP/EVA復合材料的，其熱穩(wěn)定性有所提高。

[1] 宣兆龍，易建政，杜仕國. 聚丙烯的共混改性研究[J]. 塑料科技，1999，(6)：17-20.

[2] 宋秋霞，劉華武，鐘智麗，等. 硅烷偶聯(lián)劑處理對玄武巖單絲拉伸性能的影響[J]. 天津工業(yè)大學學報，2010, 29(1):19-22.

[3] 郭宗福，鐘智麗. 玄武巖纖維/聚丙烯熱塑板拉伸性能的研究[J].玻璃纖維，2012,(2):34-38.

[4] 吳佳林. 連續(xù)玄武巖纖維的研究進展及應用[J].化纖與紡織技術，2012,41(3):38-41.

Properties of Basalt and Carbon Fibers Reinforced PP/EVA Composites

Ren Qinglong Xia Ying Zhang Fengfeng Zhang Xinyue Zhang Guixia

(School of Textile and Material Engineering,Dalian Polytechnic University, Dalian，Liaoning,116034)

The PP/EVA/X/C composite was prepared with the basalt (X) fiber, carbon fiber (C), PP and EVA by blending in a double roller mixer. The effect of the proportion of these two kinds of fibers on the mechanical properties of PP/EVA composite was investigated. Meanwhile, the processability, thermal properties and morphology structure of the composite were also analyzed. The results showed that when the proportion of X and C was 1:3, the comprehensive mechanical properties of PP/EVA/X/C composite was better. Compared with the PP/EVA composite, the tensile strength and flexural strength of the modified basalt (SSiX) and carbon (SSiC) fibers reinforced PP/EVA composite increased by 15.73 MPa and 30.36 MPa respectively, but its impact strength declined. In addition, the processability and thermal stability of PP/EVA/SSiX/SSiC composite were improved compared to PP/EVA/X/C composite.

basalt fiber; carbon fiber; composite; properties

2016-06-15;修改稿收到日期:2016-10-15。

任慶龍,男,碩士研究生,主要從事高分子材料加工和改性以及功能復合材料的研究。

*通信聯(lián)系人,E-mail:xiaying961@163.com。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.06.005