粘貼工藝對碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯板材抗沖擊性能的影響

黃彩飛 陳國平 茍曉梅

摘 要：利用碳纖維布外貼的方式增強(qiáng)聚丙烯板材的抗沖擊性能，為制備出性良好且碳纖維布不易脫粘的復(fù)合板材，設(shè)計(jì)出了環(huán)氧樹脂粘貼工藝、環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝、PP膠粘貼工藝和混合粘貼工藝，并對不同制備工藝下的復(fù)合板材分別進(jìn)行了4、8、12 J的落錘試驗(yàn)。結(jié)果表明：在不同沖擊能量下，混合粘貼工藝的方式對聚丙烯板材的荷載的提高效率最高，同時(shí)能夠有效限制復(fù)合板材的變形，且試驗(yàn)后碳纖維布與板材間無脫粘現(xiàn)象，板材可進(jìn)行二次沖擊，是較佳的工藝方式;樹脂粘貼打孔工藝雖然能夠有效限制聚丙烯板材的變形，但其試驗(yàn)后碳纖維布與板材間脫粘現(xiàn)象明顯，不可進(jìn)行二次沖擊，其工藝方式還需進(jìn)一步改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：碳纖維布;聚丙烯;粘貼工藝;落錘試驗(yàn)

中圖分類號：TQ325.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2022）03-0055-07

Influence of adhesive technology on impact resistance of carbonfiber reinforced polypropylene sheet

HUANG Caifei1，CHEN Guoping1，GOU Xiaomei2

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and

Technology，Mian yang 621000，Sichuan China;2. Sichuan Automobile Vocational and Technical College， Mianyang 621000， Sichuan China）

Abstract：

In this paper， the impact resistance of the polypropylene sheet is enhanced by the outside pasting way of carbon fiber cloth. In order to prepare the composite sheet with good properties and carbon fiber cloth is not easy to break off， the epoxy resin sticking process， epoxy resin sticking punching process， PP adhesive sticking process and mixed sticking process are designed. The 4， 8 and 12 J drop weight tests were carried out on the composite plates under different preparation processes. The test results show that under different impact energy， mix-and-paste technology has the highest efficiency to improve the load of polypropylene sheet， and can effectively limit the deformation of composite sheet， and there is no debonding phenomenon between carbon fiber sheet and sheet after the test， and the sheet can carry out secondary impact， which is a better process. However， although the resin paste drilling technology can effectively limit the deformation of polypropylene sheet， the debonding phenomenon between the carbon fiber sheet and the sheet is obvious after the test， and the secondary impact cannot be carried out， so the technology method needs to be further improved.

Key words：

CFRP; polypropylene; paste process; drop test

目前聚丙烯復(fù)合材料的制備大都是利用纖維為增強(qiáng)材料與聚丙烯按照一定的工藝方式復(fù)合而成[1-7]。本文主要采用碳纖維布外貼的方式來制備聚丙烯復(fù)合板材，關(guān)鍵技術(shù)在于提高碳纖維布與聚丙烯間的粘接強(qiáng)度，提高碳纖維布的利用率和復(fù)合板材的力學(xué)性能。前期筆者研究了聚丙烯表面粗糙度[8]、涂刷時(shí)的膠層厚度[9]對碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯力學(xué)性能的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合板材的結(jié)構(gòu)形式及粘貼劑的種類，設(shè)計(jì)出了環(huán)氧樹脂粘貼工藝、環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝、PP膠粘貼工藝和混合粘貼工藝，意在制備出力學(xué)性能良好的復(fù)合板材。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用由日本辰日株式會(huì)社提供的碳纖維布、配套樹脂和上海昇輝橡膠制品公司提供的聚丙烯板材，其材料性能如表1所示。還采用了PP膠粘劑，它是采用環(huán)保溶劑及樹脂合成的單組分粘結(jié)劑，適用于聚丙烯（PP）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物（ABS）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）等硬塑膠料相粘的專用膠粘劑。本試驗(yàn)所采用的PP膠粘劑為奕合牌PP膠粘劑，其物理性能如表2所示。

2 試件設(shè)計(jì)與制作

2.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)試件的尺寸參照《硬質(zhì)塑料板材耐沖擊性能試驗(yàn)方法》（GB/T 11548─1989）進(jìn)行制作，長185 mm，寬160 mm，板厚5 mm。板材形式設(shè)計(jì)了未打孔板材和打孔板材，具體尺寸分別如圖1、圖2所示。同時(shí)在粘貼時(shí)使用環(huán)氧樹脂粘貼、PP膠粘貼和混合粘貼3種粘貼方式來制備不同形式的復(fù)合板材，設(shè)有對照組和試驗(yàn)組。試驗(yàn)組中設(shè)有單層碳纖維布試驗(yàn)組和雙層碳纖維布試驗(yàn)組具體工況，具體如表3所示。

2.2 試件制作

不同粘貼工藝的試件其打磨、粗糙度檢測的方式相同。具體的打磨和粗糙度檢測的步驟：步驟1，將試件用水洗凈，主要為了清除板材裁切時(shí)試件表面上所沾染的污漬，以防止影響打磨進(jìn)程;步驟2，利用電動(dòng)打磨機(jī)在試件所固定的凹槽中進(jìn)行縱向打磨，每個(gè)試件打磨50 s;步驟3，將打磨完成后的試件按照圖3尺寸進(jìn)行區(qū)域劃分;步驟4，利用粗糙度儀在所劃分的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行取點(diǎn)檢測，每個(gè)小區(qū)域內(nèi)取6個(gè)檢測點(diǎn)，按照計(jì)算公式：

表面粗糙度=（區(qū)域1平均值+區(qū)域2平均值+…+區(qū)域9平均值）÷ 9，得出試件表面粗糙度的參考值，結(jié)果如表4所示。

2.2.1 環(huán)氧樹脂粘貼工藝

先將環(huán)氧樹脂的主劑和固化劑按照2∶1的比例進(jìn)行拌合，待拌合完成后，用鏟刀均勻地將環(huán)氧樹脂涂刷在其表面，只要將環(huán)氧樹脂在其試件表面均勻刷到即可。當(dāng)環(huán)氧樹脂涂刷完成后，在其粘貼面上將碳纖維布的拉伸方向沿板材的長邊方向粘貼，同時(shí)用手將碳纖維布均勻按壓，使碳纖維布更加貼合板材;將粘貼好的碳纖維布試件靜置8 h以上，待環(huán)氧樹脂完全硬化則單層碳纖維布板材制作完成。對于制備雙層的碳纖維布板材，其第2層碳纖維布是在第1層碳纖維布粘貼完成時(shí)，在其第1層碳纖維布上均勻涂刷環(huán)氧樹脂;將第2層碳纖維布的拉伸方向沿板材的短邊粘貼，均勻按壓使碳纖維布更加貼合。在粘貼完成后，將其靜置等待環(huán)氧樹脂固化。

2.2.2 環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝

與環(huán)氧樹脂粘貼工藝的主要區(qū)別在于對其孔洞環(huán)氧樹脂的填充。首先對其試件的未打磨面利用透明膠布對孔洞進(jìn)行貼合覆蓋，并在試件的打磨面將孔洞進(jìn)行環(huán)氧樹脂的填充，填充時(shí)利用牙簽進(jìn)行攪動(dòng)，直到孔洞不能再填充時(shí)停止，再利用鏟刀均勻地將環(huán)氧樹脂涂刷在其表面，只要將環(huán)氧樹脂在其試件表明均勻刷到即可。當(dāng)環(huán)氧樹脂涂刷完成后，在其粘貼面上將碳纖維布的拉伸方向沿板材的長邊方向粘貼，同時(shí)用手將碳纖維布均勻按壓，使碳纖維布更加貼合板材。將粘貼好的碳纖維布試件靜置8 h以上，待樹脂完全硬化，則單層碳纖維布板材制作完成。對于制備雙層的碳纖維布板材，其第2層碳纖維布是在第1層碳纖維布粘貼完成時(shí)，在其第1層碳纖維布上均勻涂刷環(huán)氧樹脂，并將第2層碳纖維布的拉伸方向沿板材的短邊粘貼，并均勻按壓使碳纖維布更加貼合，粘貼完成后將其靜止等待環(huán)氧樹脂固化。

2.2.3 PP膠粘貼工藝

PP膠粘貼工藝其最大的特點(diǎn)是采用兩面刷膠。

如圖4所示，首先用刷子在碳纖維布的表面沿拉伸方向均勻涂刷PP膠，碳纖維布表面涂刷到即可，將涂刷完成的碳纖維布靜置。

如圖5所示，然后對打磨面的試件進(jìn)行均勻涂刷，涂刷完成后將其靜置。待碳纖維布膠層面和試件的膠層面不在有粘貼感時(shí)，將碳纖維布的拉伸方向沿板材的長邊方向粘貼。將粘貼好的復(fù)合板材靜置于水平的桌面上，并用砝碼對復(fù)合板材施加靜荷載，具體如圖6所示;這樣使碳纖維布更加貼合板材。對于制備雙層的碳纖維布板材，其第2層碳纖維布是在第1層碳纖維布粘貼完成時(shí)，在粘貼的第1層碳纖維布上均勻涂刷PP膠并在第2層的碳纖維布上均勻涂刷PP膠;待其二者表面無粘貼感時(shí)，將第2層碳纖維布的拉伸方向沿板材的短邊粘貼，并將其放置在砝碼下。12 h后將砝碼移除，試件制備完成，具體如圖7所示。

2.2.4 混合粘貼工藝

混合粘貼工藝是利用環(huán)氧樹脂與PP膠混合粘貼，這種粘貼工藝是考慮碳纖維布與PP膠間的融合性較差，所粘貼的碳纖維布只有粘貼面的碳纖維絲發(fā)揮了一定的作用。為了解決這一問題，粘貼時(shí)先利用PP膠粘將第1層碳纖維布與試件粘貼，再在其碳纖維布表面涂刷環(huán)氧樹脂以提高其碳纖維布的利用率;對于雙層碳纖維布板材其第2層碳纖維布與第1層碳纖維布粘貼與PP膠粘貼工藝不同，其只利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘貼。待其碳纖維布粘貼完成時(shí)，將試件靜置12 h則試件制備完成，具體如圖8所示。

3 試驗(yàn)方法

將對照組與試驗(yàn)組試件依據(jù)《硬質(zhì)塑料板材耐沖擊性能試驗(yàn)方法》（GB/T 11548─1989），在INSTRON CEAST 9350落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)中分別以4、8、12 J的能量進(jìn)行落錘試驗(yàn)[10-15]。試驗(yàn)所用落錘試驗(yàn)機(jī)如圖9所示。

試件固定方式如圖10所示。

落錘試驗(yàn)機(jī)的沖頭直徑為20 mm的半球型錘頭，撞擊器的總質(zhì)量保持5.5 kg恒定，同時(shí)該系統(tǒng)有防止2次沖擊的抓鉤，能夠?qū)_頭在第1次沖擊反彈后及時(shí)鉤住，以避免沖頭下落對試件造成的2次沖擊。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

本文分別對環(huán)氧樹脂粘貼未打孔試件、環(huán)氧樹脂粘貼打孔試件、PP膠粘貼試件和混合粘貼試件等4種工況的試件分別進(jìn)行了4、8、12 J的落錘試驗(yàn)，并得出在不同工況和不同能量沖擊下的沖擊力-位移曲線，并對其進(jìn)行分析。

4.1 4 J能量下不同粘貼工藝對聚丙烯板材?? 抗沖擊性能的影響

4 J能量沖擊下沖擊力荷載與最大變形位移量，結(jié)果如表5所示;

4 J能量沖擊下沖擊力荷載與最大變形位移效率變化，結(jié)果見表6。

由表5、表6可知，在4 J的能量沖擊下，D-1的最大沖擊荷載為1.275 kN，最大變形位移量為5.24 mm;與K-1試件相比，最大沖擊荷載提高了8.51%，最大變形位移量減少24.17%。S-1試件的最大沖擊荷載為1.563 kN，最大變形位移量為4.33 mm;其雙層碳纖維布能夠更顯著地提高聚丙烯板材的抗沖擊性，最大沖擊荷載提高了33.02%，最大變形位移量減少37.34%。KD-1試件的最大沖擊力荷載為1.324 kN，最大變形位移量為5.30 mm;與KK-1試件相比，最大沖擊荷載提高

了13.36%，最大變形位移量減少了24.39%。KS-1試件的最大沖擊荷載為1.487 kN，最大變形位移量為4.31 mm;與KK-1試件相比，最大沖擊荷載提高了27.32%，最大變形位移量減少38.52%。PD-1試件的最大沖擊荷載為1.346 kN，最大變形位移量為5.81 mm;與K-1試件相比，最大沖擊荷載提高了14.55%，最大變形位移量減少了15.92%。PS-1試件的最大沖擊荷載為1.512 kN，最大變形位移量為5.02 mm;與K-1試件相比，最大沖擊荷載提高了28.68%，最大變形位移量減少27.35%。HD-1試件的最大沖擊荷載為1.470 kN，最大變形位移量為5.23 mm;與K-1試件相比，最大沖擊荷載提高了25.11%，最大變形位移量減少了24.31%。HS-1的最大沖擊荷載為1.747 kN，最大變形位移量為4.36 mm;與K-1試件相比，最大沖擊荷載提高了48.68%，最大變形位移量減少36.90%。

4.2 8 J能量下不同粘貼工藝對聚丙烯板材?? 抗沖擊性能的影響

8 J能量沖擊下沖擊力荷載與最大變形位移量結(jié)果，如表7所示;8 J能量下沖擊力荷載與最大變形位移效率變化，結(jié)果如表8所示。

由表7、表8可知，在8 J的能量沖擊下，D-2試件的最大沖擊荷載為1.857 kN，最大變形位移量為7.16 mm;與K-2試件相比，最大沖擊荷載提高了11.67%，最大變形位移量減少28.11%。S-2試件的最大沖擊荷載為2.008 kN，最大變形位移量為6.68 mm;與K-2試件相比，最大沖擊荷載提高了20.75%，最大變形位移量減少32.93%。KD-2試件的最大沖擊荷載為1.691 kN，最大變形位移量為8.24 mm;與KK-2試件相比，最大沖擊荷載提高了2.73%，最大變形位移量減少了19.45%。KS-2試件的最大沖擊荷載為2.084 kN，最大變形

位移量為5.78 mm;與KK-2試件相比，最大沖擊荷載提高了26.61%，最大變形位移量減少43.50%。PD-2試件的最大沖擊荷載為1.985 kN，最大變形位移量為8.09 mm;與K-2試件相比，最大沖擊荷載提高了19.36%，最大變形位移量減少了18.78%。PS-2試件的最大沖擊荷載為2.108 kN，最大變形位移量為7.16 mm;與K-2試件相比，最大沖擊荷載提高了26.76%，最大變形位移量減少28.11%。HD-2試件的最大沖擊荷載為2.060 kN，最大變形位移量為7.37 mm;與K-2試件相比，最大沖擊荷載提高了23.87%，最大變形位移量減少了26.00%。HS-2試件的最大沖擊荷載為2.501 kN，最大變形位移量為5.96 mm;與K-2試件相比，最大沖擊荷載提高了50.39%，最大變形位移量減少了40.16%。

4.3 12 J能量下不同粘貼工藝對聚丙烯板?? 材抗沖擊性能的影響

12 J能量下沖擊力荷載與最大變形位移量，結(jié)果如表9所示;12 J能量下沖擊力荷載與最大變形位移效率變化，結(jié)果如表10所示。

由表9、表10可知，在12 J的能量沖擊下，D-3試件的最大沖擊荷載為2.168 kN，最大變形位移量為10.14 mm;與K-3試件相比，最大沖擊荷載提高了2.12%，最大變形位移量減少17.83%。S-3試件的最大沖擊荷載為2.553 kN，最大變形位移量為7.74 mm，;與K-3試件相比，最大沖擊荷載提高了20.26%，最大變形位移量減少37.28%。KD-3試件的最大沖擊荷載為2.251 kN，最大變形位移量為9.25 mm;與KK-3試件相比，最大沖擊荷載提高了5.93%，最大位移量減少了25.40%。KS-3試件的最大沖擊荷載為2.870 kN，最大變形位移量為7.62 mm;與KK-3試件相比，最大沖擊荷載提高了35.06%，最大變形位移量減少38.55%。PD-3試件的最大沖擊荷載為2.509 kN，最大變形位移量為8.99 mm;與K-3試件相比，最大沖擊荷載提高了18.18%，最大變形位移量減少了27.15%。PS-3試件的最大沖擊荷載為2.739 kN，最大變形位移量為8.30 mm;與K-3試件相比，最大沖擊荷載提高了29.02%，最大變形位移量減少32.74%。HD-3試件的最大沖擊荷載為2.572 kN，最大變形位移量為8.87 mm;與K-3試件相比，最大沖擊荷載提高了21.15%，最大變形位移量減少了28.12%。HS-3試件的最大沖擊荷載為2.926 kN，最大變形位移量為7.62 mm;與K-3試件相比，最大沖擊荷載提高了37.82%，最大變形位移量減少

了38.25%。

5 結(jié)語

采用了4種粘貼工藝，分別在4、8、12 J的能量沖擊下，進(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同能量的沖擊下，不同的粘貼工藝對復(fù)合板材的最大沖擊荷載和最小變形位移有著不同的影響。

4 J的能量沖擊下，在單層碳纖維布的工況下，其中達(dá)到?jīng)_擊荷載值最大的是混合粘貼工藝，最小的沖擊荷載值為環(huán)氧樹脂粘貼工藝，達(dá)到最小變形位移的是混合粘貼工藝，達(dá)到最大變形位移的是PP膠粘貼工藝。在雙層碳纖維布的工況下，其中達(dá)到?jīng)_擊荷載值最大的是混合粘貼工藝，最小的沖擊荷載值為環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝，達(dá)到最小變形位移的是環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝，達(dá)到最大變形位移的是PP膠粘貼工藝。

8 J的能量沖擊下，在單層碳纖維布的工況下，其中達(dá)到?jīng)_擊荷載值最大的是混合粘貼工藝，最小的沖擊荷載值為環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝，達(dá)到最小變形位移的是環(huán)氧樹脂粘貼工藝，達(dá)到最大變形位移的是環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝。在雙層碳纖維布的工況下，其中達(dá)到?jīng)_擊荷載值最大的是混合粘貼工藝，最小的沖擊荷載值為環(huán)氧樹脂粘貼工藝，達(dá)到最小變形位移的是環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝，達(dá)到最大變形位移的是PP膠粘貼工藝。

12 J的能量沖擊下，在單層碳纖維布的工況下，其中達(dá)到?jīng)_擊荷載值最大的是混合粘貼工藝，最小的沖擊荷載值為環(huán)氧樹脂粘貼工藝，達(dá)到最小變形位移的是混合粘貼工藝，達(dá)到最大變形位移的是環(huán)氧樹脂粘貼工藝。在雙層碳纖維布的工況下，其中達(dá)到?jīng)_擊荷載值最大的是混合粘貼工藝，最小的沖擊荷載值為環(huán)氧樹脂粘貼工藝，達(dá)到最小變形位移的是環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝與混合粘貼工藝，達(dá)到最大變形位移的是PP膠粘貼工藝。

綜上所述，混合粘貼工藝對碳纖維布增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合板材力學(xué)性能的提高效果最好，同時(shí)由沖擊后復(fù)合板材與碳纖維布的脫粘情況可知，混合粘貼工藝在不同能量沖擊下板材與碳纖維布均未出現(xiàn)的脫粘的現(xiàn)象，而環(huán)氧樹脂粘貼工藝與環(huán)氧樹脂粘貼打孔工藝在不同能量下均出現(xiàn)不同程度的脫粘現(xiàn)象，則表明混合粘貼工藝是較佳的粘貼工藝方式，其粘貼工藝下的復(fù)合板材可以進(jìn)行二次沖擊。

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