芦苇/碳纤维补强PP/EVA复合材料性能研究

夏 英，张馨月，张锋锋，任庆龙，李智佳

（大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034）

聚丙烯（PP）是一种通用塑料，具有密度小、来源丰富、价格低廉、化学稳定性好、性价比高及易于回收利用和加工成型等优点，但同时存在低温韧性差、不耐老化、对缺口敏感、尺寸收缩率大和抗冲击性能差等缺点[1]，因此在工程塑料和结构材料方面的应用受到限制。为了提高PP的韧性，通常将PP与橡胶类弹性体混合，如氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙丙橡胶、乙烯-辛烯共聚物和三元乙丙橡胶等[2-6]。混合并用虽然在一定程度上提高了PP的韧性，但不可避免地会降低其模量和强度。

近年来，天然纤维补强热塑性复合材料越来越受到人们的重视[7]。芦苇纤维是天然植物纤维，不仅价格便宜、生长周期短、来源广泛，而且是一种生物可降解性的材料，因此有望成为未来补强复合材料的一种新型材料[8-9]。

碳纤维是同时具有纤维柔软可加工性和碳材料强抗拉力的无机纤维。碳纤维补强复合材料主要是以碳纤维作为补强体相、树脂作为基体相成型的复合材料，碳纤维及其复合材料是国家重点投资和开发的潜在材料。碳纤维由于具有高强轻质的特殊性能，在一些重大基础工程、高端装备和采油等领域的应用需求不断扩大[10-12]。目前，碳纤维及其复合材料已经成为我国新材料行业的领军产品[13-14]。而有关芦苇纤维和碳纤维复配补强PP/乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVA）复合材料的研究尚未见报道。

本工作将碳纤维（C）、芦苇（L）与PP/EVA进行熔融共混，制备L/C/PP/EVA复合材料，并研究L/C复配比例对复合材料性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

EVA-18，VA质量分数为0.18，东莞市鸿君塑胶原料有限公司产品；PP，牌号J340，盘锦华锦乙烯有限责任公司产品；短切3 mm芦苇，海宁安捷复合材料有限责任公司产品；浓硫酸，天津市瑞金特化学品有限公司产品；无水乙醇（优级纯），天津市光复科技发展有限公司产品；氢氧化钠（分析纯）和甲酸（分析纯），天津科密欧化学试剂有限公司产品；硅烷偶联剂KH550，南京道宁化工有限公司产品。

1.2 主要设备与仪器

SK-160B型两辊开炼机，160 mm×320 mm，上海思南橡胶机械有限公司产品；QLB-50D/Q型平板硫化机，无锡市中凯橡塑机械有限公司产品；HY-W型万能制样机，河北省承德试验机厂产品；202-00A型电热干燥箱和FW100型高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司产品；XRZ-400型熔融指数仪，吉林大学仪器厂产品；Zeiss Mikroskop Axiopla型偏光显微镜（POM），德国蔡司光学仪器有限公司产品；RGT-5型微机控制电子万能试验机和RXJ-50型液晶显示冲击试验机，深圳市瑞格尔仪器有限公司产品；JSM-6460LV型扫描电镜（SEM），日本电子公司产品。

1.3 试样制备

1.3.1 芦苇纤维碱处理

配制一定质量浓度的氢氧化钠溶液，按照每10 mL溶液2 g的比例加入芦苇纤维，在一定温度下处理一定时间之后抽滤。首先用甲酸溶液（质量分数为0.03）洗除残留氢氧化钠，然后用去离子水洗涤3次，并在100 ℃的鼓风干燥箱中干燥8 h备用，得到碱处理芦苇记，为AL。

1.3.2 硫酸/硅烷偶联剂联合处理碳纤维

用去离子水将浓硫酸稀释成浓度为1 mol·L-1的硫酸溶液，按照每10 mL溶液5 g的比例加入碳纤维，在80 ℃下反应2 h。

用去离子水配制质量分数为0.25的乙醇溶液，称取一定量的硅烷偶联剂KH550配制成质量分数为0.007 5的乙醇水溶液。称取一定量干燥后的碳纤维，按照每10 mL溶液5 g的比例加入到配好的硅烷偶联剂KH550乙醇水溶液中，在80 ℃下反应2 h，得到的处理后碳纤维记为SSiC。

1.3.3 复合材料

将经处理的干燥芦苇纤维和碳纤维与PP和EVA于（180±2）℃两辊开炼机上混炼8 min，混炼均匀后下片，在（180±3）℃/15 MPa×5 min条件下硫化，热压过程中进行3次排气处理，再在15 MPa下冷压20 min得到试样，放置24 h后裁样。

1.4 性能测试

悬臂梁缺口冲击强度按GB/T 1943—2009《木材横纹抗压弹性模量测定方法》测试；弯曲强度按GB/T 9341—2008《塑料 弯曲性能的测定》测试，弯曲速率为2 mm·min-1；拉伸强度按GB/T 6344—2008《软质泡沫聚合材料 拉伸强度和断裂伸长率的测定》测试，拉伸速率为50 mm·min-1；将样品置于载玻片上，然后在加热台上熔融并压成薄片，在偏光显微镜下记录结晶形态；加工流动性能按照GB/T 3682—2008《热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定》测试，温度为230 ℃，负载为2.16 kg；SEM测试按照GB/T 16594—2008《微米级长度的扫描电镜测量方法通则》进行，试样经过液氮冷冻脆断，断口表面进行喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 L/C复配比例对复合材料力学性能的影响

L/C复配比例对PP/EVA复合材料力学性能的影响见表1。

由表1可见：当L/C复配比例由1∶1～1∶5变化时，随着碳纤维比例的增大，复合材料的拉伸强度和弯曲强度呈增大趋势，当L/C复配比例为1∶5时，均为最大值，而冲击强度呈先增大后减小再增大的趋势；当L/C复配比例由2∶1～5∶1变化时，随着芦苇纤维比例的增大，复合材料的拉伸强度和弯曲强度呈减小趋势。综合考虑复合材料的力学性能，选择L/C的复配比例为1∶5。

表1 L/C复配比例对PP/EVA复合材料力学性能的影响

2.2 纤维对PP/EVA复合材料力学性能的影响

纤维对PP/EVA复合材料力学性能的影响见表2。

由表2可见：芦苇/碳纤维复配对PP/EVA复合材料的韧性有明显的增强作用，改性芦苇和改性碳纤维补强效果更好；AL/SSiC/PP/EVA复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别比L/C/PP/EVA复合材料提高了1.44 MPa，4.76 MPa和0.8 kJ·m-2。这主要是由于经过改性的芦苇纤维和碳纤维表面羟基减少、极性降低，增强了与基体的相容性，有利于与基体产生界面粘合，从而使复合材料的力学性能得到改善。

表2 纤维对PP/EVA复合材料力学性能的影响

2.3 纤维对复合材料加工性能的影响

纤维对PP/EVA复合材料加工性能的影响见表3。

表3 纤维对PP/EVA复合材料加工性能的影响

由表3可见：与PP/EVA复合材料相比，纤维补强PP/EVA复合材料的加工流动性均有所降低；AL/SSiC/PP/EVA复合材料的熔体流动速率比PP/EVA和L/C/PP/EVA复合材料分别下降了0.121和0.073 g·min-1。这主要是由于未改性的芦苇和碳纤维表面极性较强，不易与基体发生缠结，相容性较差，纤维取向起主导作用；而改性纤维与基体的相容性变好，但是改性纤维在树脂中的破坏树脂连续性作用大于取向作用，因此熔体流动速率有所降低。

2.4 复合材料的POM分析

复合材料的POM照片见图1。

从图1可以看出：L/C/PP/EVA复合材料中出现了许多大而亮的区域，这些区域中的球晶尺寸较大、边界不规则，分布明显不均，同时未改性纤维出现部分团聚现象，即在基体中分散不均匀；AL/SSiC/PP/EVA复合材料中球晶的分布变得较均匀，结晶区域内没有大而亮的区域出现，球晶细化且尺寸变得均匀，这有利于提高复合材料的力学性能。

图1 复合材料的POM照片（放大200倍）

2.5 复合材料的SEM分析

复合材料的SEM照片见图2。

图2 复合材料的SEM照片（放大2 000倍）

由图2可以看出：L/C/PP/EVA复合材料中可观察到团聚成束状的芦苇纤维，纤维表面有竖条纹的碳纤维，当复合材料受到外力作用时，光滑的碳纤维从基体中剥离后形成长沟槽，碳纤维容易从基体中被大量抽离，与基体相容性较差，同时能看到部分芦苇纤维团聚在基体中，说明与基体的相容性较差；经表面改性后的纤维从基体中拔出的长度变小，且未出现剥离沟槽结构，说明改性纤维与基体的相容性得到提高，从而增大了与基体之间的界面粘合力，使复合材料的力学性能明显提高。

3 结论

（1）L/C复配对PP/EVA复合材料有补强作用，当L/C复配比例为1∶5时，PP/EVA复合材料的综合力学性能较佳。

（2）与L/C/PP/EVA复合材料相比，改性芦苇和碳纤维复配对PP/EVA复合材料的补强效果更为明显，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了1.44 MPa，4.76 MPa和0.8 kJ·m-2。

（3）AL/SSiC/PP/EVA复合材料的熔体流动速率比PP/EVA和L/C/PP/EVA复合材料分别下降了0.121和0.073 g·min-1，纤维补强后复合材料的加工流动性有所下降。