碳纤维增强聚丙烯复合材料的制备及性能研究

论文摘要

碳纤维是一类含碳量超过92%的非石墨形态的纤维的总称,其作为轻质高强的理想增强体,常用于以树脂、金属、陶瓷、水泥等为基体的复合体系中。本文以热塑性聚丙烯树脂作为基体材料,用碳纤维及空心微珠对其进行共混改性,比较了添加空心微珠和添加马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）对复合材料体系性能的影响,最终获得了在较少碳纤维添加的情况下同时增强增韧的碳纤维/空心微珠/聚丙烯三元共混体系。首先,通过共混短切碳纤维对聚丙烯进行增强改性,分别用热压成型和注射成型工艺制备合格的试样用以进行相关的测试,研究了温度对热压成型的影响以及碳纤维在基体中的分布,并对热压成型和注射成型样条进行了比较分析。其次,分析了碳纤维、相容剂等组分的添加量对碳纤维/聚丙烯复合材料（CF/PP）性能的影响情况。碳纤维含量从0到15份递增时,复合材料的最大转矩、平衡转矩、拉伸强度和软化点温度也逐渐增大,而缺口冲击强度的变化则是先有小幅度提升,而后慢慢降低。马来酸酐接枝聚丙烯对于CF/PP复合体系的界面结合有促进作用,添加PP-g-MAH后,基体能较好的包覆在碳纤维四周,使其与基体剥离的几率大幅降低。当PP-g-MAH添加量为15份时,复合材料界面层间剪切强度ts和缺口冲击强度分别为34.5Mpa和11.3KJ/m2,较未添加PP-g-MAH处理的CF/PP复合体系分别提高了60.5%和25.6%。第三,在未处理的碳纤维/聚丙烯复合体系中引入第三相空心微珠,并对其含量对体系宏观性能及微观结构的影响进行了分析。随着空心微珠添加量的增多,复合体系的拉伸强度先增大后降低,当空心微珠添加量为15份时,拉伸强度达到最大为37.2Mpa,较纯PP提高了46.5%；而缺口冲击强度随着空心微珠添加量增加而增大,但增大趋势逐渐减缓,当添加量为20份时,缺口冲击强度达到最大值为12.0KJ/m2,较纯PP提高了30.4%。通过电子扫描电镜（SEM）对比观察发现在各试样中均有空心微珠被破坏,同时随着空心微珠添加量的增多,碳纤维被拔出形成的孔洞有所减少,空心微珠受冲击剥落的痕迹有所增加。笔者认为由于空心微珠的引入,在冲击过程中主要的承受载体由碳纤维变成了空心微珠,从而实现了复合体系的增韧,而且在相同添加量下,相对于添加PP-g-MAH,添加空心微珠对体系力学性能的影响更为显著,成本也明显降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚丙烯
• 1.1.1 聚丙烯的结构与性能
• 1.1.2 聚丙烯的增韧改性研究
• 1.1.3 聚丙烯的增强改性研究
• 1.2 碳纤维
• 1.2.1 碳纤维的结构与性能
• 1.2.2 碳纤维的发展及应用
• 1.3 碳纤维增强树脂基复合材料
• 1.3.1 碳纤维增强树脂基复合材料发展现状
• 1.3.2 碳纤维增强树脂基复合材料界面及界面优化
• 1.3.3 碳纤维增强树脂基复合材料力学性能研究
• 1.3.4 碳纤维增强树脂基复合材料结晶性能研究
• 1.3.5 碳纤维增强树脂基复合材料其它性能研究
• 1.4 本课题的研究内容及实验方案
• 第二章 试验设计及研究方法
• 2.1 主要原料
• 2.2 主要仪器与设备
• 2.3 试验制备工艺
• 2.3.1 混炼工艺
• 2.3.2 成型工艺
• 2.4 试验研究方法
• 2.4.1 密度测试
• 2.4.2 力学性能测试
• 2.4.3 流变性能测试
• 2.4.4 维卡软化点测试
• 2.4.5 界面性能表征
• 第三章 工艺条件对CF/PP复合材料性能的影响
• 3.1 试样制备
• 3.2 工艺条件对填充材料分散状况的影响
• 3.2.1 工艺条件对填充材料分散均匀性的影响
• 3.2.2 工艺条件对填充材料取向的影响
• 3.3 成型工艺对复合材料力学性能的影响
• 3.3.1 模压成型温度对复合材料力学性能的影响
• 3.3.2 不同成型工艺对复合材料力学性能的比较
• 3.4 小结
• 第四章 碳纤维对CF/PP复合材料性能的影响
• 4.1 试样制备
• 4.2 碳纤维含量对复合材料加工性能的影响
• 4.3 碳纤维含量对复合材料密度的影响
• 4.4 碳纤维含量对复合材料耐热性能的影响
• 4.5 碳纤维含量对复合材料力学性能的影响
• 4.6 碳纤维长径比对复合材料力学性能的影响
• 4.7 小结
• 第五章 马来酸酐接枝聚丙烯对CF/PP复合材料性能的影响
• 5.1 试样制备
• 5.2 PP-g-MAH对复合材料界面层间剪切强度的影响
• 5.3 PP-g-MAH对复合材料力学性能的影响
• 5.4 PP-g-MAH对复合材料界面微观形貌的影响
• 5.5 小结
• 第六章 碳纤维/空心微珠/聚丙烯三元复合材料的制备
• 6.1 试样制备
• 6.2 三元共混复合体系流变性能的研究
• 6.3 三元共混复合体系力学性能的研究
• 6.4 三元共混复合体系微观形貌的研究
• 6.5 小结
• 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果