顏鑫 王習(xí)文

摘要：本課題提出了一種基于濕法造紙工藝的碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）的制備方法，實驗探究了碳纖維模量、長度、含量和模壓工藝對CFRTP力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，利用濕法造紙工藝制備CFRTP是可行的，碳纖維含量是影響CFRTP力學(xué)性能和空隙率的主要因素；當(dāng)碳纖維含量為30%時，制備的CFRTP性能最好，其拉伸強(qiáng)度為110.07 MPa，彎曲強(qiáng)度為208.59 MPa，缺口沖擊韌性42.89 kJ/m2，材料空隙率最低。該方法具有工藝簡單、成本低、利于碳纖維回收等特點。

關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；造紙工藝；影響因素

中圖分類號：TS75；TS722

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.08.002

碳纖維增強(qiáng)樹脂材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic， CFRP）是一類高性能復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、易于設(shè)計等性能[1-2]，廣泛應(yīng)用在航空航天、體育器材、壓力容器、建筑材料、汽車制造、模具制造、風(fēng)電葉片等領(lǐng)域。隨著電動汽車的蓬勃發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)樹脂材料作為一種重要的汽車輕量化手段受到了特別的關(guān)注。

碳纖維增強(qiáng)樹脂材料的基體可以是熱塑性的也可以是熱固性的，其中碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic， CFRTP）具有較短的成型周期，適用于大規(guī)模生產(chǎn)[3]。

在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝中，浸漬是重要的一步。在浸漬工藝中，纖維與基材結(jié)合并融合成新材料。CFRTP的主要浸漬方法有：熔融法、溶液法、粉末法、粉末膠衣法、纖維摻雜法、膜浸法、拉擠法、聚合物法、懸浮法等[4]。

由于碳纖維原料價格高昂，CFRP加工工藝復(fù)雜，其僅僅應(yīng)用在高檔汽車、F1賽車等，并未大規(guī)模應(yīng)用。隨著日本東麗、東邦公司等不斷生產(chǎn)出強(qiáng)度更高、價格更低的碳纖維，研究人員更多地將精力放在縮短CFRP的生產(chǎn)周期、簡化生產(chǎn)工藝的研究上，以期降低CFRP的價格。

CFRP的濕法制備工藝是一種基于濕法造紙工藝的方法，主要包括：碳纖維和樹脂纖維在介質(zhì)中均勻分散→漿料→濾水→干燥→混合纖維手抄片；取多張手抄片放入模具中，經(jīng)模壓成型得到成品。傳統(tǒng)制備碳纖維復(fù)合材料包括以下幾個步驟：①碳纖維制成碳纖維織布；②碳纖維織布與樹脂浸漬制成預(yù)制品；③預(yù)制品模壓得到成型制品。與傳統(tǒng)工藝對比可知，濕法工藝可以節(jié)省一步工序，成本降低。

Bigg D M[6] 、Hiscock D F[7]、Caba A C[8]、

Kimura T[9]等人利用抄紙技術(shù)制備非連續(xù)長玻璃纖維或CFRTP；國內(nèi)對于濕法制備碳纖維紙的研究較多[10-12]，濕法制備CFRP的研究很少[13]。

本課題初步探討了基于濕法造紙工藝制備CFRTP的工藝條件和影響因素，驗證了該制備方法的可行性，并制備了具有一定形狀的CFRTP器件。

1實驗

1.1實驗材料和設(shè)備

本實驗所使用的主要實驗原料為聚丙烯（PP）纖維和碳纖維。其中碳纖維的長度有3 mm、4 mm 和6 mm，級別有T400、T700、T800，如表1所示。表2列出了各級別碳纖維的部分物理性能。表3列出了實驗所用的設(shè)備情況。

1.2制備工藝路線

首先利用漿料疏解器，將碳纖維和聚丙烯纖維均勻分散在水中制成漿料；采用手動抄片機(jī)抄造手抄片；經(jīng)壓榨、干燥后，取出手抄片放入模具中，經(jīng)過預(yù)熱、保溫保壓、冷卻后得到成型板材CFRTP。工藝路線如圖1所示。

1.3模壓工藝

將碳纖維和聚丙烯纖維混合、抄成定量為400 g/m2的手抄片，手抄片經(jīng)壓榨、干燥后放入模具中預(yù)熱。

模壓成型的主要影響因素有溫度、壓力和時間。本實驗所用聚丙烯纖維的熔點為175℃，根據(jù)樹脂加工溫度一般高于其熔點20～30℃的經(jīng)驗，選定模壓溫度為205℃。表4列出了模壓工藝參數(shù)。

1.4性能測試

1.4.1空隙率

采用美國ASTM制定的ASTM D2734—3688《纖維增強(qiáng)塑料空隙率的標(biāo)準(zhǔn)測算方法》來測算CFRTP的空隙率。首先根據(jù)聚丙烯纖維的密度和碳纖維的密度計算出CFRTP的理論密度，計算公式見式（1）。

烯纖維在CFRTP中的含量，%；D為聚丙烯纖維密度，g/cm3；r為碳纖維在CFRTP中的含量，%；d為碳纖維密度，g/cm3。

然后再測出CFRTP的實際密度，依據(jù)計算公式（2）計算CFRTP的空隙率。

1.4.2力學(xué)性能

（1）測試方法

分別依據(jù)GB/T 1040.2—2006《塑料拉伸性能的測試方法》、GB/T 9341—2008《塑料彎曲性能的測試方法》、GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊韌性的測試方法》測試材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊韌性。

（2）試樣制備

依據(jù)GB/T 1040.2—2006制備拉伸試樣；依據(jù)GB/T 9341—2008制備彎曲試樣；依據(jù)GB/T 1843—2008制備缺口沖擊韌性試樣，方法為：

將板材切割成長80 mm、寬12.7 mm的長條，再用銑床銑出缺口；拉伸與彎曲的試樣均為10 mm寬度的長條。實際測試過程中，沖擊韌性試樣的厚度和除去缺口部分的寬度、拉伸和彎曲試樣的厚度，均為實測。

1.5濕法制備的影響因素

設(shè)計碳纖維級別、碳纖維含量、模壓壓力這3個因素對于CFRTP空隙率和力學(xué)性能的三因素三水平實驗，并進(jìn)一步設(shè)計關(guān)于碳纖維長度對于CFRTP性能影響的水平實驗，探討濕法造紙工藝制備CFRTP性能的影響因素。

2結(jié)果與討論

2.1手抄片成形中的纖維分散

在制備纖維懸浮液時，利用漿料疏解機(jī)將兩種纖維分開疏解，聚丙烯纖維的疏解漿濃約為 0.1%，碳纖維的疏解漿濃為0.02%。

分散后的兩種纖維在手動抄片機(jī)中混合。因碳纖維的密度約為1.8 g/cm3，而聚丙烯纖維的密度為0.9 g/cm3，二者相差較大，兩種纖維混合后，會出現(xiàn)碳纖維下沉而聚丙烯纖維上浮的現(xiàn)象。因此在漿料上網(wǎng)時，先加入聚丙烯纖維漿料，后加入碳纖維漿料，并且在混合漿料中加入0.002%的聚丙烯酰胺（PAM）和PEO作為分散劑。

將一定量的碳纖維和PAM分散在水中制成懸浮液，通過靜置觀察法，來觀測碳纖維懸浮液的穩(wěn)定性。如圖2（a）所示，碳纖維在懸浮液中均勻分散，并具有一定的穩(wěn)定性，靜置2 min后才出現(xiàn)明顯的沉積。

手抄片制備完成后，取少量樣品置于正置顯微鏡下觀察碳纖維在紙張中的分散情況，得到圖2（b）。圖2（b）中的黑色纖維即為碳纖維，可以看到碳纖維在手抄片中的分散較為均勻。

2.2濕法制備CFRTP的可行性分析

通過以上工藝，制備出了含10% T800級別碳纖維的CFRTP，如圖3所示。從圖3可以看出，制備的CFRTP表面光潔，具有良好的形貌。

對所制備的CFRTP進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，碳纖維的增強(qiáng)效果不理想，因此有必要進(jìn)一步討論CFRTP力學(xué)性能的影響因素。

2.3濕法制備CFRTP的影響因素

2.3.1正交實驗

碳纖維級別、碳纖維含量、模壓壓力的正交實驗設(shè)計如表6所示。由表6得到正交實驗方案如表7所示。

按照實驗方案制備出的CFRTP，經(jīng)過性能測試后，得到CFRTP的空隙率、厚度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊韌性，實驗結(jié)果如表8所示。極差分析如表9所示。

從表9可以看出，制備的CFRTP的空隙率、拉伸強(qiáng)度和彎曲性能的最優(yōu)條件是一致的，均為A3B1C1，即T800碳纖維、碳纖維含量30%、模壓壓力5 MPa。

結(jié)合表8中的數(shù)據(jù)，做出所制備的CFRTP的空隙率、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、缺口沖擊韌性和厚度隨碳纖維含量的變化曲線，見圖4。

（1）對空隙率的影響

碳纖維含量分別為10%、30%、50%和70%時，CFRTP空隙率分別為20.45%、6.30%、7.83%和10.30%。如圖4（a）所示，CFRTP空隙率隨著碳纖維含量的增加而降低，在碳纖維含量30%時達(dá)到最低值，隨后隨著碳纖維含量的增加而增加。這是因為在碳纖維含量較低時，聚丙烯纖維極易被過量擠出，造成內(nèi)部缺陷；隨著碳纖維含量的增加，聚丙烯纖維的流動性降低，聚丙烯纖維在溫度和壓力的作用下能夠順利充滿整個模具，而又不會被過分?jǐn)D出。

（2）對強(qiáng)度的影響

由表9可知，碳纖維含量對于CFRTP拉伸強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳纖維級別和模壓壓力對于拉伸性能的影響。

圖4（b）為碳纖維含量對于CFRTP拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響。隨著碳纖維含量從10%升至30%，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度也快速大幅度上升；當(dāng)碳纖維含量超過30%，增加至50%和70%時，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度開始以較為緩慢地下降，這與碳纖維含量對CFRTP空隙率的影響是相對應(yīng)的。因此可以認(rèn)為，碳纖維含量通過影響CFRTP空隙率，進(jìn)而對其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度產(chǎn)生了影響。

通常情況下，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)生破壞時，先是聚丙烯纖維基體的破壞，然后是纖維拔出和纖維斷裂。因此在本實驗條件下，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊韌性應(yīng)該具有相同的變化趨勢，即碳纖維含量是該指標(biāo)的最主要影響因素，且缺口沖擊韌性隨著碳纖維含量的上升是先上升后下降。

2.3.2碳纖維長度對CFRTP力學(xué)性能的影響

為了探究碳纖維長度對CFRTP力學(xué)性能的影響，設(shè)計了10號、11號實驗，與2.3.1部分的7號實驗組成水平實驗，來探究碳纖維長度對CFRTP性能的影響，實驗方案如表10所示。

CFRTP制備完成后，測算了其空隙率、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊韌性，結(jié)果如表11所示。

由表11可知，在碳纖維含量固定的情況下，CFRTP的空隙率很接近，這說明碳纖維長度并沒有對空隙率產(chǎn)生影響。從表11還可以看到，隨著碳纖維長度的增加，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都在增加。這是因為當(dāng)碳纖維長度增加時，碳纖維在聚丙烯纖維中的包埋長度也增加，纖維拔出需要更多的能量，因此彎曲性能和拉伸強(qiáng)度都得到了提高。

在本研究的實驗條件下，影響CFRTP性能的最顯著因素是碳纖維含量。碳纖維含量影響了預(yù)制品熔融后的流動性，進(jìn)而影響了CFRTP的空隙率，最終影響了CFRTP的力學(xué)性能。同時，這種基于濕法造紙工藝的CFRTP制備新方法，容易實現(xiàn)器件的加工。

3結(jié)論

本研究利用濕法造紙工藝成功制備了碳纖維增強(qiáng)熱塑樹脂材料（CFRTP）。研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維含量是影響CFRTP空隙率和力學(xué)性能的主要因素。當(dāng)碳纖維含量在30%時，CFRTP的性能最好，空隙率最低，拉伸強(qiáng)度110.07 MPa，彎曲強(qiáng)度208.59 MPa，缺口沖擊韌性42.89 kJ/m2。該方法具有工藝簡便、成本低、利于碳纖維回收等特點。

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（責(zé)任編輯：常青）