熱塑性碳纖維復合材料可能是未來20年內(nèi)復合材料技術研究的重要方向,憑借高斷裂韌性、快速加工成型、可重塑加工和可回收重塑等優(yōu)勢,可能將碳纖維及相關產(chǎn)業(yè)推向更高效和更環(huán)保的高度。智上新材結合國外專業(yè)論文,以熱塑性碳纖維聚丙烯(CF/PP)復合材料為主,介紹在碳纖維表面涂覆處理劑,和使用馬來化處理的聚丙烯樹脂,通過特殊編織工藝,再經(jīng)過壓縮成型后,測試其界面性能的變化,以及樹脂浸潤碳纖維的效果變化。
  
 
  不同類型處理劑的CF和馬來化PP,制備對應CF/PP并測試性能
  
  1、基礎材料:增強體方面選擇表面涂覆不同類型和用量的處理劑的碳纖維,樹脂選擇聚丙烯(PP)纖維和馬來化處理的聚丙烯(MAPP)。
  
 
  2、微滴測試:采用微滴測試的方式評估CF/PP復合材料的界面剪切強度,界面剪切強度(τ)通過公式1計算: τ = F / πdl 。其中,F(xiàn)為最大載荷,πd為纖維周長,l 為嵌入纖維長度。通過顯微鏡圖像表征纖維周長和嵌入長度的值。
  
 
  3、CF/PP浸潤測算:通過特殊編織技術,將表面有處理劑的碳纖維和聚丙烯(PP)纖維編織起來,形成微編織紗(MBY),將CF/PP MBY中的體積分數(shù)(Vf)調(diào)整為40%左右,利用設備制備成單向熱塑性碳纖維CF/PP復合材料,然后沿垂直纖維方向切割,通過光學顯微鏡觀察復合材料的橫截面,并利用軟件計算未浸潤的比例。
  
  CF表面處理劑和馬來化PP對界面性能和浸潤的影響結果
  
 
  1、界面剪切強度和表面處理劑:測試發(fā)現(xiàn),界面剪切強度會隨著碳纖維表面處理劑含量的增加而逐步下降,這是因為表面處理劑抑制了CF和PP之間的界面粘結能力。
  
 
  2、界面剪切強度與PP/MAPP:測試中對比了CF/PP、CF/MAPP和CF/PA這3種熱塑性碳纖維,3種熱塑性碳纖維的界面剪切強度都隨著表面處理劑的增加而下降,界面剪切強度數(shù)據(jù)上從弱到強依次為:CF/PP、CF/MAPP和CF/PA。
  
 
  3、浸潤效果與處理劑含量/成型時間:上圖中所示,透明圓圈環(huán)狀為樹脂浸潤碳纖維部分,圓圈中黑色區(qū)域為未浸潤部分。表面處理劑含量1.1%,成型時間5分鐘,觀察到未浸潤部分,隨著成型時間逐步提升至40分鐘,未浸潤部分仍然存在,說明浸潤不徹底。表面處理劑含量0.2%,成型時間5分鐘,觀察到未浸潤部分,隨著成型時間逐步提升至10分鐘,黑色部分消失,說明充分浸潤了碳纖維。浸潤效果隨著表面處理劑含量降低而提升,隨著成型時間增加而提升。
  
 
  4、CF/PP和CF/MAPP浸入效果:上圖中展示了CF/PP和CF/MAPP在不同成型時間下的橫截面,CF/MAPP觀察到比CF/PP更大的未浸漬區(qū)域,說明前者的浸潤效果更差,但對應的界面剪切強度也更高。
  
 
  5、接觸角和潤濕能力:上圖中展示了CF/PP和CF/MAPP的接觸角,CF/MAPP的接觸角高于CF/PP的接觸角,表明使用馬來化聚丙烯的潤濕能力較差,對應的浸潤效果也較差。
  
 
  在對熱塑性CF/PP復合材料的研究中發(fā)現(xiàn),碳纖維表面處理劑含量越低,界面剪切強度越高,樹脂浸潤效果越好;而馬來化聚丙烯樹脂會提升界面剪切強度,但會降低樹脂浸潤效果。通過實驗數(shù)據(jù),智上新材發(fā)現(xiàn)不管是對碳纖維進行表面處理,還是對樹脂進行化學處理,都需要適度,否則只會制備出性能更差的熱塑性碳纖維復合材料。