磨碎碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的性能研究

1、磨碎碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的性能研究牛牧童,吳偉端,陳名名(華僑大學材料科學與工程學院,福建泉州362011摘要:利用兩種不同的磨碎碳纖維粉體(CFP 填充環(huán)氧樹脂(EP ,通過熔融共混制備了EP/CFP 復合材料。研究了CFP 含量、長度與復合材料導電性能、力學性能和熱穩(wěn)定性能的關系,并考察了材料斷口形貌。研究表明:P -100型CFP 填充的質量分數(shù)為25%時,EP/CFP 材料的體積電阻率為1134×106cm ;拉伸強度、拉伸彈性模量、沖擊強度和彎曲強度較EP 分別提高了124%、186%、9817%和6617%,同時材料的熱穩(wěn)定性也略有提高。關鍵詞:磨碎碳纖維;環(huán)氧樹脂

2、;導電性能;力學性能中圖分類號:T Q327文獻標識碼:A 文章編號:1005-5770(200608-0054-03Study of Property of Epoxy R esin R einforced by C arbon Fiber PowderNI U Mu 2tong ,W U Wei 2duan ,CHE N Ming 2ming(C ollege of Material Sci 1&Eng 1,Huaqiao University ,Quanzhou 362011,China Abatract :E poxy resin (EP /carbon fiber powde

3、r (CFP com posites were prepared by melt blending EP with tw o types of CFP 1The relationship of the electrical ,mechanical and thermal properties of the EP/CFP com posites ,as well as the fracture surfaces of the com posite ,was studied 1The result showed that when the mass percentaage of P 2100CFP

4、 was 25%,the v olume resistivity of the com posite was 1134×106?cm ,while the tensile strength ,tensile elastic m odulus ,im pact strength and bending strength increased by 124%,186%,9817%and 6617%re 2spectively ,and the thermal properties of the com posite were als o im proved slightly ,com pa

5、red to pristine EP 1K eyw ords :Carbon Fiber P owder ;E poxy Resin ;E lectrical C onductivity ;Mechanical Properties 磨碎碳纖維(CFP 是將連續(xù)碳纖維經高溫脫膠、短切、研磨成設定長度的圓柱形微粒,它保留了碳纖維的眾多優(yōu)良性能,而且形狀細小,表面純凈,比表面積大,易于被樹脂潤濕均勻分散,是性能優(yōu)良的復合材料填料1。本文采用熔融共混法,將兩種不同長度的CFP 與環(huán)氧樹脂(EP 復合,制備了電阻率明顯降低,綜合力學性能顯著提高的EP/CFP 導電復合材料。1實驗部分111主要原料與設

6、備EP :E 244型,江西宜春市瑞達化工廠;CFP :P 2100型,瀝青基,中值長度75150m ,直徑710m ;P 2400型,瀝青基,中值長度為250500m ,直徑710m ,鞍山賽諾達碳纖維有限公司;固化劑:聚酰胺651,江西贛西化工廠。萬能拉力機:C MT 6104型,深圳新三思材料檢驗公司;擺錘式沖擊試驗機:Z BC 型,深圳新三思材料檢驗公司;高阻計:Z C 236型,上海精密科學儀器有限公司;電子掃描顯微鏡:S3500N 型,美國BR UK ER 公司;DSC 2TG A :S DT 2960S imultaneous 型,美國T A 公司。112CFP/EP 材料制備稱

7、取一定量的EP ,水浴預加熱至80,加入不同質量分數(shù)的P 2100型或P 2400型CFP ,攪拌3h ,攪拌速度為1000r/min ,冷卻至室溫,加入約50%EP 質量的固化劑聚酰胺561,緩慢攪勻,澆鑄于自制模具中成型。室溫固化12h 后,于110再固化3h ,即制得CFP/EP 樣品,打磨成標準試樣。113材料性能檢測電性能檢測:對體積電阻R v >1×107的樣片用高阻計按G B/T 14101989進行測試;對體積電阻R v 1×107的樣片用數(shù)字萬用表在標準電極上按照G B/T 14101989測試。力學性能檢測:拉伸試驗按G B/T 10401992測

8、試,彎曲試驗按G B/T 10421992測試,沖擊試驗按G B/T 10431992測試,無缺口試樣。斷面形貌:用SE M 觀察試樣的拉伸斷口的形貌45塑料工業(yè)CHI NA P LASTICS I NDUSTRY 第34卷第8期2006年8月作者簡介:牛牧童,男,24歲,碩士生,從事無機-有機復合材料的研究。w wduan hqu 1edu 1cn 并拍照。熱穩(wěn)定性測試(TG :將被測熱樣品在高純氮氣保護下從室溫加到700,升溫速度為20/min 。2結果與討論211CFP 用量和長度對EP /CFP 復合材料體積電阻 率的影響圖1CFP 用量和長度對EP /CFP 體積電阻率的影響Fig

9、1E ffect of CFP content and length on v olume resistivityof EP/CFP com posite圖1為CFP 含量和長度對EP /CFP 體積電阻率的影響。由圖1可知,EP 固化樣的體積電阻率V 約為1015cm 。當P 2100CFP 的質量分數(shù)為5%10%時,EP/CFP 復合材料的V 高于1013cm ,屬絕緣體。當P 2100CFP 的質量分數(shù)增至15%時,體系V 急劇下降至7161×106cm ,出現(xiàn)“滲濾”現(xiàn)象。原因是隨著CFP 填充量的增加,CFP 彼此間搭接形成網絡的幾率增大,復合體系內形成了較完整的CFP 導

10、電網絡。之后,填料含量的增加對復合材料體積電阻的影響趨于平緩。碳纖維的長度對復合材料的導電性能有顯著影響2。由圖1知,CPF 含量相同、長度不同時,復合材料的V 也不同。P 2100CFP 填充的試樣的滲濾域值約為10%,而長度較大的P 2400CFP 填充的試樣約為8%。這是因為長度越大,纖維搭接為導電網絡的幾率越大,形成網絡需要的纖維量就越小,從而降低了導電復合材料的滲濾域值。212CFP 用量和長度對CFP/EP 復合材料力學性能 的影響圖2CFP 的用量和長度對EP/CFP 復合材料力學性能的影響Fig 2E ffect of CFP content and length on mec

11、hanicalproperties of com posite圖2為CFP 的用量和長度對EP/CFP 復合材料力學性能的影響。由圖2可知,P 2100CFP 填充試樣的拉伸強度、拉伸彈性模量和沖擊強度隨CFP 含量的增加而增大,在CFP 的質量分數(shù)超過10%后性能提升更為顯著;當其質量分數(shù)為25%時,材料的上述力學性能出現(xiàn)最大值,分別為4413MPa 、991MPa 和6114k J/m 2,分別比EP 提高了124%、186%和9817%;但當CFP 質量分數(shù)達到30%時,出現(xiàn)了突降。復合材料的彎曲強度則隨著CFP 用量的增加略有減小,在CFP 用量超過10%以后又不斷上升,在CFP 的質

12、量分數(shù)為25%時,增至120MPa ,比EP 提高了6715%。原因如下:在纖維增強樹脂復合材料中,基體樹脂通過界面將應力傳遞給高強度纖維,從而提高了復合材料的力學性能3。當CFP 質量分數(shù)小于10%時,基體內的纖維數(shù)目較少,承受的應力也相對較少,此時基體不但傳遞應力,自身也承受著55第34卷第8期牛牧童等:磨碎碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的性能研究一定的應力4,所以材料的力學性能提升較慢。纖維的質量分數(shù)超過10%后,隨著基體內纖維數(shù)量的增加,纖維承受了主要應力,樹脂主要起傳遞應力的作用,所以復合材料的力學性能提升幅度增大。但隨著CFP 含量的增加,復合體系中纖維比例加大,體系粘度升高,纖維不能

13、很好地分散,相互摩擦、纏結,容易形成纖維束,使外力作用不能被有效分散,造成應力集中,成為斷裂源,從而降低了復合材料力學性能;另外,隨著纖維數(shù)目的增多,越來越多的纖維難以被樹脂充分潤濕,它們會在復合材料中形成許多弱粘結面,在材料受力時發(fā)生弱界面的脫附拔出 ,使應力傳遞失效,不能對材料起到力學補強作用,因此當CFP 的質量分數(shù)增至30%時,材料的拉伸性能和沖擊性能下降。由圖2還可知,在配比相同時,除個別配比外,P 2400CFP 填充試樣的各項力學性能均低于P 2100填充試樣。這是因為P 2400CFP 長度較大,約為P 2100型的25倍,當EP 熔體流動時,纖維之間產生的摩擦力較大,降低了E

14、P 流動性能,使體系粘度增大。實驗中,當P 2400CFP 填充量大于15%時,復合材料因為粘度過大,不再適合澆注成型,而P 2100CFP 則可以添加到30%。體系粘度的增大使纖維的浸膠性變差,一方面纖維容易纏結成為纖維束,不能均勻地分散同基體充分接觸;另一方面纖維的潤濕性降低,使材料界面粘結質量下降,所以P 2400CFP 對EP 的力學補強作用不如P 2100CFP 。213EP/CFP 的形貌分析a -EPb -EP/CFP (20%圖3EP/CFP (P 2100復合材料試樣拉伸斷面的SE M 照片F(xiàn)ig 3SE M photographs of fracture sur faces

15、 of EP andEP/CFP (P 2100com posite圖3為EP/CFP (P 2100復合材料拉伸斷面的SE M 照片。由圖3a 知,EP 發(fā)生的是脆性斷裂,斷口平整,裂紋呈河流狀且較為有序。由圖3b 知,EP/CFP (20%斷面凹凸不平,基體上有云片狀扯起形貌,表明材料的韌性有所提高;同時纖維在EP 中分散性好,大多為單根分布,而且與EP 粘結緊密,粘結邊緣幾乎沒有縫隙,斷面留有少量CFP 的拔出孔洞。這是由于P 2100CFP 為微米級粉體,比表面積較大,且與EP 主要呈單根接觸,接觸面積較大,兩相間的結合力相應較大。不過也有少量的CFP 與EP 粘結性差,材料破壞時,與

16、EP 發(fā)生界面脫附,在斷面留下了較深的拔出孔洞,但P 2100CFP 粉體形狀細小,含量較大時,材料內纖維根數(shù)很多且分布均勻,總體上復合材料的力學性能提升。214EP/CFP 的TG 熱性能分析表1TG 曲線分析結果T ab 1Results of TG curve analysis 試樣T 10%/T 50%/T max /354114051145416樹脂受熱而裂解氣化時的溫度稱之為熱分解溫度,它是表征物料熱穩(wěn)定性能的重要指標之一5。從表1可看出,復合材料的T 10%、T 50%隨CFP 含量的增加變化不大。而T max 隨著CFP 含量的增加緩慢升高。當CFP 質量分數(shù)為30%,復合材料

17、的T max 為45416,比純EP 分解溫度高718,這可能是因為CFP 在體系中的網狀分布對EP 的熱降解起著阻礙作用;另外CFP 提高了基體的熱傳導率,材料受熱更均勻,不易出現(xiàn)局部過熱分解,致使復合材料熱降解滯后。可見增加CFP 用量,能提高EP 的熱穩(wěn)定性,但幅度不大。3結論1磨碎碳纖維對復合材料的力學和導電性能同時進行有效的補強。同等含量下,長度較大的CPF 對EP/CFP 材料的導電性增強效果較好;但對材料的力學性能補強效果較弱。2P 2100CFP 顆粒較為微小,易于在樹脂中分散潤濕,是較為理想的制備具有良好力學性能導電復合材料的填料。利用25%P 2100CFP 填充EP ,E

18、P/CFP 材料的體積電阻率較EP 降低了9個數(shù)量級,約為1134×106cm ;拉伸強度、拉伸彈性模量、沖擊強度和彎曲強度較EP 分別提高了124%、186%、9817%和6617%,同時材料的熱穩(wěn)定性也略有提高。參考文獻1彭煥鼎,萬樂生,吳小梅等1玻璃纖維,1997,(6:5(下轉第69頁65塑料工業(yè)2006年 r/R =00105,n =115198,x 1=014245;r/R =0105012,n =115187,x 2=014100;r/R =012014,n =115140,x 3=013419;r/R =014016,n =115050,x 4=012137;r/R

19、=016018,n =114965,x 5=010926 。圖3分3層聚合時預聚物與理想分布折射率的對比Fig 3Refractive indices contrast between optimal distribution and prepolymers for 3layers圖44層聚合時預聚物與理想分布折射率的對比Fig 4Refractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 4layers實驗時據(jù)此配料,輔以合適的反應溫度和時間,就可以制備出具有理想折射率分布曲線的梯度型塑料光纖預制棒。

20、事實上,由于下一層預聚物加入時其前面一層聚合物薄層尚未完全固化,并且剛加入的預聚物對前面的聚合物薄層有溶脹作用,二者可以相互融合、擴散,因而最終所得預制棒中折射率的實際分布曲線并非是圖中所示的階梯狀分布而是平滑的分布曲線,而這種效果正是獲得高質量的梯度型塑料光纖預制棒所必須的。由圖5看出,最終的GI 2POF 預制棒中折射率的分布曲線與理性分布曲線非常接近,理論計算與實驗 現(xiàn)象比較吻合,說明上面采取的簡單化處理是可行的。圖55層聚合時預聚物與理想分布折射率的對比Fig 5Refractive indices contrast between optimal distributionand prepolymers for 5layers3結論采用多層離心共聚的新方法來制備GI 2POF 預制棒,其RI D 曲線可以自如的調控,所得光纖的帶寬性能必然有相應的提高。理論計算與實驗事實都表明所用預聚物層數(shù)越多,最終所得GI 2POF 預制棒的折射率分布曲線越接近理想分布。通過理想分布曲線對每一層預聚物的折射率值及物料配比進行了計算,據(jù)此配料就可以得到RI D 非常接近理想分布的GI 2POF 預制棒。參考文獻1Chen W C ,Chang Y,Wei M H 1J P olym Sci :Part B :P olymPhys ,2000,38:17642Boo