碳纤维增强高密度聚乙烯复合材料的力学性能和耐久性能研究

Study on Mechanical Properties and Durability of Carbon Fiber Reinforced High Density Polyethylene Composites

摘要

采用碳纤维（CF）与高密度聚乙烯（HDPE）制备了HDPE/CF复合材料，并研究CF掺量对复合材料力学性能和耐久性能的影响。结果表明：随着CF掺量的增加，复合材料的力学性能和耐久性能均得到增强。当CF掺量为12%时，复合材料的拉伸强度比纯HDPE提高145.9%，弯曲强度比纯HDPE提高220.4%，冲击强度比纯HDPE降低5.9%。当CF掺量为12%时，复合材料的维卡软化温度（VST）最高，比纯HDPE提高19 ℃。掺入12%的CF，能保证复合材料有较高力学性能和最佳的耐久性能。

关键词

碳纤维 / 高密度聚乙烯 / 力学性能 / 耐久性能

Key words

Carbon fiber / High density polyethylene / Mechanical properties / Durability

高密度聚乙烯(HDPE)是一种常见的热塑性树脂，具有成本低、良好的加工性能、优异的耐湿性、优良的化学稳定性等特点^[1-3]，被广泛应用于包装材料、汽车装饰、管材、电线电缆等方面^[4-7]。为进一步拓宽HDPE的应用范围，可添加纤维对其进行改性处理^[8-10]。碳纤维(CF)是一种具有较高的强度、优异的热稳定性的填料^[11-13] 。CF增强高聚物复合材料作为结构材料，在航空航天、汽车、医疗、化工等领域得到广泛应用^[14-16]。姚江薇等^[17]采用CF和聚乙烯制备复合材料，研究了不同成型条件和不同CF掺量对复合材料力学性能的影响。结果表明：加热温度和加热时间分别240 ℃和30 min，增加压力，可以提高复合材料拉伸断裂强力；随着CF掺量增加，复合材料的拉伸断裂强力值先增加后减小。徐先锋等^[18]研究了CF掺量对聚乙烯复合材料拉伸强度、弹性模量和硬度的影响。结果表明：CF的加入提高了复合材料的拉伸强度、弹性模量和硬度。本实验采用CF增强改性HDPE基体，制备了HDPE/CF复合材料，研究CF掺量对复合材料的力学性能和耐久性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯(HDPE)，62N07，浙江金贝广新材料有限公司；碳纤维(CF)，长度2~3 mm，直径7 μm，东丽新材料（广东）有限公司；马来酸酐接枝聚乙烯(HDPE-g-MAH)，接枝率1.2%，美国杜邦公司；乙烯-辛烯共聚物(POE)，8540，美国陶氏化学公司。

1.2 仪器与设备

双辊开放式炼塑机，SY-6215-A2，东莞市世研精密仪器有限公司；平板硫化机，SY-6210-A1，东莞市世研精密仪器有限公司；电子拉力试验机，HB-B01-B，广东恒邦检测仪器设备有限公司；简支梁冲击试验机，HT-1043-15D，广东宏拓仪器科技有限公司；维卡软化温度测定仪，WKT-VST300D，江苏维科特仪器仪表有限公司。

1.3 样品制备

表1为HDPE/CF复合材料配方。将HDPE、HDPE-g-MAH和POE按表1比例称量，放入双辊开放式炼塑机中混炼塑化，将称量的CF倒入混炼均匀；在设置温度200 ℃、压力15 MPa的平板硫化机上热压15 min，在15 MPa下冷压10 min，制得样品。

1.4 性能测试与表征

拉伸性能测试：按GB/T 1040.1—2018进行测试，拉伸速率5 mm/min。

弯曲性能测试：按GB/T 9341—2008进行测试，弯曲速率5 mm/min。

冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试，试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

维卡软化温度(VST)测试：按GB/T 1633—2000进行测试，荷重50 N，升温速率120 ℃/h。

2 结果与讨论

2.1 复合材料力学性能

2.1.1 复合材料拉伸强度

图1为复合材料的拉伸强度。从图1可以看出，随着CF掺量增加，复合材料拉伸强度不断增大。纯HDPE的拉伸强度为22.0 MPa。当CF掺量为12%时，复合材料拉伸强度为54.1 MPa，比纯HDPE提高145.9%；当CF掺量为16%时，复合材料拉伸强度达到最大值56.4 MPa，比纯HDPE提高156.4%。因为CF拉伸强度高于HDPE，CF分散到HDPE基体中能够承担和消耗大部分的外部拉伸荷载，显著提高复合材料拉伸强度。但是，当CF掺量过大时，CF出现团聚，部分CF对复合材料拉伸强度增长的贡献变弱，CF达到16%时，复合材料拉伸强度增长变缓^[19-22]。

2.1.2 复合材料弯曲强度

图2为复合材料的弯曲强度。从图2可以看出，随着CF掺量的增加，复合材料的弯曲强度不断增大。纯HDPE的弯曲强度为22.5 MPa，CF掺量为4%~12%时，复合材料弯曲强度增长迅速，继续增加CF掺量，复合材料弯曲强度增长变缓。当CF掺量为12%时，复合材料弯曲强度为72.1 MPa，比纯HDPE提高220.4%；当CF掺量为16%时，复合材料弯曲强度达到最大值75.2 MPa，比纯HDPE提高234.2%。因为CF分散到HDPE基体容易形成空间网状结构，复合材料受到弯曲荷载时，这种网络结构能够承担和消耗大部分荷载，使得弯曲强度不断增大；但是，当CF掺量过大时，CF会出现聚集，部分CF容易拔出，其对复合材料弯曲强度贡献有限^[23]。

2.1.3 复合材料冲击强度

图3为复合材料的冲击强度。从图3可以看出，随着CF掺量的增加，复合材料的冲击强度不断降低。纯HDPE的冲击强度为10.2 kJ/m²，CF掺量为4%~16%时，冲击强度分别为10.0、9.8、9.6和8.0 kJ/m²，比纯HDPE分别降低了2.0%、3.9%、5.9%和21.6%。这说明CF掺量不超过12%时，复合材料的冲击强度下降幅度不大；CF掺量达到16%时，复合材料的抗冲击强度显著降低。因为在承受外部冲击力时，HDPE为主要承受体，CF加入后，CF分布在HDPE树脂中影响了HDPE的整体性，HDPE基体的连续性变差，导致应力更易集中，因此复合材料的冲击强度下降^[23-24]。随着CF掺量的增加，HDPE基体的连续性变得更差，尤其是CF掺量达到16%时，CF还可能出现团聚、缠绕，造成CF与HDPE基体之间黏结性较差，甚至存在间隙或空洞等缺陷，这就造成冲击裂纹沿着CF与CF界面或空洞快速蔓延，造成复合材料整体容易被破坏，因此复合材料冲击强度大幅下降。

2.2 复合材料耐久性能

本实验通过测试复合材料的VST，研究复合材料的耐久性能。图4为复合材料的VST。从图4可以看出，随CF掺量增大，复合材料的VST先升高后降低，总体上VST是升高的。CF掺量为12%，复合材料VST最大，为89 ℃，比纯HDPE(70 ℃)提高19 ℃。当CF掺量达到16%时，CF出现聚集、团聚，造成CF分布不均匀，复合材料整体性下降，CF掺量16%的试样的VST值低于CF掺量12%的试样。

3 结论

CF的加入可以提高复合材料拉伸强度和弯曲强度，会降低复合材料的冲击强度。但是CF掺量不超过12%时，复合材料拉伸强度和弯曲强度增长迅速，冲击强度降低幅度不大；继续增加CF，复合材料拉伸强度和弯曲强度缓慢增长，冲击强度大幅下降。随着CF掺量增加，复合材料的耐久性能得到提高，并且CF掺量为12%时，复合材料耐久性能最优。CF掺量为12%时，在保证复合材料较高力学性能的基础上，复合材料的耐久性能最好，此时复合材料拉伸强度比纯HDPE提高145.9%，弯曲强度比纯HDPE提高220.4%；冲击强度比纯HDPE降低5.9%；复合材料的VST比纯HDPE提高19 ℃。

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