CF增强PC/ABS复合材料力学性能和热学性能研究

Study on Mechanical and Thermal Properties of CF Reinforced PC/ABS Composites

摘要

采用碳纤维（CF）制备CF增强聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（PC/ABS）复合材料，研究CF对PC/ABS复合材料的力学性能和热学性能的影响，以获得CF的最佳掺量。力学性能分析表明，随着CF质量分数的增加，CF增强PC/ABS复合材料的拉伸强度和弯曲强度不断提高，冲击强度先增大后减小。热学性能分析表明，随着CF质量分数的不断增加，CF增强PC/ABS复合材料的热变形温度不断提高，熔体流动速率（MFR）先增大后减小。CF的质量分数为15%时，CF增强PC/ABS复合材料的综合力学性能和热学性能最优，与未加CF的材料相比，拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了134.7%、133.3%和69.6%，热变形温度提高了39 ℃，MFR提高了27.8%。

关键词

CF / PC/ABS复合材料 / 力学性能 / 热学性能

Key words

CF / PC/ABS composites / Mechanical properties / Thermal properties

聚碳酸酯(PC)是一种具有优异力学和耐老化等性能的热塑性塑料，被广泛应用于汽车、运动医疗、电子电器和建筑工程等领域^[1-3]。但是PC存在一定的不足之处，比如PC熔体黏度大、加工过程比其他塑料困难、产品易开裂、对缺口较敏感等^[4]。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三类单体共聚而成的热塑性工程塑料，具有加工简单、耐热性好、价格低廉的特点，但是ABS的力学性能不如其他塑料^[5-6]。因此，单纯的PC和ABS的应用领域受到一定的限制。针对以上问题，研究人员将PC和ABS共混制备出兼顾PC和ABS优点的PC/ABS复合材料，其具有出色的力学性能、良好的加工成型性以及优异的热学性能^[7-9]。因此，PC/ABS复合材料应用范围非常广泛，可用于汽车的仪表盘、反光镜及门扶手等部件^[10-12]。

碳纤维(CF)具有优良的耐热、耐腐蚀、轻质高强、容易加工等特点^[13-16]。因此，CF广泛应用于汽车工业、运动器材、医疗器械、军事和航天等高新领域^[17-18]。随着人们对环境和能源的关注，CF在汽车行业的应用越来越多。CF质轻且拉伸强度高，用CF增强塑料制品可以代替传统汽车中的金属，从而大大减轻汽车质量。因此，CF增强塑料制品可在保证汽车安全的基础上降低汽车质量带来的能耗，提高运行效率，实现节能减排的目标^[19-21]。以PC/ABS复合材料作为基体、CF作为增强材料可以制备性能更加优异的CF增强PC/ABS复合材料，从而拓展PC/ABS复合材料的应用领域。CF增强PC/ABS复合材料可取代传统汽车中的外壳、保险杠等金属部件，使汽车的轻量化水平进一步提高，汽车的动力效率增强，这对节能环保政策的实施具有重大意义^[21-22]。

陈祯等^[23]以短CF增强PC/ABS复合材料，研究CF含量对复合材料力学性能的影响。结果表明：复合材料的拉伸强度随着CF掺量的增加而增大，且3 mm CF比6 mm CF制备的复合材料的拉伸强度更高。但是，该研究并未涉及PC/ABS复合材料的热学性能的研究。用于汽车工业等领域的PC/ABS复合材料的热学性能也至关重要。因此，本实验用CF增强PC/ABS复合材料，并研究复合材料的力学性能和热学性能，旨在拓展PC/ABS复合材料在汽车等行业的应用范围。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚碳酸酯(PC)，141R-111，上海星巷塑化有限公司；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，PA746，台湾奇美实业有限公司；马来酸酐接枝丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS-g-MAH)相容剂，CH-906，接枝率1.0%，广东川亨新材料科技有限公司；碳纤维(CF)，T300，长度3~5 mm，直径7 μm，日本东丽工业株式会社。

1.2 仪器与设备

扫描电子显微镜(SEM)，JSM-840，日本JEOL株式会社；万能拉力试验机，UTM50，苏州亚诺天下仪器有限公司；悬臂梁冲击试验机，XJBCX，上海湘杰仪器仪表科技有限公司；熔融指数测定仪，XRZ-30Q，长春市分金属实验机厂；维卡软化温度测定仪，XRW-300HA，北京航天伟创设备科技有限公司。

1.3 样品制备

本实验中的CF增强PC/ABS复合材料采用CF外掺法，表1为CF增强ABS/PC复合材料配方。PC、ABS与MAH-g-ABS质量比为65∶30∶5。CF占PC/ABS复合材料的质量分数为0、5%、10%、15%和20%。

样品制备过程：(1)CF在80 ℃干燥箱中充分干燥24 h，ABS和PC在90 ℃干燥箱中充分干燥24 h。(2)按表1配方称取各原料，将ABS、PC和MAH-g-ABS倒入混合机中，混合均匀。(3)将混合料加入双螺杆挤出机内进行熔融共混后，将称取的CF加入双螺杆挤出机内，打开真空泵抽真空，将物料挤出，其中螺杆转速120 r/min，挤出温度为245 ℃。(4)将挤出的物料拉条浸入水中冷却至室温，在60 ℃干燥箱中烘干，用切粒机将烘干的物料切粒。(5)将上述切好的粒料倒入注射压力80 MPa、注射温度250 ℃的注射机中注塑成型，得到CF增强ABS/PC复合材料，裁切成试验所需尺寸。

1.4 性能测试与表征

力学性能测试：拉伸强度按GB/T 1040.2—2022进行测试，样品尺寸为110 mm×10 mm×4 mm，拉伸速率20 mm/min；弯曲强度按GB/T 9341—2008进行测试，样品尺寸为80 mm×10 mm×4 mm，弯曲速率2 mm/min；冲击强度参考ASTM D256-2010E中方法A，冲击能为2.75 J。

SEM测试：试样断面喷金，观察微观形貌。

热学性能测试：熔体流动速率(MFR)测试温度300 ℃，荷载为1.2 kg；热变形温度参考ISO 75-1∶2020，升温速率120 ℃/h，荷载1.82 MPa。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

图1为CF增强PC/ABS复合材料的力学性能。从图1a可以看出，未加CF时，纯PC/ABS复合材料(1#试样)的拉伸强度和弯曲强度分别为59.1 MPa和80.2 MPa。随着CF的不断加入，复合材料的拉伸强度和弯曲强度不断提高，至CF质量分数为20%时，5#试样的拉伸强度和弯曲强度分别提高139.4%和137.2%。从图1a还可以发现，CF质量分数为5%~15%时，CF增强PC/ABS复合材料的拉伸强度和弯曲强度增长较快，其中当CF质量分数为15%时，相比1#试样，4#试样的拉伸强度和弯曲强度分别提高134.7%和133.3%，继续增加CF质量分数至20%，5#试样的拉伸强度和弯曲强度分别仅提高4.7%和3.9%。其原因在于CF本身具有极高的拉伸强度和弯曲强度，CF分散到复合材料中逐渐形成相互搭接的网络结构，CF可以承担主要的外部荷载，且CF形成的网络结构可以抑制复合材料内部裂纹的扩展，这有助于复合材料具有更大的承受荷载的能力。因此，随着CF掺量的增加，CF增强PC/ABS复合材料的拉伸强度和弯曲强度不断提高^[24-26]。

从图1b可以看出，未加CF时，1#试样的冲击强度为146.5 J/m，随着CF的不断加入，复合材料的冲击强度先显著增大，然后减小。CF质量分数为15%时，CF增强PC/ABS复合材料的冲击强度达到最大值248.5 J/m，比1#试样提高了69.6%；CF质量分数继续增大至20%时，复合材料的冲击强度略有下降，下降至245.1 J/m，但是仍然比1#试样提高67.3%。因此，总体上看，CF的加入能够提高PC/ABS复合材料的冲击强度，CF质量分数为15%时，复合材料的冲击强度达到最大。其原因在于CF的加入提高了复合材料的韧性，但是复合材料的冲击强度主要取决于两方面。首先是CF自身的力学性能优势以及CF形成的网络结构对复合材料的增韧和抑制裂纹增长的作用，这是对复合材料冲击强度有利的因素；其次是CF与复合材料基体之间的黏结力薄弱区域以及CF团聚处应力集中区域，这些区域最容易遭受外力破坏，这是对复合材料冲击强度不利的因素^[4]。而PC/ABS复合材料宏观上表现的冲击强度实际上是由这两个因素竞争结果所决定的。CF质量分数在一定范围内(5%~15%)时，随着CF掺量的增加，CF在PC/ABS复合材料基体中不断构建网络结构，CF增韧和抑制裂纹增长的作用占据主导。在此情况下，CF掺量越高，CF对复合材料的冲击强度的有利影响就越大，因此复合材料的冲击强度不断增大。但是，当CF质量分数达到20%时，CF增强PC/ABS复合材料基体中的CF过多，导致部分CF出现团聚现象，基体与CF及基体与基体之间的连续性出现局部破坏，这会产生黏结力薄弱区域和应力集中区域，这些区域容易破坏，也容易造成裂纹增长及基体严重形变。此时过多的CF对复合材料冲击强度造成的不利影响占主导，导致复合材料冲击强度下降^[4]。因此，随着CF掺量增加，PC/ABS复合材料的冲击强度先增大后减小。

2.2 SEM测试

为了进一步分析CF增强PC/AB复合材料冲击强度的机理，对复合材料冲击强度测试试样断面进行SEM微观形貌观察，图2为SEM照片。

从图2可以看出，随着CF掺量增加，复合材料的冲击断面主要出现CF断裂或CF被拔出而产生空洞，这说明复合材料主要以CF断裂及CF从基体中被拔出而消耗掉冲击能量，这就更好地解释了CF的加入提高了复合材料的冲击强度等力学性能的原因。

从图2a可以看出，1#试样断面粗糙且分布均匀，说明复合材料发生了韧性断裂，并且PC与ABS基体分散均匀。从图2b可以看出，2#试样出现部分CF拉断，同时出现了部分小孔，小孔直径与CF直径接近，这些小孔是CF被拔出产生的孔，断面拔断的CF或CF被拔出的小孔在基体中较少，且以单独形式分散均匀，说明CF在基体中分散均匀。从图2c~2d可以看出，随着CF掺量的增加，CF和CF被拔出的孔洞在基体中的分布越来越密集，但是其分散仍然比较均匀，未出现明显的团聚现象。因此，在CF质量分数不超过15%时，CF在3#试样和4#号试样的复合材料中分散均匀，CF利用自身力学性能优势及CF形成的网络结构，主要体现对复合材料冲击强度有利的作用，因此复合材料冲击强度不断显著提高。然而，从图2e可以看出，当CF质量分数达到20%时，5#试样中多根断裂的CF紧密地挨在一起，还出现了比较大的孔洞，这些孔洞是因为聚集的CF被拔出产生的，说明基体中出现了部分CF团聚现象，导致基体的连续性被破坏，因此5#试样的冲击强度不及4#试样。这与前面力学性能得出的结论一致。

2.3 热学性能

通过测试热变形温度和MFR来表征复合材料的热学性能，图3为CF增强PC/ABS复合材料的热变形温度和MFR测试结果。

热变形温度指在一定载荷和升温速率下，材料达到规定形变量所对应的温度，反映了材料在服役环境下随温度升高的性能变化。从图3可以看出，未加CF的1#试样的热变形温度为55 ℃，这种较低的热变形温度限制了PC/ABS复合材料的使用范围。随着CF的加入，CF增强PC/ABS复合材料的热变形温度不断提高，CF质量分数为5%、10%、15%和20%时，CF增强PC/ABS复合材料的热变形温度分别为71、83、94、99 ℃，分别比1#试样提高了16、28、39、44℃。从图3还可以发现，CF质量分数为5%、10%和15%时，CF增强PC/ABS复合材料的热变形温度增长幅度更大。当CF质量分数为20%时，CF增强PC/ABS复合材料的热变形温度进一步提高，但上升幅度较小，仅比CF质量分数为15%的CF增强PC/ABS复合材料提高5 ℃。总之，CF的加入提高了PC/ABS复合材料的热变形温度。分析原因如下：首先，聚合物的热变形温度与其弯曲强度等力学性能关系密切。一般来说，材料具有较高的弯曲强度有助于材料具有更高的热变形温度^[4]。而前文中对PC/ABS复合材料的力学性能分析发现，CF的加入提高了PC/ABS复合材料的弯曲强度等力学性能。其次，CF的耐热性能远远高于纯PC/ABS复合材料，CF的加入提高了耐高温组分的比例，因此热变形温度也会增大。最后，CF分散在复合材料中会形成交错的网络结构，这会抑制PC/ABS复合材料中大分子链的移动，进而增加复合材料变形的难度，因此使复合材料热变形温度提高^[24]。

在热塑性材料加工过程中，MFR表明材料熔体的黏度大小及流动性能。MFR高则说明材料加工较容易；反之则说明材料加工困难，加工成本高且容易出现产品收缩等缺陷。从图3可以看出，CF增强PC/ABS复合材料的MFR与CF的掺量直接相关。CF掺量较低时，MFR值较小，1#试样的MFR为18 g/10 min，随着CF质量分数增加至5%、10%和15%，CF增强PC/ABS复合材料的MFR值不断增大，分别为20、22、23 g/10 min，比1#试样分别提高11.1%、22.2%和27.8%；但是，当CF质量分数为20%时，MFR值又降低为21 g/10 min。这是因为在一定范围内，CF的加入提高了复合材料熔体与金属表面的润滑性，因此提高了MFR值。但是，CF加入量过多(质量分数达到20%)时，CF占复合材料质量比例较大，CF彼此接触的概率增大，甚至出现团聚(如图2e所示)，造成复合材料内部的摩擦力迅速增大。另外，CF具有极高的熔融温度，在MFR测试过程中CF不会融化^[27-28]。因此，随着CF的加入，PC/ABS复合材料的MFR值先增大后降低。根据图3可知，在加工过程中，为获得加工性能良好的复合材料，可以加入质量分数5%~15%的CF，且CF质量分数为15%时，CF增强PC/ABS复合材料MFR最高，其加工性能最好。

3 结论

随着CF不断加入，CF增强PC/ABS复合材料的拉伸强度和弯曲强度不断提高，并且CF质量分数为5%~15%时，CF增强PC/ABS复合材料的拉伸强度和弯曲强度增长较快，继续增加CF质量分数至20%，复合材料拉伸强度和弯曲强度增长幅度不大。随着CF不断加入，CF增强PC/ABS复合材料的冲击强度先增大后减小，CF质量分数为15%时，复合材料的冲击强度达到最大值248.5 J/m，比未加CF时提高了69.6%。

随着CF不断加入，CF增强PC/ABS复合材料的热变形温度不断提高，且CF质量分数为5%~15%时，复合材料的热变形温度增长幅度较大，当CF质量分数为20%时，复合材料的热变形温度进一步提高，但上升幅度变小。随着CF不断加入，CF增强PC/ABS复合材料的MFR值先增大后减小，CF质量分数为15%时，复合材料的MFR达到最大值23 g/10 min。

因此，CF的质量分数为15%时，CF增强PC/ABS复合材料的综合力学性能和热学性能最优，与未加CF相比，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了134.7%、133.3%和69.6%，热变形温度提高了39 ℃，MFR提高了27.8%。

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基金资助

山西省高等学校科技创新项目(2022L694)