连续碳纤维增强聚乳酸复合材料的研究

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聚乳酸(PLA)是一种可完全生物降解的热塑性树脂,与其他可降解树脂相比,具有与工程塑料相匹配的强度和优良的加工性能。但其存在韧性差、成本高的缺点,严重限制了其广泛应用。碳纤维增强热塑性树脂基复合材料(CFRTP)具有轻质、高强的特点,碳纤维(CF)具有非常高的比强度和比刚度,以CF为增强材料,可以显著改善材料的力学性能,拓展材料的应用范围。因此,研究连续碳纤维增强聚乳酸(CCF/PLA)复合材料具有重要意义。本文采用熔融浸渍的方法,以PLA为树脂基体,CCF为增强体,制备了CCF/PLA单向预浸带。研究了热处理温度、加工温度、张紧力、牵引速度等加工条件对复合材料力学性能的影响,确定了最佳工艺条件。并通过万能材料试验机、动态力学分析(DMA)、热失重分析(TGA)、差示扫描量热(DSC)以及偏光显微镜(POM)等研究了不同纤维含量对CCF/PLA复合材料的拉伸性能、动态力学行为、热分解过程、结晶与熔融行为以及结晶形态的影响。通过对CCF/PLA单向预浸带的制备工艺进行研究,得出最佳的制备条件为热处理温度为200℃,加工温度为220℃,张紧力为11 N,牵引速度为4 r/min。其中适宜的热处理温度使预浸带的力学性能提升幅度较大,CF热处理的作用原理是使纤维表面的上浆剂发生热氧化反应,使CF表面的含氧官能团增加,从而增强复合材料的界面黏结强度。CF在CCF/PLA复合材料中起到骨架作用,CF的含量对复合材料的拉伸性能有重要影响,复合材料的拉伸强度随纤维含量的升高而升高。对PLA纯料和CCF/PLA复合材料的应力-应变曲线进行分段拟合。复合材料的应力-应变行为主要分为两个阶段,第一阶段材料的应力-应变曲线迅速上升,纤维含量为30wt%和35wt%的复合材料拉伸模量分别达到14.54 GPa和17.40 GPa,第二阶段,预浸带中的大部分纤维断裂,只有小部分纤维能够承受载荷,拉伸模量也分别减小至10.14 GPa和16.31 GPa,但也远远高于PLA纯料的最大拉伸模量1.32 GPa。通过拟合得到的分段方程计算PLA纯料及纤维含量为30 wt%和35 wt%的复合材料的韧性模量分别为2.5947 N/m2,28.715 N/m2和47.488 N/m2。由此看出,CF增强的复合材料韧性明显优于树脂基体,且随着纤维含量的增大而显著提高。DMA结果表明,CF在复合材料中为外加载荷的主要承受者。在受到外力作用时,材料中的树脂会将交变作用力传递到CF上,可大幅度的提高复合材料的储能模量(E′),纤维含量为30 wt%和35 wt%复合材料的初始E′分别达到45.14 GPa和54.75GPa,较纯PLA树脂的2.69 GPa分别提高了15.78和19.35倍。且复合材料在升温过程中发生冷结晶,E′出现不降反升的异常现象。与PLA纯料相比,复合材料的内耗峰明显降低。CF本身优异的耐热性加之CF对PLA树脂分子链运动的阻碍作用,使得材料的热分解温度升高,耐热性变强。且复合材料中CF的含量越高,材料的初始热分解温度越高,耐热性越好。对CCF/PLA单向预浸带的结晶与熔融行为以及结晶形态的分析表明,CF的加入会对PLA分子链的运动产生了一定的阻碍,且CF在复合材料中起到了异相成核的作用,促进了晶核的形成,从而使材料的玻璃化转变温度(Tg)向高温方向移动,冷结晶温度(Tcc)向低温方向移动,熔点(Tm)向高温方向移动,并使材料的结晶度有所提升。
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