纤维增强聚丙烯复合材料的制备及其导热性能研究

发布时间：2020-06-17 22:12

【摘要】：聚丙烯(polypropylene),是一种结晶高聚物。聚丙烯热塑性塑料具有价格低廉、质轻、耐水、耐酸碱等优点,在电子行业、包装行业、机械制造、国防军事等方面具有生产应用。然而聚丙烯的导热系数很低,限制了其在半导体制造、地热能应用等方面的使用。为了提高聚丙烯的导热性能,本文以短切碳纤维(Carbon Fiber)为主要原料,研究了碳纤维对聚丙烯复合材料形貌、力学性能、导热性能等的影响。具体研究内容及结果如下所述:首先,采用熔融共混法,将0.5mm、3mm和7mm三种长度的CF分别分散到聚丙烯中制备不同碳纤维含量的聚丙烯复合材料。研究了复合材料的形貌、力学和热学等性能。研究结果表明:随着CF含量的增加,复合材料的拉伸强度和弯曲强度呈上升趋势,缺口冲击强度呈现先增大后减小趋势;导热系数呈现上升趋势。当CF的含量达到15phr,PP/7mmCF复合材料的拉伸强度、弯曲强度和断裂冲击强度分别为60.1MPa、108.5MPa和9.8 KJ·m~(-2),相对于纯PP提高了107%、212%和145%。而随着CF长度的增大,导热系数呈现上升趋势,然而在CF含量大于20phr时,0.5mmCF/PP复合材料的导热性能更好。当0.5mmCF含量为25phr时,PP/CF复合材料的导热系数为0.77 W·(m·K)~(-1),相对于纯PP(0.2W·(m·K)~(-1))提高了285%,说明短切CF的加入对于提高复合材料的导热性能有着较好的效果。其次,用碳纤维分别与石墨烯纳米片(GNSs)和鳞片石墨混杂填充PP复合材料。GNSs的加入,PP/3mm CF/GNSs复合材料的弯曲模量有显著提高。随着GNSs含量的增加,复合材料的导热系数明显增大。PP/3mm CF/GNSs复合材料在GNSs5phr时导热系数为0.47 W·(m·K)~(-1),相对于纯PP和PP/GNSs(5phr)(0.40 W·(m·K)~(-1))复合材料分别提高了105%和18%。对于PP/CF/鳞片石墨复合材料,随着鳞片石墨的增加,复合材料的导热性能呈上升趋势,力学性能呈下降趋势。当鳞片石墨的含量为30phr时,体系中形成导热通道,PP/3mmCF/鳞片石墨复合材料的导热系数为1.3 W·(m·K)~(-1),相对于纯PP提高了550%。同时加入CF与鳞片石墨或者石墨烯纳米片,都有明显的协同作用,导热系数增强效果显著。最后,进一步将尼龙6引入到PP CF/鳞片石墨复合材料中,制备了PP/PA6/CF/鳞片石墨复合材料。研究了PA6对PP/PA6合金力学性能、热稳定性能的影响,研究了PA6/PP合金基体对PP/PA6/CF/鳞片石墨复合材料导热性能和形貌的影响。确定PP/PA6最佳比为70/30,此时,添加10份PP-g-MAH最佳。PP/PA6/CF/鳞片石墨(30phr)复合材料的导热系数为1.53 W·(m·K)~(-1),相对于PP/CF/鳞片石墨(30phr)复合材料(1.3 W·(m·K)~(-1))增大了18%。相对于PP基体,PP/PA6合金基体中,PA6为分散相,石墨容易在两者界面聚集,从而提升导热系数。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332;TQ327
【图文】：

红外光谱图,红外光谱图,羟基,伸缩振动

图 2-1 改性后 CF 的红外光谱图 2-1 为碳纤维处理后的傅里叶红外光谱图。从图 2-1(2)可以看出氧在 3427 cm-1出现了 O—H 伸缩振动峰，是由羟基官能团和吸附水928cm-1和 2857 cm-1双峰则为—CH2和—CH3的伸缩振动，1622 cm峰则为乙烯基的振动峰。1193cm-1和 1124 cm-1是 C—O 醚键的伸果表明，氧化改性后的 CF 表面存在丰富的羧基和羟基官能团。 2-1(1)可为 KH550 改性后的 GNSs，可以观察到在 3434 cm-1出现振动峰。2919cm-1和 2851cm-1双峰为-CH2的伸缩振动，1636cm-1则为乙烯基的振动峰。1797cm-1是—COOH 的特征峰。1099cm-1为收峰。可以判断，KH550 改性前后的碳纤维表面都有—OH 基团的后的羟基减少，而增加了在 1099cm-1的 Si-O-Si 的吸收峰，这说明和羟基发生了反应。)

微观形貌,微观形貌

图 2-2 改性前后 CF 微观形貌(a)改性前×1000 (b)改性后×1000 (c)改性前×5000 (d)改性后×5000为了研究改性 CF 的微观形态，通过扫描扫描电子显微镜对改性前后 CF 表面进行观察。如图 2-2 所示，放大 1000 倍时，CF 改性前后的扫描图对比不是很明显，相比改性前，改性后的表面略微粗糙些；而放大 5000 倍时，相比改性前，改性后 CF 表面有明显纹路，更为粗糙，比表面积更大。这些现象再次证实了浓硫酸和硅烷偶联剂对CF有明显改性作用，刻蚀后的CF与基体的咬合能力更强，缠结能力更强，对复合材料界面有着有益的影响。2.4.2 不同长度 CF 对 PP/CF 复合材料力学性能的影响力学性能是复合材料一个重要的性能，具有优良力学性能的材料有更广泛的应用。图 2-3 为不同长度及不同 CF 含量对 PP/CF 复合材料力学性能的影响。(a)

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