黄彩飞 陈国平 苟晓梅

摘 要：利用碳纤维布外贴的方式增强聚丙烯板材的抗冲击性能，为制备出性良好且碳纤维布不易脱粘的复合板材，设计出了环氧树脂粘贴工艺、环氧树脂粘贴打孔工艺、PP胶粘贴工艺和混合粘贴工艺，并对不同制备工艺下的复合板材分别进行了4、8、12 J的落锤试验。结果表明：在不同冲击能量下，混合粘贴工艺的方式对聚丙烯板材的荷载的提高效率最高，同时能够有效限制复合板材的变形，且试验后碳纤维布与板材间无脱粘现象，板材可进行二次冲击，是较佳的工艺方式;树脂粘贴打孔工艺虽然能够有效限制聚丙烯板材的变形，但其试验后碳纤维布与板材间脱粘现象明显，不可进行二次冲击，其工艺方式还需进一步改进。

关键词：碳纤维布;聚丙烯;粘贴工艺;落锤试验

中图分类号：TQ325.1+4

文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）03-0055-07

Influence of adhesive technology on impact resistance of carbonfiber reinforced polypropylene sheet

HUANG Caifei1，CHEN Guoping1，GOU Xiaomei2

（1.School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and

Technology，Mian yang 621000，Sichuan China;2. Sichuan Automobile Vocational and Technical College， Mianyang 621000， Sichuan China）

Abstract：

In this paper， the impact resistance of the polypropylene sheet is enhanced by the outside pasting way of carbon fiber cloth. In order to prepare the composite sheet with good properties and carbon fiber cloth is not easy to break off， the epoxy resin sticking process， epoxy resin sticking punching process， PP adhesive sticking process and mixed sticking process are designed. The 4， 8 and 12 J drop weight tests were carried out on the composite plates under different preparation processes. The test results show that under different impact energy， mix-and-paste technology has the highest efficiency to improve the load of polypropylene sheet， and can effectively limit the deformation of composite sheet， and there is no debonding phenomenon between carbon fiber sheet and sheet after the test， and the sheet can carry out secondary impact， which is a better process. However， although the resin paste drilling technology can effectively limit the deformation of polypropylene sheet， the debonding phenomenon between the carbon fiber sheet and the sheet is obvious after the test， and the secondary impact cannot be carried out， so the technology method needs to be further improved.

Key words：

CFRP; polypropylene; paste process; drop test

目前聚丙烯復合材料的制备大都是利用纤维为增强材料与聚丙烯按照一定的工艺方式复合而成[1-7]。本文主要采用碳纤维布外贴的方式来制备聚丙烯复合板材，关键技术在于提高碳纤维布与聚丙烯间的粘接强度，提高碳纤维布的利用率和复合板材的力学性能。前期笔者研究了聚丙烯表面粗糙度[8]、涂刷时的胶层厚度[9]对碳纤维布增强聚丙烯力学性能的影响，并根据试验结果结合板材的结构形式及粘贴剂的种类，设计出了环氧树脂粘贴工艺、环氧树脂粘贴打孔工艺、PP胶粘贴工艺和混合粘贴工艺，意在制备出力学性能良好的复合板材。

1 试验材料

试验采用由日本辰日株式会社提供的碳纤维布、配套树脂和上海昇辉橡胶制品公司提供的聚丙烯板材，其材料性能如表1所示。还采用了PP胶粘剂，它是采用环保溶剂及树脂合成的单组分粘结剂，适用于聚丙烯（PP）、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物（ABS）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）等硬塑胶料相粘的专用胶粘剂。本试验所采用的PP胶粘剂为奕合牌PP胶粘剂，其物理性能如表2所示。

2 试件设计与制作

2.1 试件设计

试验试件的尺寸参照《硬质塑料板材耐冲击性能试验方法》（GB/T 11548─1989）进行制作，长185 mm，宽160 mm，板厚5 mm。板材形式设计了未打孔板材和打孔板材，具体尺寸分别如图1、图2所示。同时在粘贴时使用环氧树脂粘贴、PP胶粘贴和混合粘贴3种粘贴方式来制备不同形式的复合板材，设有对照组和试验组。试验组中设有单层碳纤维布试验组和双层碳纤维布试验组具体工况，具体如表3所示。

2.2 试件制作

不同粘贴工艺的试件其打磨、粗糙度检测的方式相同。具体的打磨和粗糙度检测的步骤：步骤1，将试件用水洗净，主要为了清除板材裁切时试件表面上所沾染的污渍，以防止影响打磨进程;步骤2，利用电动打磨机在试件所固定的凹槽中进行纵向打磨，每个试件打磨50 s;步骤3，将打磨完成后的试件按照图3尺寸进行区域划分;步骤4，利用粗糙度仪在所划分的区域内进行取点检测，每个小区域内取6个检测点，按照计算公式：

表面粗糙度=（区域1平均值+区域2平均值+…+区域9平均值）÷ 9，得出试件表面粗糙度的参考值，结果如表4所示。

2.2.1 环氧树脂粘贴工艺

先将环氧树脂的主剂和固化剂按照2∶1的比例进行拌合，待拌合完成后，用铲刀均匀地将环氧树脂涂刷在其表面，只要将环氧树脂在其试件表面均匀刷到即可。当环氧树脂涂刷完成后，在其粘贴面上将碳纤维布的拉伸方向沿板材的长边方向粘贴，同时用手将碳纤维布均匀按压，使碳纤维布更加贴合板材;将粘贴好的碳纤维布试件静置8 h以上，待环氧树脂完全硬化则单层碳纤维布板材制作完成。对于制备双层的碳纤维布板材，其第2层碳纤维布是在第1层碳纤维布粘贴完成时，在其第1层碳纤维布上均匀涂刷环氧树脂;将第2层碳纤维布的拉伸方向沿板材的短边粘贴，均匀按压使碳纤维布更加贴合。在粘贴完成后，将其静置等待环氧树脂固化。

2.2.2 环氧树脂粘贴打孔工艺

与环氧树脂粘贴工艺的主要区别在于对其孔洞环氧树脂的填充。首先对其试件的未打磨面利用透明胶布对孔洞进行贴合覆盖，并在试件的打磨面将孔洞进行环氧树脂的填充，填充时利用牙签进行搅动，直到孔洞不能再填充时停止，再利用铲刀均匀地将环氧树脂涂刷在其表面，只要将环氧树脂在其试件表明均匀刷到即可。当环氧树脂涂刷完成后，在其粘贴面上将碳纤维布的拉伸方向沿板材的长边方向粘贴，同时用手将碳纤维布均匀按压，使碳纤维布更加贴合板材。将粘贴好的碳纤维布试件静置8 h以上，待树脂完全硬化，则单层碳纤维布板材制作完成。对于制备双层的碳纤维布板材，其第2层碳纤维布是在第1层碳纤维布粘贴完成时，在其第1层碳纤维布上均匀涂刷环氧树脂，并将第2层碳纤维布的拉伸方向沿板材的短边粘贴，并均匀按压使碳纤维布更加贴合，粘贴完成后将其静止等待环氧树脂固化。

2.2.3 PP胶粘贴工艺

PP胶粘贴工艺其最大的特点是采用两面刷胶。

如图4所示，首先用刷子在碳纤维布的表面沿拉伸方向均匀涂刷PP胶，碳纤维布表面涂刷到即可，将涂刷完成的碳纤维布静置。

如图5所示，然后对打磨面的试件进行均匀涂刷，涂刷完成后將其静置。待碳纤维布胶层面和试件的胶层面不在有粘贴感时，将碳纤维布的拉伸方向沿板材的长边方向粘贴。将粘贴好的复合板材静置于水平的桌面上，并用砝码对复合板材施加静荷载，具体如图6所示;这样使碳纤维布更加贴合板材。对于制备双层的碳纤维布板材，其第2层碳纤维布是在第1层碳纤维布粘贴完成时，在粘贴的第1层碳纤维布上均匀涂刷PP胶并在第2层的碳纤维布上均匀涂刷PP胶;待其二者表面无粘贴感时，将第2层碳纤维布的拉伸方向沿板材的短边粘贴，并将其放置在砝码下。12 h后将砝码移除，试件制备完成，具体如图7所示。

2.2.4 混合粘贴工艺

混合粘贴工艺是利用环氧树脂与PP胶混合粘贴，这种粘贴工艺是考虑碳纤维布与PP胶间的融合性较差，所粘贴的碳纤维布只有粘贴面的碳纤维丝发挥了一定的作用。为了解决这一问题，粘贴时先利用PP胶粘将第1层碳纤维布与试件粘贴，再在其碳纤维布表面涂刷环氧树脂以提高其碳纤维布的利用率;对于双层碳纤维布板材其第2层碳纤维布与第1层碳纤维布粘贴与PP胶粘贴工艺不同，其只利用环氧树脂进行粘贴。待其碳纤维布粘贴完成时，将试件静置12 h则试件制备完成，具体如图8所示。

3 试验方法

将对照组与试验组试件依据《硬质塑料板材耐冲击性能试验方法》（GB/T 11548─1989），在INSTRON CEAST 9350落锤冲击试验系统中分别以4、8、12 J的能量进行落锤试验[10-15]。试验所用落锤试验机如图9所示。

试件固定方式如图10所示。

落锤试验机的冲头直径为20 mm的半球型锤头，撞击器的总质量保持5.5 kg恒定，同时该系统有防止2次冲击的抓钩，能够将冲头在第1次冲击反弹后及时钩住，以避免冲头下落对试件造成的2次冲击。

4 试验数据与分析

本文分别对环氧树脂粘贴未打孔试件、环氧树脂粘贴打孔试件、PP胶粘贴试件和混合粘贴试件等4种工况的试件分别进行了4、8、12 J的落锤试验，并得出在不同工况和不同能量冲击下的冲击力-位移曲线，并对其进行分析。

4.1 4 J能量下不同粘贴工艺对聚丙烯板材   抗冲击性能的影响

4 J能量冲击下冲击力荷载与最大变形位移量，结果如表5所示;

4 J能量冲击下冲击力荷载与最大变形位移效率变化，结果见表6。

由表5、表6可知，在4 J的能量冲击下，D-1的最大冲击荷载为1.275 kN，最大变形位移量为5.24 mm;与K-1试件相比，最大冲击荷载提高了8.51%，最大变形位移量减少24.17%。S-1试件的最大冲击荷载为1.563 kN，最大变形位移量为4.33 mm;其双层碳纤维布能够更显著地提高聚丙烯板材的抗冲击性，最大冲击荷载提高了33.02%，最大变形位移量减少37.34%。KD-1试件的最大冲击力荷载为1.324 kN，最大变形位移量为5.30 mm;与KK-1试件相比，最大冲击荷载提高

了13.36%，最大变形位移量减少了24.39%。KS-1试件的最大冲击荷载为1.487 kN，最大变形位移量为4.31 mm;与KK-1试件相比，最大冲击荷载提高了27.32%，最大变形位移量减少38.52%。PD-1试件的最大冲击荷载为1.346 kN，最大变形位移量为5.81 mm;与K-1试件相比，最大冲击荷载提高了14.55%，最大变形位移量减少了15.92%。PS-1试件的最大冲击荷载为1.512 kN，最大变形位移量为5.02 mm;与K-1试件相比，最大冲击荷载提高了28.68%，最大变形位移量减少27.35%。HD-1试件的最大冲击荷载为1.470 kN，最大变形位移量为5.23 mm;与K-1试件相比，最大冲击荷载提高了25.11%，最大变形位移量减少了24.31%。HS-1的最大冲击荷载为1.747 kN，最大变形位移量为4.36 mm;与K-1试件相比，最大冲击荷载提高了48.68%，最大变形位移量减少36.90%。

4.2 8 J能量下不同粘贴工艺对聚丙烯板材   抗冲击性能的影响

8 J能量冲击下冲击力荷载与最大变形位移量结果，如表7所示;8 J能量下冲击力荷载与最大变形位移效率变化，结果如表8所示。

由表7、表8可知，在8 J的能量冲击下，D-2试件的最大冲击荷载为1.857 kN，最大变形位移量为7.16 mm;与K-2试件相比，最大冲击荷载提高了11.67%，最大变形位移量减少28.11%。S-2试件的最大冲击荷载为2.008 kN，最大变形位移量为6.68 mm;与K-2试件相比，最大冲击荷载提高了20.75%，最大变形位移量减少32.93%。KD-2试件的最大冲击荷载为1.691 kN，最大变形位移量为8.24 mm;与KK-2试件相比，最大冲击荷载提高了2.73%，最大变形位移量减少了19.45%。KS-2试件的最大冲击荷载为2.084 kN，最大变形

位移量为5.78 mm;与KK-2试件相比，最大冲击荷载提高了26.61%，最大变形位移量减少43.50%。PD-2试件的最大冲击荷载为1.985 kN，最大变形位移量为8.09 mm;与K-2试件相比，最大冲击荷载提高了19.36%，最大变形位移量减少了18.78%。PS-2试件的最大冲击荷载为2.108 kN，最大变形位移量为7.16 mm;与K-2试件相比，最大冲击荷载提高了26.76%，最大变形位移量减少28.11%。HD-2试件的最大冲击荷载为2.060 kN，最大变形位移量为7.37 mm;与K-2试件相比，最大冲击荷载提高了23.87%，最大变形位移量减少了26.00%。HS-2试件的最大冲击荷载为2.501 kN，最大变形位移量为5.96 mm;与K-2试件相比，最大冲击荷载提高了50.39%，最大变形位移量减少了40.16%。

4.3 12 J能量下不同粘贴工艺对聚丙烯板   材抗冲击性能的影响

12 J能量下冲击力荷载与最大变形位移量，結果如表9所示;12 J能量下冲击力荷载与最大变形位移效率变化，结果如表10所示。

由表9、表10可知，在12 J的能量冲击下，D-3试件的最大冲击荷载为2.168 kN，最大变形位移量为10.14 mm;与K-3试件相比，最大冲击荷载提高了2.12%，最大变形位移量减少17.83%。S-3试件的最大冲击荷载为2.553 kN，最大变形位移量为7.74 mm，;与K-3试件相比，最大冲击荷载提高了20.26%，最大变形位移量减少37.28%。KD-3试件的最大冲击荷载为2.251 kN，最大变形位移量为9.25 mm;与KK-3试件相比，最大冲击荷载提高了5.93%，最大位移量减少了25.40%。KS-3试件的最大冲击荷载为2.870 kN，最大变形位移量为7.62 mm;与KK-3试件相比，最大冲击荷载提高了35.06%，最大变形位移量减少38.55%。PD-3试件的最大冲击荷载为2.509 kN，最大变形位移量为8.99 mm;与K-3试件相比，最大冲击荷载提高了18.18%，最大变形位移量减少了27.15%。PS-3试件的最大冲击荷载为2.739 kN，最大变形位移量为8.30 mm;与K-3试件相比，最大冲击荷载提高了29.02%，最大变形位移量减少32.74%。HD-3试件的最大冲击荷载为2.572 kN，最大变形位移量为8.87 mm;与K-3试件相比，最大冲击荷载提高了21.15%，最大变形位移量减少了28.12%。HS-3试件的最大冲击荷载为2.926 kN，最大变形位移量为7.62 mm;与K-3试件相比，最大冲击荷载提高了37.82%，最大变形位移量减少

了38.25%。

5 结语

采用了4种粘贴工艺，分别在4、8、12 J的能量冲击下，进行了落锤冲击试验。试验结果表明：在不同能量的冲击下，不同的粘贴工艺对复合板材的最大冲击荷载和最小变形位移有着不同的影响。

4 J的能量冲击下，在单层碳纤维布的工况下，其中达到冲击荷载值最大的是混合粘贴工艺，最小的冲击荷载值为环氧树脂粘贴工艺，达到最小变形位移的是混合粘贴工艺，达到最大变形位移的是PP胶粘贴工艺。在双层碳纤维布的工况下，其中达到冲击荷载值最大的是混合粘贴工艺，最小的冲击荷载值为环氧树脂粘贴打孔工艺，达到最小变形位移的是环氧树脂粘贴打孔工艺，达到最大变形位移的是PP胶粘贴工艺。

8 J的能量冲击下，在单层碳纤维布的工况下，其中达到冲击荷载值最大的是混合粘贴工艺，最小的冲击荷载值为环氧树脂粘贴打孔工艺，达到最小变形位移的是环氧树脂粘贴工艺，达到最大变形位移的是环氧树脂粘贴打孔工艺。在双层碳纤维布的工况下，其中达到冲击荷载值最大的是混合粘贴工艺，最小的冲击荷载值为环氧树脂粘贴工艺，达到最小变形位移的是环氧树脂粘贴打孔工艺，达到最大变形位移的是PP胶粘贴工艺。

12 J的能量冲击下，在单层碳纤维布的工况下，其中达到冲击荷载值最大的是混合粘贴工艺，最小的冲击荷载值为环氧树脂粘贴工艺，达到最小变形位移的是混合粘贴工艺，达到最大变形位移的是环氧树脂粘贴工艺。在双层碳纤维布的工况下，其中达到冲击荷载值最大的是混合粘贴工艺，最小的冲击荷载值为环氧树脂粘贴工艺，达到最小变形位移的是环氧树脂粘贴打孔工艺与混合粘贴工艺，达到最大变形位移的是PP胶粘贴工艺。

综上所述，混合粘贴工艺对碳纤维布增强聚丙烯复合板材力学性能的提高效果最好，同时由冲击后复合板材与碳纤维布的脱粘情况可知，混合粘贴工艺在不同能量冲击下板材与碳纤维布均未出现的脱粘的现象，而环氧树脂粘贴工艺与环氧树脂粘贴打孔工艺在不同能量下均出现不同程度的脱粘现象，则表明混合粘贴工艺是较佳的粘贴工艺方式，其粘贴工艺下的复合板材可以进行二次冲击。

【参考文献】

[1] 刘琳，黄诚珑.长玻纤增强聚丙烯复合材料的制备及力学性能[J].工程塑料应用，2021，49（3）：42-46.

[2] 李江华，薛成洲，李海军.玻璃纤维增强聚丙烯木塑复合材料的制备及其性能[J].合成树脂及塑料，2020，37（6）：35-38.

[3] 粟多文，杨荣强，杨广林，等.连续碳纤维增强聚丙烯性能研究[J].上海塑料，2020（3）：34-39.

[4] 李欣，陈梓山，胡淼.纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能研究[J].新技术新工艺，2020（9）：13-16.

[5] 苏昱，郑骏驰，孟征，等.玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料性能研究[J].工程塑料应用，2020，48（1）：35-40.

[6] 赵彩纯，庞国星，崔之灿，等.碳纤维增强聚丙烯复合材料的研究进展及应用[J].广州化工，2019，47（22）：17-19.

[7] 万炳甲，王明义.玻纤增强聚丙烯复合材料研究进展[J].工程塑料应用，2019，47（11）：139-143.

[8] 黄彩飞，陈国平，王禹.粗糙度对碳纤维布增强聚丙烯力学性能影响[J].工程塑料应用，2020，48（1）：86-89.

[9] 黄彩飞，陈国平，王禹.胶层厚度影响碳纤维布增强聚丙烯力学性能研究[J].工程塑料应用，2020，48（11）：102-105.

[10] 吴健华.塑料及制品的落锤冲击测试[J].工程塑料应用，1991（3）：45-46.

[11] 柳茵茵. 三明治型机织间隔织物复合板材层间及冲击性能研究[D].石家庄：河北科技大学，2013.

[12] 祝成炎，田伟.三维整体夹芯机织复合材料抗落锤冲击性的测试与分析[J].武汉科技学院学报，2008（8）：11-15.

[13] FERABOLI P，KEDWARE K T.Enhanced evaluation of the low-velocity Impact response of composite plates[J].AIAA Journal，2004，42（10）：2 143-2 152.

[14] 熊風，孙泽玉，高洪平，等.不同工艺复合材料层合板冲击性能研究[J].中国新技术新产品，2018（5）：1-3.

[15] 闫学通，贾立霞，刘君妹，等.冲击位置对三明治型复合板材冲击性能的影响分析[J].玻璃钢/复合材料，2016（1）：58-61.

猜你喜欢聚丙烯浅析气相流化床聚丙烯细粉偏高的原因与控制中国化工贸易·上旬刊(2020年6期)2020-09-10研究国内聚丙烯的生产及发展现状中国化工贸易·中旬刊(2019年10期)2019-10-21疏水膜脱除污泥渗滤液氨氮的工艺研究环境与发展(2019年5期)2019-08-06聚丙烯装置转产PPH—Y30过程优化科学与财富(2018年30期)2018-12-28低倍发泡母粒在聚丙烯中的应用研究科技创新导报(2017年9期)2017-08-02X—荧光光谱法测定聚丙烯灰分含量的研究科技创新与应用(2016年36期)2017-02-21独山子聚丙烯新产品试产成功当代化工(2016年8期)2016-07-10聚丙烯在水处理中的应用与改性研究综述安徽农学通报(2015年10期)2015-06-15国内外聚丙烯纤维技术与装备的开发与应用进展纺织导报(2014年3期)2014-05-06聚丙烯的性能和市场发展前景科技致富向导(2013年3期)2013-04-15

相关热词搜索： 碳纤维 聚丙烯 板材