将废弃的碳纤维预浸料转化为可持续复合材料：在汽车工业部件中的应用

1.介绍

碳纤维预浸料被广泛用于制造各种航空结构及非结构组件。在模具中固化预浸料后，通常通过裁剪来使组件成型。由于飞机表面积巨大并且每个组件中都使用的多层预浸料，大量的碳纤维预浸料因此被丢弃。而碳纤维的独特特性使得这些废料具有很高的价值，需要对其进行有效回收。

在本次实验中，先将固化的废碳纤维预浸料进行粉碎处理，这些切碎的碳纤维将用于新型复合材料开发。复合材料中使用的基体材料选用从旧外科口罩中回收的聚丙烯，这凸显了所开发复合材料的可持续性。为了提升纤维-基体界面的质量并增强复合材料的抗冲击性能，实验少量添加了酸酐接枝聚丙烯（凡事邦Fusabond）。从机械表征来看，填料之间有协同效应。而且，含有碳纤维和凡事邦的组合物比纯基体具有更好的抗冲击性。此外，纤维桥接、纤维拔出和基体塑性变形等不同的机械作用增加了基体的断裂韧性，这一点可以通过电子显微镜扫描断口得到确认。通过动态力学分析后，热力学性能表征表明了碳纤维提高了纯基体的玻璃转化温度。通过最优化研究得出的最理想的复合组成，这样开发出来的材料拟用于汽车工业生产的内挡泥板衬里中。

2.1材料

在这项研究中使用的基体材料是来自一次性口罩的回收聚丙烯，由土耳其的Ersem Plastik®公司提供。在之前的研究中已经详细描述了从一次性口罩中获取rPP颗粒的过程。颗粒的平均粒径被确定为四到五毫米之间。根据制造商提供的说明，rPP具有以下特性：密度为0.99 g/cm3；熔点为130℃。此外，rPP的制造商还对颗粒的熔体流动指数（MFI）进行了评估。该测试按照BS EN ISO 1133-1:2011标准执行，使用的材料质量为2.16公斤，温度为230℃。测量的MFI值为37.6 g/m。

使用的增强材料是Kordsa® AR-MGBF-0310，这是一种碳纤维预浸料，固化成单层薄板之后被切割成平均长度为1-3毫米的短碳纤维（如图1所示）。此外，值得注意的是，每根纤维的初始直径为6微米。然而，在切割固化薄板之后，能够观察到某些纤维聚集在了一起，平均束直径可达到181±30微米。

这项工作的主要目标之一是制定在经济上切实可行的复合材料。为了实现这一目标，选择了挤压做为制造方法，并使用双螺杆挤压机以确保添加物可以均匀分布。使用的挤压机为一台直径为25毫米、长径比为32的双螺杆挤出机（MimTek®）。挤压机的温度从进料口到出料口按顺序系统地调整，相应的调整温度分别为155°C、160°C、165°C和170°C。在冷却储槽中凝固后，连续的纤维通过旋转切割器切割为颗粒。

当碳纤维含量在30 wt%以内时，制造过程中并没有出现问题。然而，当进行超过30%的碳纤维含量的挤压研究时，挤压机出现了堵塞。此外，当暴露于高含量的碳纤维（大于30 wt%）时，从挤出机输出的熔融聚合物显示出过度的脆性。另外，熔体流动指数（MFI）是确定双螺杆挤压可行性的一个标准。对于聚丙烯与碳纤维碎粒的混合物，标准的MFI建议值为10–30 MFI。然而，这可能会根据纤维含量、纤维长度和所需最终产品的质量而有所不同。混合物中碳纤维碎粒的含量会影响材料的粘度，为了获得最佳的加工性能，较高的纤维含量通常也需要较高的MFI值。而且较长的碳纤维碎粒对粘度的影响可能比较短的纤维更大。

该研究专注于调查增强材料及其组成对机械特性的影响。为此目的所确定的复合材料组成如表1所示。在表1中，rPP用作对照案例，“P”字母代表rPP基体，而“E”字母表示用于复合材料制造的表面改性剂Fusabond E216。“C”代表碳纤维碎粒。对于增强材料和表面改性剂，紧接所述字母后的数字显示了复合物组中使用的改性剂或增强材料的重量百分比。所有复合材料组都使用rPP作为基体材料。

采用挤压方法制备复合化合物，然后通过注射成型生产测试样品。这里使用的是Engel, SpexVictory 80型注射机，这台机器是遵循的ISO 294标准，使用的是500 kN的闭合压力。加热区和喷嘴区域的温度设定为190–200–210–220°C，注射压力设定为80 bar。模具表面的温度已调整至25°C。图2展示了用于机械表征的测试样品及其尺寸。

密度最初是通过比重计测量的，复合材料的硬度是通过Shore D硬度测试仪评估的。机械特性随后通过拉伸、夏比冲击和断裂韧性测试进行表征。拉伸测试是使用Shimadzu AG-x 50 kN测试设备按照ISO 527标准进行的，横梁速度为5 mm/min。夏比测试是在有缺口的试样上使用Devotrans夏比测试仪按照ISO 179标准进行的。断裂韧性测试是依据ASTM D5045标准，在单边阶型梁（SENB）试样上使用与拉伸测试相同的测试仪进行的。所有试样组在没有观察到任何无弹性或塑性变形的迹象的情况下都表现出了脆性破坏。断裂韧性是通过等式（1）和（2）确定的。

SENB试样通过测试来确定KIc，即模式I断裂韧性。KIc是通过等式（1）计算的：

“a”代表总切口长度，“B”表示样本的厚度，“W”代表宽度，而“F”表示从载荷-伸长轨迹中得到的最大力。方程(2)将几何校正系数f(x)表达如下：

根据力学表征来看，使用Tescan Vega 3电子显微镜对失效的样本进行了SEM断面分析。在力学测试之后，使用TA公司的动态机械热分析仪Q800系统对制造复合材料的热机械特性，储能模数（E'），损耗模数（E"），和机械损耗角度（tan δ）进行了评估。

这些发现是在频率为1 Hz，拉力为0.1%，加热速率为1°C/min的双悬臂弯曲模式下获得的。这个模式的整个过程温度范围为20°C至120°C。被检查的样本具有以下尺寸：宽度13 mm，长度35 mm，厚度1.53 mm。

为了调查碳纤维碎粒和凡事邦（Fusabond）混合加在纯基体中的影响，本次研究设计了多种复合组合物，并进行了实验表征。拉伸测试表明，添加30 wt%的碳纤维使弹性模数增加了400%，拉伸强度增加了30%。相比之下，碳纤维使复合材料变得更脆，而凡是帮（Fusabond）在混合组合物中减轻了这种影响。此外，填充剂在机械性能上表现出协同效应，这可能归因于界面质量的改善。混合了20 wt%的碳纤维使复合材料的能量吸收能力翻倍，在加入3 wt%的凡是帮（Fusabond）后能量吸收能力又增强了40%。碳纤维的添加使断裂韧性比纯基体提高了高达16%，而凡是帮（Fusabond）使其降低了15%-18%。通过分析电子显微镜扫描分析显示，增韧机制包括纤维桥接、纤维拔出和基体的局部塑性变形。 DMA的发现表明，向纯基体中添加碳纤维会导致其玻璃化转变温度显著增加。根据具体的组合物的不同，温度范围是从12°C到16°C。这反过来也扩大了复合材料潜在应用的范围。

最优化研究产生了两种组合物，其包含物的质量和单价数据用来计算乘车内部挡泥板的大致材料成本。结果表明这对于指定的应用程序来说似乎是令人鼓舞的。这项调查是在实验室规模内进行的，实验结果中的一些变化可能是由于制造程序造成的。使用更复杂的工业规模制造技术可以解决这些差异并增加项目的工业价值。

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