80电影天堂网,少妇高潮一区二区三区99,jαpαnesehd熟女熟妇伦,无码人妻精品一区二区蜜桃网站

  自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(SPC)，其增強(qiáng)體和基體來自于同一聚合物或同一聚合物類型，又稱“單聚合物復(fù)合材料”、“同型復(fù)合材料”或“全聚合物復(fù)合材料”。由于SPC的基體和增強(qiáng)體之間具有較強(qiáng)的附著力、重量輕、循環(huán)利用率高的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車、運(yùn)動(dòng)休閑、工業(yè)包層、建筑等行業(yè)。SPC的機(jī)械性能通常受到加工溫度和纖維組分的限制。纖維在較高的溫度下容易熔化，而較低的溫度會(huì)導(dǎo)致纖維/基體界面的弱附著力。加入納米顆粒來提高SPC的性能已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的一個(gè)問題。石墨烯由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，具有較高的楊氏模量(~1100 GPa)、較高的斷裂強(qiáng)度(~125 GPa)以及優(yōu)異的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)。有研究表明，加入少量石墨烯可以顯著改善聚合物的性能，尤其是力學(xué)性能。

  研究團(tuán)隊(duì)將少量的石墨烯納米片（GNP）加入到聚丙烯（PP）中共混造粒制得PP/GNP粒料，經(jīng)擠出機(jī)熔融紡絲制成PP/GNP纖維，再采用薄膜堆積法制備具有增強(qiáng)力學(xué)性能的聚丙烯/石墨烯自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（PP/GNP SPC）（圖1（a））。研究團(tuán)隊(duì)分別研究了不同的熔體紡絲溫度（180、190、200、210、220、230℃）、不同輥速（80、120、160、200r/min）和不同的石墨烯濃度（0.01、0.02、0.05、0.1wt%）對(duì)于復(fù)合材料性能的影響。通過DSC、WAXD、拉伸試驗(yàn)、剝離試驗(yàn)、光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)制備的樣品進(jìn)行了熱性能、力學(xué)性能和形貌表征。將SPC的薄膜疊加技術(shù)與石墨烯納米技術(shù)相結(jié)合，顯著提高了石墨烯的力學(xué)性能。在0.062 wt% GNP的情況下，聚丙烯SPC的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和界面強(qiáng)度分別提高了117、116和116%。

圖 1 PP/GNP SPC的制備過程示意圖(a)和在此過程中材料的形態(tài)轉(zhuǎn)變(b)。

形態(tài)學(xué)分析

  圖2表明纖維直徑隨紡絲溫度和紡絲速度的增加而減小。圖3 (a)為不同壓實(shí)溫度下制備的PP SPC。可以觀察到纖維在聚丙烯SPC中的取向。在壓實(shí)溫度為155℃時(shí)，纖維間界面明顯，說明界面粘結(jié)性較差。在較高的壓實(shí)溫度下制備的聚丙烯SPC界面更加模糊。170℃時(shí)界面不清晰，說明熔化的纖維較多。圖3 (b)顯示了不同石墨烯濃度的PP/GNP SPC。石墨烯濃度的增加影響了樣品的透明度，隨著石墨烯濃度的增加，樣品中能看到更多的GNP，并且分散良好。圖4 (a)顯示了PP/0.031 wt% GNP SPC的拉伸斷口截面。部分纖維表層被破壞，發(fā)生微纖顫。可見纖維與基體之間存在一定的脫粘界面，說明拉伸試驗(yàn)中應(yīng)力通過基體界面?zhèn)鬟f到纖維中。圖4 (b)和(c)分別為PP/0.006 wt% GNP SPC和PP/0.031 wt% GNP SPC在剝離試驗(yàn)后的斷裂截面。低倍鏡圖像中撕裂面纖維取向明顯，但也能看到纏繞纖維。纖維的纏繞布局降低了纖維的抗拉能力，影響了基體的穿透。纖維表面有大量的基體顆粒附著，表明纖維與基體之間具有良好的界面附著力。纖維之間存在一些較大的基體顆粒，表明基體在薄膜堆積過程中浸漬了纖維絲。部分纖維變形并發(fā)生一定程度的微纖顫，進(jìn)一步說明界面性能良好。在一些高倍的圖像中，可以明顯觀察到GNP。在纖維表面出現(xiàn)了GNP，說明在疊膜過程中，纖維間的界面發(fā)生了部分熔融，由于熱和力的傳遞，一些GNP移到了界面上。

圖 2 不同工藝條件下制備的PP/GNP纖維的光學(xué)顯微鏡圖像:輥速(a)、紡絲溫度(b)和石墨烯濃度(c)。

圖 3不同壓實(shí)溫度下制備的PP SPC (a)和石墨烯濃度不同的PP/GNP SPC (b)的光學(xué)顯微鏡圖像。

圖 4 PP/GNP SPC的掃描電子顯微鏡圖像:PP/0.031 wt% GNP SPC (a)的拉伸斷口，PP/0.006 wt% GNP SPC (b)的剝離斷口，以及PP/0.031 wt% GNP SPC (c)的剝離斷口

差示掃描量熱（DSC）分析

  圖5為PP基體、PP纖維和PP/GNP纖維的DSC熱圖。每個(gè)樣品只有一個(gè)熔峰，說明只有晶體的結(jié)構(gòu)存在。隨著石墨烯濃度的增加，PP/GNP纖維的熔點(diǎn)相比純PP纖維略有升高，PP/ GNP纖維的結(jié)晶度增加。在SPC堆膜過程中，壓實(shí)溫度使聚合物基體與增強(qiáng)纖維部分熔化，使基體與增強(qiáng)纖維有機(jī)結(jié)合，這對(duì)SPC的制備至關(guān)重要。PP基體在157℃開始熔化，在169℃完全熔化�；w的熔點(diǎn)為164.7℃。而PP纖維在159℃開始熔化，172℃完全熔化，熔點(diǎn)為167℃。因此，壓實(shí)溫度選擇為155 ~ 170℃。

圖 5 PP基體、PP纖維和PP/GNP纖維的DSC熱像圖

廣角x射線衍射分析（WAXD）分析

  純PP基體、純PP纖維、PP/0.05 wt% GNP纖維、PP SPC和PP/0.031 wt% GNP SPC的WAXD圖如圖6所示。PP基體的衍射峰分別為14.1°、16.9°、18.6°、22.1°、21.8°、25.5°和28.8°。

圖 6 PP基體、PPfiber、PP/0.05 wt% GNPfiber、PP SPC和PP/0.031 wt% GNP SPC的WAXD模式。

拉伸測(cè)試

  圖7為不同工藝條件下PP/GNP纖維的拉伸性能。當(dāng)紡絲溫度為210℃，輥速為120r/min時(shí)，PP/0.02 wt% GNP纖維的拉伸強(qiáng)度和模量可以得到最大值。隨著石墨烯含量的增加，拉伸強(qiáng)度和模量增加，斷裂伸長(zhǎng)率降低。

圖 7 不同工藝條件下PP/GNP纖維的拉伸性能:輥速(a)、熔體紡絲溫度(b)、石墨烯含量(c)。

  圖8 (a)說明了壓實(shí)溫度對(duì)PP SPC拉伸性能的影響。聚丙烯SPC的拉伸強(qiáng)度和模量隨著溫度的增加先升高后降低。根據(jù)PP基體和纖維的初始熔融溫度(157℃和159℃)，在160℃的壓實(shí)溫度下，PP基體和纖維進(jìn)行了部分熔融。隨著熔點(diǎn)的接近，大分子會(huì)移動(dòng)，聚合物鏈會(huì)重新排列。部分熔融的材料再結(jié)晶將組織結(jié)合在一起并填充間隙空隙，從而提高力學(xué)性能。PP SPC的最大抗拉強(qiáng)度和模量分別是純PP的1.47倍和1.80倍左右。圖8 (b)顯示了壓實(shí)時(shí)間對(duì)PP SPC拉伸性能的影響。壓實(shí)溫度為160℃，壓實(shí)時(shí)間為110 s時(shí)，PP SPC的抗拉強(qiáng)度和模量最高。

圖 8 不同壓實(shí)溫度(a)和壓實(shí)時(shí)間(b)下PP SPC的拉伸性能

  圖9顯示了PP/GNP薄膜和PP/GNP SPC的拉伸性能。隨著石墨烯濃度的增加，拉伸強(qiáng)度和模量增加，斷裂伸長(zhǎng)率降低。拉伸強(qiáng)度和模量均沒有下降，表明GNP分布均勻。加入0.1% wt% GNP后，PP/GNP薄膜的抗拉強(qiáng)度提高了25.9%。這表明石墨烯具有較高的固有力學(xué)特性。與純PP相比，在PP SPC中加入GNP的0.062 wt%，拉伸強(qiáng)度和模量分別提高了117%和116%。與不含GNP的PP SPC相比，拉伸強(qiáng)度提高了42%。這表明了石墨烯的加入對(duì)提高機(jī)械性能的重要性。拉伸強(qiáng)度的提高是由于石墨烯具有較大的縱橫比和較高的內(nèi)在力學(xué)特性，以及PP與石墨烯之間相對(duì)較強(qiáng)的界面相互作用。此外，與PP/0.1 wt% GNP薄膜相比，PP/0.062 wt% GNP SPC的抗拉強(qiáng)度提高了73%。結(jié)果表明，通過紡絲和膜層疊加法制備的SPC具有良好的結(jié)合性能，進(jìn)一步提高了PP/GNP復(fù)合材料的強(qiáng)度。PP/GNP薄膜的拉伸模量隨著石墨烯含量的增加而增加，但并不比PP/GNP薄膜的拉伸模量高很多。其主要原因是薄膜的厚度依賴性。PP/GNP薄膜的平均厚度為0.1365 mm，而PP/GNP SPC薄膜的平均厚度為0.3614 mm。拉伸試驗(yàn)中聚合物的彈性模量隨著試樣厚度的增大而減小，與PP/GNP薄膜相比，PP/GNP薄膜的斷裂伸長(zhǎng)率要低得多，如圖9 (c)所示，表明了厚度的顯著影響。

圖 9 不同石墨烯含量的PP/GNP薄膜和PP/GNP SPC的拉伸性能:拉伸強(qiáng)度(a)、拉伸模量(b)和斷裂伸長(zhǎng)率(c)

界面性能分析

  為了清楚了解石墨烯改善PP SPC界面性能的機(jī)理，通過測(cè)量剝離力來評(píng)估界面附著力。圖10顯示了不同石墨烯含量的PP/GNP SPC的剝離力隨剝離位移的曲線。0.006 wt% GNP的加入并沒有顯著提高界面強(qiáng)度。隨著石墨烯含量的增加，剝離力增大。當(dāng)石墨烯含量增加到0.062 wt%時(shí)，平均剝離力為32.4 N，顯著高于不添加GNP的PP SPC的平均剝離力15 N。界面強(qiáng)度提高了116%。這表明石墨烯的存在有效地增強(qiáng)了界面性能。此外，石墨烯含量越高，剝離失效時(shí)的位移越短。這表明，由于PP/GNP SPC的界面性能得到了進(jìn)一步的提高，剝離失效較早。

圖 10不同石墨烯含量的PP/GNP SPC，剝離力與剝離位移的函數(shù)曲線

  通過以上實(shí)驗(yàn)都說明了石墨烯對(duì)于聚丙烯自增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能有明顯的提升效果。與碳納米管等納米增強(qiáng)材料相比，石墨烯更便宜，而且該技術(shù)需要的石墨烯含量很少。隨著航空航天、交通運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)休閑等多個(gè)領(lǐng)域制品對(duì)輕量化的迫切需求，該成果都有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

  以上研究成果以《The incorporation of graphene to enhance mechanical properties of polypropylene self-reinforced polymer composites》為題在材料領(lǐng)域權(quán)威期刊Materials and Design（2020, 195, 109073. IF:6.289）上發(fā)表。該論文第一作者和通訊作者為北京化工大學(xué)王建教授。

  論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109073