1.介紹

碳纖維預浸料被廣泛用于制造各種航空結構及非結構組件。在模具中固化預浸料后，通常通過裁剪來使組件成型。由于飛機表面積巨大并且每個組件中都使用的多層預浸料，大量的碳纖維預浸料因此被丟棄。而碳纖維的獨特特性使得這些廢料具有很高的價值，需要對其進行有效回收。

在本次實驗中，先將固化的廢碳纖維預浸料進行粉碎處理，這些切碎的碳纖維將用于新型復合材料開發。復合材料中使用的基體材料選用從舊外科口罩中回收的聚丙烯，這凸顯了所開發復合材料的可持續性。為了提升纖維-基體界面的質量并增強復合材料的抗沖擊性能，實驗少量添加了酸酐接枝聚丙烯（凡事邦Fusabond）。從機械表征來看，填料之間有協同效應。而且，含有碳纖維和凡事邦的組合物比純基體具有更好的抗沖擊性。此外，纖維橋接、纖維拔出和基體塑性變形等不同的機械作用增加了基體的斷裂韌性，這一點可以通過電子顯微鏡掃描斷口得到確認。通過動態力學分析后，熱力學性能表征表明了碳纖維提高了純基體的玻璃轉化溫度。通過最優化研究得出的最理想的復合組成，這樣開發出來的材料擬用于汽車工業生產的內擋泥板襯里中。

2.1材料

在這項研究中使用的基體材料是來自一次性口罩的回收聚丙烯，由土耳其的Ersem Plastik?公司提供。在之前的研究中已經詳細描述了從一次性口罩中獲取rPP顆粒的過程。顆粒的平均粒徑被確定為四到五毫米之間。根據制造商提供的說明，rPP具有以下特性：密度為0.99 g/cm3；熔點為130℃。此外，rPP的制造商還對顆粒的熔體流動指數（MFI）進行了評估。該測試按照BS EN ISO 1133-1:2011標準執行，使用的材料質量為2.16公斤，溫度為230℃。測量的MFI值為37.6 g/m。

使用的增強材料是Kordsa? AR-MGBF-0310，這是一種碳纖維預浸料，固化成單層薄板之后被切割成平均長度為1-3毫米的短碳纖維（如圖1所示）。此外，值得注意的是，每根纖維的初始直徑為6微米。然而，在切割固化薄板之后，能夠觀察到某些纖維聚集在了一起，平均束直徑可達到181±30微米。

這項工作的主要目標之一是制定在經濟上切實可行的復合材料。為了實現這一目標，選擇了擠壓做為制造方法，并使用雙螺桿擠壓機以確保添加物可以均勻分布。使用的擠壓機為一臺直徑為25毫米、長徑比為32的雙螺桿擠出機（MimTek?）。擠壓機的溫度從進料口到出料口按順序系統地調整，相應的調整溫度分別為155°C、160°C、165°C和170°C。在冷卻儲槽中凝固后，連續的纖維通過旋轉切割器切割為顆粒。

當碳纖維含量在30 wt%以內時，制造過程中并沒有出現問題。然而，當進行超過30%的碳纖維含量的擠壓研究時，擠壓機出現了堵塞。此外，當暴露于高含量的碳纖維（大于30 wt%）時，從擠出機輸出的熔融聚合物顯示出過度的脆性。另外，熔體流動指數（MFI）是確定雙螺桿擠壓可行性的一個標準。對于聚丙烯與碳纖維碎粒的混合物，標準的MFI建議值為10–30 MFI。然而，這可能會根據纖維含量、纖維長度和所需最終產品的質量而有所不同。混合物中碳纖維碎粒的含量會影響材料的粘度，為了獲得最佳的加工性能，較高的纖維含量通常也需要較高的MFI值。而且較長的碳纖維碎粒對粘度的影響可能比較短的纖維更大。

該研究專注于調查增強材料及其組成對機械特性的影響。為此目的所確定的復合材料組成如表1所示。在表1中，rPP用作對照案例，“P”字母代表rPP基體，而“E”字母表示用于復合材料制造的表面改性劑Fusabond E216。“C”代表碳纖維碎粒。對于增強材料和表面改性劑，緊接所述字母后的數字顯示了復合物組中使用的改性劑或增強材料的重量百分比。所有復合材料組都使用rPP作為基體材料。

采用擠壓方法制備復合化合物，然后通過注射成型生產測試樣品。這里使用的是Engel, SpexVictory 80型注射機，這臺機器是遵循的ISO 294標準，使用的是500 kN的閉合壓力。加熱區和噴嘴區域的溫度設定為190–200–210–220°C，注射壓力設定為80 bar。模具表面的溫度已調整至25°C。圖2展示了用于機械表征的測試樣品及其尺寸。

密度最初是通過比重計測量的，復合材料的硬度是通過Shore D硬度測試儀評估的。機械特性隨后通過拉伸、夏比沖擊和斷裂韌性測試進行表征。拉伸測試是使用Shimadzu AG-x 50 kN測試設備按照ISO 527標準進行的，橫梁速度為5 mm/min。夏比測試是在有缺口的試樣上使用Devotrans夏比測試儀按照ISO 179標準進行的。斷裂韌性測試是依據ASTM D5045標準，在單邊階型梁（SENB）試樣上使用與拉伸測試相同的測試儀進行的。所有試樣組在沒有觀察到任何無彈性或塑性變形的跡象的情況下都表現出了脆性破壞。斷裂韌性是通過等式（1）和（2）確定的。

SENB試樣通過測試來確定KIc，即模式I斷裂韌性。KIc是通過等式（1）計算的：

“a”代表總切口長度，“B”表示樣本的厚度，“W”代表寬度，而“F”表示從載荷-伸長軌跡中得到的最大力。方程(2)將幾何校正系數f(x)表達如下：

根據力學表征來看，使用Tescan Vega 3電子顯微鏡對失效的樣本進行了SEM斷面分析。在力學測試之后，使用TA公司的動態機械熱分析儀Q800系統對制造復合材料的熱機械特性，儲能模數（E'），損耗模數（E"），和機械損耗角度（tan δ）進行了評估。

這些發現是在頻率為1 Hz，拉力為0.1%，加熱速率為1°C/min的雙懸臂彎曲模式下獲得的。這個模式的整個過程溫度范圍為20°C至120°C。被檢查的樣本具有以下尺寸：寬度13 mm，長度35 mm，厚度1.53 mm。

為了調查碳纖維碎粒和凡事邦（Fusabond）混合加在純基體中的影響，本次研究設計了多種復合組合物，并進行了實驗表征。拉伸測試表明，添加30 wt%的碳纖維使彈性模數增加了400%，拉伸強度增加了30%。相比之下，碳纖維使復合材料變得更脆，而凡是幫（Fusabond）在混合組合物中減輕了這種影響。此外，填充劑在機械性能上表現出協同效應，這可能歸因于界面質量的改善。混合了20 wt%的碳纖維使復合材料的能量吸收能力翻倍，在加入3 wt%的凡是幫（Fusabond）后能量吸收能力又增強了40%。碳纖維的添加使斷裂韌性比純基體提高了高達16%，而凡是幫（Fusabond）使其降低了15%-18%。通過分析電子顯微鏡掃描分析顯示，增韌機制包括纖維橋接、纖維拔出和基體的局部塑性變形。 DMA的發現表明，向純基體中添加碳纖維會導致其玻璃化轉變溫度顯著增加。根據具體的組合物的不同，溫度范圍是從12°C到16°C。這反過來也擴大了復合材料潛在應用的范圍。

最優化研究產生了兩種組合物，其包含物的質量和單價數據用來計算乘車內部擋泥板的大致材料成本。結果表明這對于指定的應用程序來說似乎是令人鼓舞的。這項調查是在實驗室規模內進行的，實驗結果中的一些變化可能是由于制造程序造成的。使用更復雜的工業規模制造技術可以解決這些差異并增加項目的工業價值。

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