聚丙烯(PP)相比其他热塑性塑料具有优良的热稳定性[1-2]、耐化学性、力学性能及可回收利用等优点，但由于PP模量和强度较低，作为工程塑料应用受较大限制，需要对PP进行复合改性。在PP中添加碳纤维(CF)可以有效改善PP的力学性能，并且不会使复合材料的密度明显增大[3]，因此，CF增强PP可以满足多数工业应用性能和质量要求。市售CF表面含有环氧树脂上浆剂，以保护CF表面不受损伤，能够与其他极性材料更好浸润。但是PP作为一种非极性材料，与环氧树脂结合力较差，影响复合材料的力学性能，而采用马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)作为相容剂，可以提高复合材料的相容性[4]。Tian等[5]以PP-g-MAH为增容剂，通过熔融加工制备不同CF含量的增强PP复合材料，研究复合材料的力学性能和结晶行为。结果表明：当CF含量增加至20%，复合材料的拉伸强度和弯曲强度显著提高。戈翔等[4]研究PP-g-MAH的质量分数对PP/CF/PP-g-MAH复合材料的流变行为及力学性能的影响。结果表明：复合材料的力学性能随PP-g-MAH的增加而增强。本实验对比研究两种品牌有、无上浆剂的T700级短切CF对PP/CF复合材料界面性能、结晶行为以及力学性能的影响，探究采用PP-g-MAH作为相容剂对两种PP/CF复合材料相界面的改善作用。1实验部分1.1主要原料聚丙烯(PP)，PPH-FC03，中国石化中原石油化工有限责任公司；碳纤维(CF)，T700级，中复神鹰碳纤维股份有限公司(ZFSY)、东丽集团有限公司(TORAY)；马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)，FH118，宁波能之光新材料科技有限公司。1.2仪器与设备双螺杆挤出机，WLG10，上海新硕精密机械有限公司；平板硫化仪，型号400×400×2，青岛亚东橡胶有限公司；差示扫描量热仪(DSC)，Q200，美国TA公司；高低真空扫描电镜(SEM)，JSM-6360LV，日本电子株式会社；冲击试验机，GT-7045-MD，松恕检测仪器有限公司；电子万能试验机，3365，美国英斯特朗公司；X射线衍射仪(XRD)，Bruker D8 advance，布鲁克科技有限公司。1.3样品制备表1为PP/CF和PP/CF/PP-g-MAH复合材料配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.T001表1PP/CF和PP/CF/PP-g-MAH复合材料配方Tab.1Formula of PP/CF and PP/CF/PP-g-MAH composites样品PPCFPP-g-MAHZ-0Z-1T-0T-1PP/Z-0 CF（80/20）80200000PP/Z-1 CF（80/20）80020000PP/T-0 CF（80/20）80002000PP/T-1 CF（80/20）80000200PP/Z-0 CF/PP-g-MAH（75/20/5）75200005PP/Z-1 CF/PP-g-MAH（75/20/5）75020005PP/T-0 CF/PP-g-MAH（75/20/5）75002005PP/T-1 CF/PP-g-MAH（75/20/5）75000205%%中复神鹰无上浆碳纤维为Z-0 CF，上浆碳纤维为Z-1 CF；东丽无上浆碳纤维为T-0 CF，上浆碳纤维为T-1 CF。CF质量分数为20%，按表1配方与PP和PP-g-MAH混合均匀，制备PP/CF和PP/CF/PP-g-MAH复合材料。采用双螺杆挤出机挤出造粒，挤出温度为190 ℃、螺杆转速为50 r/min，将制成的粒料预先称重，均匀置于模具，经平板硫化机在190 ℃、10 MPa下熔融压制300 s，在不释放压力的情况下冷却至室温，制备哑铃型标准测试样条。1.4性能测试与表征DSC分析：取6~8 mg试样，N2气氛，以40 ℃/min速率升温至200 ℃，消除热历史，保温5 min，以10 ℃/min的速率降温至20 ℃，保温1 min，再以10 ℃/min速率升温至200 ℃。结晶度的计算公式为[6]：Xc=ΔHmΔHm0⋅W×100%（1）式（1）中：Xc为聚合物的结晶度，%；ΔHm为熔融焓，J/g；ΔHm0为PP完全结晶的熔融焓，取值为207 J/g；W为聚合物中PP的质量分数，%。XRD测试：电压40 kV、电流40 mA，扫描范围10°~80°，扫描速度为2 (°)/min。SEM测试：断面处喷金处理，观察复合材料的拉伸断面形貌。拉伸性能测试：按GB/T 1040.3—2006进行测试，拉伸速率为1 mm/min。冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试，冲击能量为5.5 J。邵氏硬度测试：按GB/T 2411—2008进行测试，采用硬度计测定压痕硬度。2结果与讨论2.1DSC分析图1为PP及PP/CF复合材料的降温和二次升温曲线。图1PP和PP/CF 复合材料的DSC曲线Fig.1DSC curves of PP and PP/CF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F1a1（a）降温曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F1a2（b）二次升温曲线从图1a可以看出，PP/CF复合材料均存在结晶峰，与纯PP相比，四种PP/CF复合材料的结晶峰均向高温方向移动，这是因为短切CF能够作为PP的异相成核剂[4]，促进复合材料在较高温度下结晶。PP/Z-0 CF(80/20)与PP/Z-1 CF(80/20)、PP/T-0 CF(80/20)与PP/T-1 CF(80/20)的结晶峰温度差异均不明显，说明上浆剂对PP结晶温度的影响不明显。从图1b可以看出，添加不同CF的复合材料的熔融峰与纯PP的熔融峰位置接近，说明CF对PP基体的晶体尺寸影响不明显。表2为PP和PP/CF复合材料的DSC数据。从表2可以看出，PP/Z-0 CF(80/20)、PP/Z-1 CF(80/20)、PP/T-0 CF(80/20)及PP/T-1 CF(80/20)复合材料的结晶度从纯PP的44%分别下降至40%、39%、40%及43%，这是由于材料中CF相进入PP相，对PP相的结晶起阻碍作用。PP/Z-1 CF(80/20)复合材料结晶度下降程度最大，这是因为中复神鹰上浆剂与PP基体相容性较好。PP/T-1 CF(80/20)的结晶度略微降低，说明东丽上浆剂与PP的相容性不佳。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.T002表2PP和PP/CF复合材料的DSC数据Tab.2DSC data of PP and PP/CF composites样品结晶度/%结晶温度/℃熔融温度/℃PP44117.06167.39PP/Z-0 CF（80/20）40122.80167.01PP/Z-1 CF（80/20）39122.58167.51PP/T-0 CF（80/20）40121.92167.57PP/T-1 CF（80/20）43122.23168.02图2为PP和PP/CF/PP-g-MAH复合材料的降温和二次升温曲线。图2PP和PP/CF/PP-g-MAH 复合材料的DSC曲线Fig.2DSC curves of PP and PP/CF/PP-g-MAH composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F2a1（a）降温曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F2a2（b）二次升温曲线从图2a可以看出，四种PP/CF/PP-g-MAH复合材料的结晶温度均高于纯PP的结晶温度，说明CF在PP基体中起异相成核作用。PP/Z-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料结晶温度明显降低，且结晶峰变宽，说明部分PP基体的结晶能力降低，表明PP-g-MAH与中复神鹰上浆剂具有良好的相容性，有利于更多CF进入PP相，阻碍PP结晶。从图2b可以看出，PP/T-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)与 PP/T-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料的熔融峰位置接近，无明显差异，说明东丽上浆剂与PP-g-MAH相容性较差，与PP/T-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料相比，PP/T-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料中CF与PP基体界面相容性升高。表3为PP和PP/CF/PP-g-MAH复合材料的DSC数据。从表3可以看出，PP/Z-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)与PP/Z-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)相比结晶度显著降低，证明改善复合材料相容性能够阻碍PP结晶。PP/T-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)与PP/T-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)相比结晶温度略高，说明其可以在更高的温度优先结晶。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.T003表3PP和PP/CF/PP-g-MAH复合材料的DSC分析数据Tab.3DSC analysis data of PP and PP/CF/PP-g-MAH composites样品结晶度/%结晶温度/℃熔融温度/℃PP44117.06167.39PP/Z-0 CF/PP-g-MAH（75/20/5）37122.28166.20PP/Z-1CF/PP-g-MAH（75/20/5）31119.98169.28PP/T-0 CF/PP-g-MAH（75/20/5）39121.06165.30PP/T-1 CF/PP-g-MAH（75/20/5）37122.41165.812.2XRD分析图3为PP/CF和PP/CF/MAH复合材料的XRD谱图。图3PP/CF和PP/CF/MAH复合材料的XRD谱图Fig.3XRD patterns of PP/CF and PP/CF/MAH composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F3a1（a）PP/CF10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F3a2（b）PP/CF/PP-g-MAH从图3可以看出，PP在2θ为14.1°、16.7°、18.3°、20.9°、21.6°、25.2°处出现α晶型强衍射峰，分别对应(110)、(040)、(130)、(111)、(041)、(060)晶面。添加CF后，复合材料在2θ为16.08°处出现β晶型的特征衍射峰，对应(300)晶面，而α晶型的特征衍射峰变弱，说明CF的加入使PP的α晶型向β晶型转变[7-8]。2.3SEM分析图4为PP/CF和PP/CF/MAH复合材料的拉伸断面SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F004图4PP/CF和PP/CF/PP-g-MAH复合材料拉伸断面的SEM照片Fig.4SEM images of tensile fracture surface of PP/CF and PP/CF/PP-g-MAH composites从图4a和图4c可以看出，PP/Z-0 CF(80/20)复合材料的CF表面光滑，与PP间存在明显缝隙，PP/Z-1 CF(80/20)复合材料与PP/Z-0 CF(80/20)复合材料形貌相似，但与PP基体的黏接略有提升，说明中复神鹰上浆剂与PP基体相容性较好。从图4e和图4g可以看出，PP/T-0 CF(80/20)复合材料与PP/T-1 CF(80/20)复合材料的CF表面光滑，与PP的界面清晰，说明东丽上浆剂与PP基体相容性较差。从图4b、图4d、图4f和图4h可以看出，添加5%的PP-g-MAH使复合材料的CF表面出现沟槽形貌[3]，纤维表面被一层树脂包覆，CF与PP基体的界面比未添加PP-g-MAH的复合材料的界面更紧密。这是因为CF表面的环氧基团与PP-g-MAH的酸酐基团发生反应，使CF与PP基体具有良好的界面相容性。从图4b与图4d可以看出，中复神鹰上浆剂与PP基体界面结合力较强，纤维与PP基体表面浸润良好，说明PP-g-MAH与中复神鹰上浆剂具有良好的相容性，符合DSC的结果。从图4f可以看出，PP/T-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料的CF表面被PP基体包裹，纤维较好嵌入PP基体，表现良好的界面相容性。从图4h可以看出，PP/T-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料中CF与PP基体之间存在间隙，这是因为PP-g-MAH与东丽上浆剂之间相容性不佳，使复合材料的界面结合性略有下降，与DSC结论相一致。复合材料良好的界面相容性使PP基体和CF之间在外力作用下发生细微应力转移，提高其力学性能。因此，CF从PP基体拔出过程决定复合材料的力学性能。2.4力学性能分析图5为PP/CF和PP/CF/MAH复合材料的力学性能。图5PP/CF和PP/CF/MAH复合材料的力学性能Fig.5Mechanical properties of PP/CF and PP/CF/MAH composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F5a1（a）拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F5a2（b）冲击强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.10.007.F5a3（c）邵氏硬度从图5a可以看出，无上浆复合材料与上浆复合材料相比拉伸强度未发生明显变化，这是因为CF表面的环氧树脂上浆剂为极性材料[9]与PP的相容性较差，对复合材料的拉伸强度无明显提升。而PP/Z-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)、PP/Z-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)、PP/T-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)和PP/T-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料的拉伸强度分别为27.6、27.2、26.1、25.3 MPa，与PP/Z-0 CF(80/20)、PP/Z-1 CF(80/20)、PP/T-0 CF(80/20)、PP/T-1 CF(80/20)复合材料相比，拉伸强度分别提高约28%、31%、26%和19%。这是因为添加PP-g-MAH使复合材料具有更好的相容性和相界面，提高复合材料的力学性能。从图5b可以看出，CF的添加使PP/CF复合材料的冲击强度下降。这是因为CF使PP的刚性增强，但未上浆的CF表面光滑，与纯PP的界面性能较差，受外力作用时易从PP中拔出。PP/Z-1 CF(80/20)和PP/T-1 CF(80/20)复合材料的冲击强度分别为6.1 kJ/m2和6.0 kJ/m2，较PP/Z-0 CF(80/20)和PP/T-0 CF(80/20)复合材料的冲击强度分别提升13%和18%。这是因为环氧树脂在CF表面形成保护层[10]，加固相邻CF的交叉位点，有效提高复合材料的冲击强度。添加PP-g-MAH后，四种复合材料的冲击强度显著提高，PP/Z-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)、PP/Z-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)、PP/T-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)和PP/T-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料的冲击强度分别为8.8、11、10、9.8 kJ/m2，较PP/Z-0 CF(80/20)、PP/Z-1 CF(80/20)、PP/T-0 CF(80/20)和PP/T-1 CF(80/20)复合材料的冲击强度分别提升63%、80%、96%和63%。这是因为PP-g-MAH显著提高PP与CF之间的界面结合力。PP/Z-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料的冲击强度较PP/Z-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料提升25%，这表明PP-g-MAH与中复神鹰上浆剂具有良好的相容性。上浆剂有效提升PP与CF之间的相容性与相界面，提高复合材料的冲击强度。而PP/T-1 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料与PP/T-0 CF/PP-g-MAH(75/20/5)复合材料相比冲击强度下降2%，这说明东丽上浆剂与PP-g-MAH的相容性较差，对复合材料界面结合力作用有限，界面结合不佳，导致复合材料的冲击强度下降。从图5c可以看出，PP/CF复合材料的邵氏硬度比纯PP略微上升，各复合材料差异不明显，PP-g-MAH与上浆剂对硬度的影响不明显。3结论（1）中复神鹰上浆剂与PP基体相容性较好，使复合材料的结晶度明显下降，而东丽上浆剂与PP基体相容性不佳，使复合材料结晶度仅略微下降。CF上浆剂对复合材料结晶能力具有一定影响。中复神鹰上浆剂与PP-g-MAH相容性良好，促进纤维相进入PP基体相，阻碍结晶，使复合材料结晶度显著下降，东丽上浆剂与PP-g-MAH相容性较差，对复合材料结晶性能作用有限。（2）上浆复合材料相比无上浆复合材料的冲击强度提升约13%~18%，上浆剂改善CF与基体PP基体的界面结合力。添加PP-g-MAH的复合材料与未添加PP-g-MAH的复合材料相比拉伸强度提高约19%~31%，冲击强度提高约63%~96%，界面结合力显著提升。中复神鹰上浆复合材料相比无上浆复合材料的冲击强度提高约25%，而东丽上浆复合材料相比无上浆复合材料的拉伸强度、冲击强度均略微降低。