玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展

曾　彪，劉玉飛,,3，王　寧，王雪嬌，雷振剛，劉　渝

(1.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州凱科特材料有限公司， 貴州

貴陽 550014； 3.國家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心， 貴州 貴陽 550014)

玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展

曾彪1，劉玉飛1,2,3，王寧1，王雪嬌1，雷振剛2，劉渝2

(1.貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州凱科特材料有限公司， 貴州

貴陽 550014； 3.國家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心， 貴州 貴陽 550014)

摘要綜述了玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、長度、界面結(jié)合及加工工藝等對玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料性能的影響；展望了玻璃纖維增強聚丙烯復(fù)合材料的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞玻璃纖維； 聚丙烯； 增強； 力學(xué)性能； 界面結(jié)合

Research Progress of Mechanical Property of Glass Fiber

通訊聯(lián)系人：劉玉飛(1990—)，男，碩士，從事高性能復(fù)合材料的研究。

0前言

聚丙烯(PP)密度小，性價比高，化學(xué)穩(wěn)定性好，易于加工成型，并且可回收利用，然而PP的成型收縮率大，對缺口十分敏感，低溫易開裂，抗沖擊性能差，限制了其應(yīng)用[1]。為了改善PP的力學(xué)性能，在PP中加入玻璃纖維，制得玻璃纖維增強聚丙烯(GF/PP)復(fù)合材料。GF/PP復(fù)合材料作為一種無機(jī)填料增強的熱塑性復(fù)合材料，具有彈性模量高，力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、電性能好，還具有成型周期短、成型條件范圍寬、成本低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于高強度、耐熱、耐化學(xué)藥品等工業(yè)領(lǐng)域。GF/PP復(fù)合材料還可以代替金屬、鑄件和熱固性樹脂等，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶零部件，建筑工業(yè)、電氣設(shè)備、泵體等[2]。

按照玻璃纖維的長度，GF/PP復(fù)合材料可分為短玻璃纖維增強PP和長玻璃纖維增強PP。長玻璃纖維增強熱塑性復(fù)合材料與短玻璃纖維增強復(fù)合材料相比，長玻璃纖維增強熱塑性復(fù)合材料中玻璃纖維的長度較均勻，通常不易被破壞，熱塑性樹脂浸漬玻璃纖維也比較充分，從而其力學(xué)性能較好，優(yōu)于短玻璃纖維復(fù)合材料的[3]。近十多年，玻璃纖維增強PP的研究取得了很大進(jìn)展，但仍有許多問題亟待解決，如長玻璃纖維增強PP中，玻璃纖維在分散浸漬時損傷；長玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時，制品表面質(zhì)量差，玻璃纖維容易露出。如何控制注塑成型工藝及優(yōu)化螺桿，使玻璃纖維在制品中長度盡可能長；如何控制玻璃纖維在制品中的分布與取向等問題都有待進(jìn)一步研究[4]。

1玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與玻璃纖維的長度

短玻璃纖維增強PP中的玻璃纖維長度通常小于0.5 mm；長玻璃纖維增強PP中的玻璃纖維長度在7~10 mm。在玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低時，玻璃纖維長度基本沒有變化；在玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時，由于玻璃纖維之間的相互作用增強，使得玻璃纖維的長度下降。對于長玻璃纖維而言，隨著其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，玻璃纖維的長度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢[5]。為了使玻璃纖維在復(fù)合材料中更好地起到骨架作用，其長度必須大于臨界長度。當(dāng)玻璃纖維的長度小于臨界長度時，增強塑料受到一定的載荷，玻璃纖維就會被輕易拔出，玻璃纖維的作用得不到充分發(fā)揮[4]。臨界長度是指嵌進(jìn)樹脂基體的玻璃纖維，在拉伸載荷的作用下，能發(fā)生斷裂的最小長度。臨界長度的計算公式，如式(1)所示：

(1)

式中：L0為臨界長度；d為玻璃纖維的直徑；σfw為玻璃纖維的拉伸強度；τw為玻璃纖維/基體界面的剪切強度。玻璃纖維的長度越長，骨架作用越明顯，數(shù)量越多，增強效果也越好[6]。

陳生超 等[7]研究了玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對長玻璃纖維增強PP注塑制品性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從20%增加到30%時，玻璃纖維的平均長度從1.432 mm降低到1.326 mm，下降了7.4%；當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從30%增加到40%時，玻璃纖維的平均長度由1.326 mm降低到1.081 mm，下降了18.5 %。隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，長玻璃纖維在加工過程中受到的剪切作用增強，玻璃纖維的斷裂數(shù)目增加，使得玻璃纖維的平均長度變短。

2玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對 PP復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響

玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的拉伸性能和沖擊強度均有著很大的影響。

2.1　拉伸性能

在一定范圍內(nèi)，GF/PP復(fù)合材料的拉伸性能隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而提高；但當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時，GF/PP復(fù)合材料的拉伸性能隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而有所降低。

莊衛(wèi)國[8]研究了玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對GF/PP復(fù)合材料的拉伸性能的影響。結(jié)果表明：GF/PP復(fù)合材料的拉伸性能并非隨玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而不斷提高，而基本呈開口向下的拋物線變化，且在玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時出現(xiàn)最大值。胡帥領(lǐng) 等[9]研究了玻璃纖維增強PP的性能。結(jié)果表明：隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，GF/PP復(fù)合材料的拉伸強度逐步提高，玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時已接近工程塑料的強度和剛度。

Thomason J L[10]研究了玻璃纖維增強PP制品沿料流方向的拉伸強度與玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系：GF/PP復(fù)合材料的拉伸強度隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加而增加，達(dá)到最大值后又開始逐漸下降。當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%~50%時，GF/PP復(fù)合材料的拉伸強度達(dá)到最大值。

張寧 等[11]將PP粒料與經(jīng)過偶聯(lián)劑處理的長玻璃纖維在密煉機(jī)中密煉。性能檢測結(jié)果表明：長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的拉伸強度隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低、長度較短時，復(fù)合材料中的玻璃纖維之間的相互作用比較弱，玻璃纖維纏結(jié)的程度很低，因此，拉伸強度呈線性上升趨勢。當(dāng)玻璃纖維較長時，即使玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，纖維纏結(jié)程度也較大，導(dǎo)致玻璃纖維難以在基體中均勻分布，因此，復(fù)合材料的拉伸強度隨玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加變化較大。玻璃纖維的長度越長，越容易在加工過程中發(fā)生斷裂。這也可能是拉伸強度變化較大的另一個原因。連榮炳 等[1]通過擠出造粒、注塑成型的方法制得GF/PP復(fù)合材料，對其性能測試也得到上述結(jié)論。

潘典坤 等[2]利用自制的新型疲勞試驗裝置，對GF/PP復(fù)合材料進(jìn)行疲勞性能的研究。研究結(jié)果表明：玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的復(fù)合材料的靜態(tài)拉伸性能最好；而玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的復(fù)合材料的動態(tài)(疲勞)拉伸性能最佳。這可能是，在靜態(tài)拉伸下過多的玻璃纖維在基體中起應(yīng)力集中點的作用；而在動態(tài)拉伸下玻璃纖維承受主要載荷，且當(dāng)界面應(yīng)力大于黏結(jié)力時能有效抑制裂紋。

2.2　沖擊強度

在GF/PP復(fù)合材料中，玻璃纖維起著增強骨架結(jié)構(gòu)的作用，承擔(dān)應(yīng)力和載荷；同時玻璃纖維起成核劑作用，促進(jìn)PP結(jié)晶，在一定程度上提高復(fù)合材料的強度[5]。

張寧 等[11]研究發(fā)現(xiàn)：GF/PP復(fù)合材料的沖擊強度隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其原因是玻璃纖維在復(fù)合材料中起骨架作用，吸收主要的沖擊能量。當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，該骨架越牢固，抗沖擊性能越好。隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，其抗沖擊性能反而降低。這可能是由于玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，物料的流動性變差，在密煉過程中玻璃纖維斷裂。另一原因是玻璃纖維的長度越長越容易形成三維交錯結(jié)構(gòu)，使沖擊能量分散到較大的區(qū)域。另外，玻璃纖維端部是裂紋增長的引發(fā)點，長纖維的端點數(shù)量少，也使材料的抗沖擊性能進(jìn)一步增大；而玻璃纖維的長度超過某一定值后，在加工過程中會發(fā)生斷裂，使材料的沖擊強度降低。

連榮炳 等[1]經(jīng)過試驗也得到上述結(jié)論：進(jìn)一步增加玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增強了玻璃纖維之間的相互作用，導(dǎo)致玻璃纖維的平均長度下降，降低了玻璃纖維的增強效果[12]。同時玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高導(dǎo)致部分玻璃纖維得不到充分浸漬，基體與玻璃纖維界面的結(jié)合性能變差[9]，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的沖擊強度下降。

Geng Cheng-zhen等[13]研究發(fā)現(xiàn)：β改性或退火是一種有效增強GF/PP復(fù)合材料的沖擊韌性的方法，可以在很寬的溫度和玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)提高GF/PP復(fù)合材料的沖擊韌性，特別是在低溫下的韌性，同時又能保持復(fù)合材料的拉伸強度和楊氏模量。

2.3　彎曲性能

GF/PP復(fù)合材料的彎曲性能與玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有著直接的關(guān)系。隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的彎曲強度和彎曲模量均呈上升趨勢。這是因為當(dāng)GF/PP復(fù)合材料受到彎曲時，PP樹脂會發(fā)生塑性屈服，因而玻璃纖維承受的應(yīng)力要比PP樹脂的大得多。這時玻璃纖維周圍的樹脂存在一個應(yīng)力變小的區(qū)域。在這個區(qū)域中玻璃纖維要有一定程度的交迭，才能使其傳遞外力作用，提高復(fù)合材料的強度[1]。

莊輝 等[5]采用自主開發(fā)的在線混合設(shè)備制備了長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料。研究了長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料中玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對玻璃纖維長度的影響，并與短玻璃纖維、玻璃纖維氈增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：玻璃纖維氈增強PP的彎曲強度低于長玻璃纖維增強PP的。玻璃纖維氈增強PP為玻璃纖維氈層壓材料，存在層間缺陷和纖維浸漬不良，使得玻璃纖維氈增強PP在彎曲性能測試時容易破壞，降低了彎曲強度。短玻璃纖維增強PP和長玻璃纖維增強PP不存在玻璃纖維浸漬不良的問題，兩者的彎曲強度的差異主要由玻璃纖維的長度確定。由于玻璃纖維的長度很短，短玻璃纖維增強PP的彎曲強度很低。長玻璃纖維增強PP中玻璃纖維長度為7~10 mm，其彎曲強度接近理論值的90%。他們還發(fā)現(xiàn)：短玻璃纖維增強PP和長玻璃纖維增強PP的彎曲模量接近，玻璃纖維氈增強PP的彎曲模量最低。玻璃纖維氈增強PP的彎曲模量低，其原因與彎曲強度的相同。短纖維增強PP和長玻璃纖維增強PP不存在層間缺陷的問題，兩者的彎曲模量的差異主要由玻璃纖維的長度確定，短玻璃纖維增強PP的彎曲模量小于長玻璃纖維增強PP的。

3界面結(jié)合

一般認(rèn)為，在復(fù)合材料中玻璃纖維與基體樹脂間的界面結(jié)合影響材料的性能。由于基體樹脂PP不存在活性基團(tuán)，PP與玻璃纖維表面不易產(chǎn)生化學(xué)作用，難以實現(xiàn)兩者的良好結(jié)合，因此，如何增強玻璃纖維與PP的界面結(jié)合顯得尤為重要[14]。

3.1　玻璃纖維表面的偶聯(lián)處理

為了增強GF/PP的界面結(jié)合力，可以用偶聯(lián)劑對玻璃纖維表面進(jìn)行處理。蔣偉星 等[15]采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對玻璃纖維表面經(jīng)行處理。研究結(jié)果表明：由于硅烷偶聯(lián)劑與PP和玻璃纖維都有一定程度的親和性，其分子的一端(親水基)為可水解基團(tuán)，水解后的硅羥基與玻璃纖維表面的硅羥基發(fā)生縮合反應(yīng)，與玻璃纖維表面形成化學(xué)鍵，實現(xiàn)良好的界面結(jié)合；而另一端(親油基)則與PP形成物理結(jié)合，增強了兩者界面的結(jié)合力，提高了GF/PP的力學(xué)性能。但由于PP分子結(jié)構(gòu)中不存在活性基團(tuán)，硅烷偶聯(lián)劑不能與PP形成化學(xué)鍵，只能以范德華力與PP作用，因此，偶聯(lián)劑對GF/PP的界面結(jié)合雖有一定的促進(jìn)作用，但效果不顯著。

張寧 等[11]研究了KH-550對長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：加入KH-550后，長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的拉伸強度、沖擊強度都有了一定程度的提高。這是因為基體樹脂PP不存在極性基團(tuán)和反應(yīng)基團(tuán)，難以實現(xiàn)與玻璃纖維表面良好結(jié)合。玻璃纖維經(jīng)偶聯(lián)劑KH-550處理后，由于KH-550的一端與PP形成分子鏈纏結(jié)，另一端在玻璃纖維表面形成牢固的化學(xué)鍵，從而增強了玻璃纖維與樹脂之間的黏合強度，提高了復(fù)合材料的性能，但加入偶聯(lián)劑后復(fù)合材料的性能提高不大。這是由于基體中纖維的長度較長，界面面積較大，并且長玻璃纖維的搭接和交叉，使得部分應(yīng)力能夠直接在玻璃纖維間傳遞，而不是樹脂—纖維—樹脂，在一定程度上減弱了界面結(jié)合性能。

陳現(xiàn)景 等[16]在對玻璃纖維的偶聯(lián)劑處理和基體接枝改性的基礎(chǔ)上，考察了界面改性方法對GF/PP力學(xué)性能的影響，并采用掃描電鏡對GF/PP的界面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：經(jīng)偶聯(lián)劑表面處理的玻璃纖維與未經(jīng)接枝改性的PP不能形成有效的界面黏結(jié)，力學(xué)性能較差，而與接枝改性的PP界面黏結(jié)較好，力學(xué)性能也有較大幅度的提高。氨基硅烷偶聯(lián)劑和含有長碳鏈基團(tuán)的硅烷偶聯(lián)劑均具有提高GF/PP復(fù)合材料力學(xué)性能的作用，但在提高復(fù)合材料的沖擊強度及改善界面黏結(jié)方面，氨基硅烷偶聯(lián)劑比含有長碳鏈基團(tuán)的硅烷偶聯(lián)劑效果更好。

靳志森[17]分別選用KH550、KH570兩種硅烷偶聯(lián)劑處理無堿無捻粗紗，采用擠出、注塑成型技術(shù)制備GF/PP復(fù)合材料，并對復(fù)合材料進(jìn)行分析和研究。結(jié)果表明：經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，玻璃纖維與PP基體之間可以形成有效的界面，從而提高了GF/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能。不同偶聯(lián)劑處理玻璃纖維，復(fù)合材料的性能略有差別，KH570處理的GF/PP復(fù)合材料的性能優(yōu)于KH550處理的。GF/PP復(fù)合材料的性能在一定范圍內(nèi)，隨玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而提高。

3.2　PP的接枝處理

玻璃纖維是極性物質(zhì)，而PP是非極性物質(zhì)，兩者極性相差很大，相容性較差，可通過PP接枝馬來酸酐(PP-g-MAH)來增強PP的極性，從而增加玻璃纖維與PP的相容性。PP-g-MAH能夠有效地提高層間剪切強度，即：樹脂基體與玻璃纖維的界面結(jié)合能力明顯提高。因為PP-g-MAH中含有羧基，能夠與纖維的烴基發(fā)生酯化反應(yīng)，在兩相間起到交聯(lián)的作用[18]。

申欣 等[19]為了使GF/PP具有更高的沖擊強度，采用極性共聚單體—雙馬來酰亞胺(MBI)和馬來酸酐對PP進(jìn)行接枝交聯(lián)，并添加抗沖擊改性劑的方法，研制出高抗沖擊性的GF/PP。該方法不僅使GF/PP的常溫缺口沖擊強度和彎曲強度大幅度提高，而且還保持了GF/PP高的拉伸強度、硬度及熱變形溫度，拓寬了GF/PP的應(yīng)用領(lǐng)域，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

段召華 等[20]采用自行研制的熔體浸漬包覆長玻璃纖維的裝置，制備了長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料。研究結(jié)果表明：PP-g-MAH能增強界面黏接強度，大幅度地提高了長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能。當(dāng)相容劑PP-g-MAH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時，其綜合力學(xué)性能達(dá)到最佳值，拉伸強度達(dá)到100 MPa，沖擊強度達(dá)到10 kJ/m2。

除了采用PP-g-MAH作為相容劑以增加玻璃纖維與PP的相容性外，還可用丙烯酸[21-23]接枝PP為相容劑，達(dá)到增加玻璃纖維與PP的相容性的效果。張道海 等[24]采用熔體浸漬工藝制備了長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料，并研究了甲基丙烯酸縮水甘油酯接枝PP(PP-g-GMA)對長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：PP-g-GMA影響長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能。當(dāng)PP-g-GMA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能最好，拉伸強度、彎曲強度和懸臂梁缺口沖擊強度分別提高了32.34%、27.38%和74.51%。

黎敏 等[25]為了使GF/PP材料具有高模量、高韌性，在添加極性物質(zhì)與非極性物質(zhì)的接枝來實現(xiàn)兩者的相容，以及添加PP接枝馬來酸酐，這兩種傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，采用自制的PP接枝馬來酸酐與乙烯/辛烯共聚物(PP-g-POE-MAH)，在一定的螺桿組合下研制了高性能的GF/PP材料。這種方法不僅保持了GF/PP材料的力學(xué)性能，同時使GF/PP材料的沖擊強度大幅度提高，因而極大地拓寬了復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。加入自制的PP-g-POE-MAH后，不僅使GF/PP材料的拉伸、彎曲、抗沖擊性能得到明顯提高，各項性能均優(yōu)于加入市售的PP-g-MAH的GF/PP的，還使得PP、GF、POE三者之間產(chǎn)生了良好的界面效應(yīng)。宏觀表現(xiàn)為：隨著PP-g-POE-MAH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料的抗沖擊、拉伸、彎曲性能呈現(xiàn)先快速上升后趨于平緩的變化趨勢；在GF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的GF/PP體系中，PP-g-POE-MAH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時，制備的GF/PP的綜合性能優(yōu)良，且性價比高。

陳波 等[26]將自制高純PP相容劑FH118和FH56應(yīng)用于GF/PP，并與國外品牌相容劑進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：使用FH118和FH56為相容劑時，GF/PP復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度均有大幅度提高，并能夠保持復(fù)合材料原有的彎曲彈性模量和缺口沖擊強度。在相容劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(1%)時，F(xiàn)H118和FH56具有很好的效果，能夠替代國外高端相容劑產(chǎn)品。

采用熔融浸漬法生產(chǎn)GF/PP時，由于玻璃纖維是極性物質(zhì)，而PP是非極性物質(zhì)，兩者的極性相差很大，難以產(chǎn)生良好的界面結(jié)合，并且一般PP的熔體黏度高，不易浸透玻璃纖維絲束，包覆每一根單絲，因此，在生產(chǎn)過程中需要高流動性的改性PP。

李瑤 等[27]采用馬來醚亞胺、鄰苯二甲醚亞胺改性PP，研究了添加劑對熔體流動速率、熱變形溫度和力學(xué)性能的影響，并采用玻璃纖維增強改性PP，考察其增強效果。用DSC和XRD分析改性PP的相結(jié)構(gòu)，用SEM觀察復(fù)合材料的斷面形貌。鄰苯二甲醚亞胺以微晶形式存在于PP中，熔融的鄰苯二甲醚亞胺顯著提高PP熔體的流動性，而其結(jié)晶改善PP材料的熱變形溫度和力學(xué)性能。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的玻璃纖維增強高流動改性PP，制得彎曲模量為5.6 GPa、彎曲強度為100 MPa和沖擊強度為690.88 kJ/m2的增強復(fù)合材料。在過氧化物作用下，用N-苯基馬來酰亞胺(N-PMI)、N,N′-4,4′-二苯甲烷雙馬來酰亞胺(BMI)和鄰苯二甲酰亞胺(PTI)改性PP，可制得剛度、強度、韌性、耐熱性都優(yōu)于原樹脂的，熔體流動速率大于50 g/10 min的高流動改性PP材料。

4加工工藝

在注塑成型過程中，玻璃纖維會在螺桿剪切作用下折斷。這種折斷主要發(fā)生在固態(tài)-熔體界面處，如在壓縮區(qū)與塑化聚集的熔融區(qū)。當(dāng)機(jī)筒內(nèi)部分樹脂熔融形成薄層時，來自于顆粒的一些外露玻璃纖維刺進(jìn)熔體，導(dǎo)致玻璃纖維在沿長度方向存在拖曳和剪切力分布，使玻璃纖維彎曲。如果這種作用力引起玻璃纖維的彎曲失效，則玻璃纖維就會折斷。同樣地，玻璃纖維破斷還發(fā)生在模穴充模過程中固體層與流動層的界面處。這些可通過調(diào)整工藝及澆口和流道尺寸來減少玻璃纖維的損傷[4]。

張峰 等[28]采用熔體浸漬工藝制備長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料，并研究了注塑溫度對長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：注塑溫度影響長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能。當(dāng)注塑溫度為290℃時，長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)。提高注塑溫度能明顯改善長玻璃纖維增強PP復(fù)合材料的力學(xué)性能，也可以明顯改善制品的浮纖現(xiàn)象。

鄒國亨 等[29]研究了注塑工藝對長玻璃纖維增強PP力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：螺桿轉(zhuǎn)速對長玻璃纖維增強PP玻璃纖維殘余長度(LGF)和力學(xué)性能影響很大。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，LGF下降，最終穩(wěn)定在1.49 mm。拉伸強度、沖擊強度和彎曲強度均隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加先上升后下降。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為60 r/min時，拉伸強度達(dá)到105 MPa，沖擊強度和彎曲強度分別為28 kJ/m2和180 MPa；背壓對長玻璃纖維增強PP的力學(xué)性能也有一定影響，但影響程度遠(yuǎn)小于螺桿轉(zhuǎn)速的。

馬慶華[30]以連續(xù)玻璃纖維增強PP復(fù)合材料為研究對象，在熱塑性樹脂熔融狀態(tài)下浸漬玻璃纖維的理論模型基礎(chǔ)上，開發(fā)了連續(xù)玻璃纖維增強的熱塑性復(fù)合材料的實驗裝置，并對制備得到的預(yù)浸條進(jìn)行了性能評價。結(jié)果表明：玻璃纖維束在浸漬機(jī)頭中的停留時間、溫度以及樹脂基體等都影響試樣的層間力學(xué)性能，并在此基礎(chǔ)上對制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化。通過DOE軟件分析獲得制備長玻璃纖維增強PP注塑料的最優(yōu)工藝條件：停留時間80 s、機(jī)頭溫度230 ℃、PP-g-MAH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%。在此工藝條件下，注塑制備的試樣的拉伸強度為99.14 MPa，彎曲強度為161.13 MPa，沖擊強度為15.56 kJ/m2。

5結(jié)語

由于長玻璃纖維增強PP的性能優(yōu)于短玻璃纖維增強PP的，目前主要研究長玻璃纖維增強PP。雖然對玻璃纖維增強PP的研究在近十多年來已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍存在許多問題亟待解決。如何更好地增強玻璃纖維與基體之間的界面結(jié)合力；如何優(yōu)化加工工藝，使GF/PP復(fù)合材料具有更優(yōu)良的性能；如何控制玻璃纖維在制品中的分布與取向等問題都有待進(jìn)一步研究。

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Reinforced Polypropylene Composites

ZENG Biao1, LIU Yu-fei1,2,3, WANG Ning1, WANG Xue-jiao1,

LEI Zhen-gang2, LIU Yu2

(1. School of Materials and Metallurgy, Guizhou University, Guiyang 550025,

China; 2. Guizhou Kumkuat Materials Co., Ltd., Guiyang 550014, China;

3. National Engineering Research Center for Compounding and

Modification of Polymeric Materials, Guiyang 550014, China)

Abstract：The effects of mass fraction of glass fiber, glass fiber length, interfacial bonding and processing on the properties of the glass fiber reinforced polypropylene composites are reviewed, and the development prospect of glass fiber reinforced polyproplene composites is forecasted.

Key words：glass fiber; polypropylene; reinforce; mechanical property; interfacial bonding

收稿日期：(2015-03-05)

中圖分類號：TQ 320

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-5993(2015)02-0011-06