玻璃纖維增強聚丙烯復合材料：輕量化材料評述

唐 瀟， 孫秀玉， 王振衛(wèi)

(上海應用技術大學 化學與環(huán)境工程學院， 上海 201418)

0 前言

玻璃纖維增強聚丙烯(GF-PP)在聚丙烯(PP)原有性能的基礎上，改善了耐熱性，大幅提高了低溫沖擊強度和力學性能，制品收縮率減小。與其他熱塑性塑料相比，GF-PP成型流動性好，加工方便；其相對密度(1.1～1.2 g/cm3)遠小于鐵等金屬材料，質輕且價格低，將GF-PP取代金屬材料用于汽車部件和承載結構，能起到明顯減輕工件質量的效果[1]，因此被大量用于汽車和機械工業(yè)。GF-PP主要分為兩類，一類使用短玻璃纖維(玻璃纖維保留長度為0.5～0.6 mm)作為增強材料，稱為短玻璃纖維增強聚丙烯(SGF-PP)，另一類使用連續(xù)長玻璃纖維作為增強材料，稱為長玻璃纖維增強聚丙烯(LGF-PP)。LGF-PP具有更高的強度、抗沖擊性能和蠕變性能，比SGF-PP具有更廣泛的應用[2-3]。

1 GF-PP材料性能的影響因素

1.1 玻璃纖維保留長度

當LGF-PP受到沖擊時，基體樹脂在應力作用下會產生裂紋，當裂紋擴展到玻璃纖維，長纖維會使裂紋沿其取向或垂直取向的方向擴展，改變了裂紋的擴展方向，消耗更多的沖擊能，所以玻璃纖維的長度對復合材料的力學性能有明顯的影響[4-5](見表1)。當玻璃纖維保留長度從2.06 mm增加到4.66 mm時，材料的懸臂梁缺口沖擊強度從13.2 kJ/m2提高到23.4 kJ/m2[6]。在玻璃纖維含量相等時，將長玻璃纖維作為增強材料，復合材料的彎曲性能和熱變形溫度都要高于短玻璃纖維[7]。長玻璃纖維粒料中混入少量的短玻璃纖維粒料可以優(yōu)化復合材料內部的纖維取向，增強復合材料的強度[8]。其中，制備方法對玻璃纖維的長度有很大影響。

表1 制品中玻璃纖維保留長度對GF-PP力學性能的影響

1.1.1 一步法制備

一步法[9]制備的GF-PP，連續(xù)玻璃纖維、塑料和助劑在注塑生產線上直接配混，省去了中間的造粒工序，最大程度上保留了成品中玻璃纖維的長度，平均玻璃纖維保留長度可以保持在8 mm 左右[10]。但是目前在線混合的技術還不夠成熟，設備投資大，限制了該方法的發(fā)展。

1.1.2 兩步法制備

傳統(tǒng)的制備方法為兩步法，即預浸漬后再成型加工，工藝較為成熟。常用的浸漬技術有熔融浸漬、粉末浸漬、混纖紗法浸漬等。熔融浸漬技術[11]是將PP加熱熔融，然后將混料造粒，得到高流動性的PP粒子，再引入玻璃纖維。粉末浸漬技術[12-13]可分為濕法和干法。濕法是將PP制得的微米級顆粒懸浮分散在浸膠系統(tǒng)中，纖維在牽引系統(tǒng)的作用下通過浸膠系統(tǒng)使樹脂粉末附著在纖維表面，經過基體懸浮液充分浸漬后，進入加熱爐中熔融、烘干最后加熱定型完成即可制成預浸料。干法是通過粉末流化或者靜電吸附的方式，將展開的纖維通過充滿粉末的區(qū)域使纖維束被樹脂粉末包裹，然后加熱使粉末熔融從而得到預浸料?；炖w紗法浸漬技術[14]是將PP和玻璃纖維拉絲后合股,使得玻璃纖維和PP在理論上達到單絲分散水平。成型過程中，熔融的PP成為樹脂基體，均勻地包覆在玻璃纖維上，再冷卻切粒。熔融浸漬技術可以精準地控制玻璃纖維的含量，混纖紗法浸漬技術能夠很大程度地保留玻璃纖維的長度和提高纖維含量。

制得LGF-PP粒料后，根據不同制品的特性選擇模壓、注塑、擠出等成型方法加工制得最終產品，成型加工過程中仍會造成不同程度的纖維斷裂，可根據最終樣品的需要，選擇不同的制備方法。

1.2 玻璃纖維含量

玻璃纖維含量對LGF-PP的拉伸強度和沖擊強度有明顯的影響。復合材料的剛度隨玻璃纖維含量的增加而線性增加，可從1.6 GPa增加到4.8 GPa[15]。對熔融浸漬工藝制備的LGF-PP進行力學測試，結果表明:當玻璃纖維質量分數(shù)為50%時，復合材料的力學性能最佳，復合模量與纖維含量呈線性關系，材料的力學性能隨玻璃纖維含量的增加，表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(見圖1)[16-17]。

圖1 玻璃纖維含量對LGF-PP力學性能的影響

1.3 PP

不同PP作為基體對LGF-PP復合材料的性能也有一定影響。樹脂的流動性越好，對玻璃纖維的浸潤程度就越高，復合材料的力學性能就越好。含乙丙橡膠的共聚PP由于乙烯單體的引入，流動性高于均聚PP，在室溫下沖擊強度高于均聚PP約10 kJ/m2[18]。

1.4 其他因素

成型工藝及其工藝參數(shù)對LGF-PP復合材料的力學性能會有一定的影響[19-20]。不同的成型工藝會使制品中玻璃纖維的保留長度不同，從而影響制品的力學性能。增加螺桿速度和熔融基質黏度會增加纖維斷裂的程度[21]。在聚合物穩(wěn)定性范圍內，熔體溫度和螺絲配置可以影響玻璃纖維的長度從而影響復合材料的性能[22]，增加熔體溫度和優(yōu)化螺絲設計對保持玻璃纖維長度都有積極影響。注射速度的提高會導致極限拉伸應力的降低[23]。不同的注射溫度對LGF-PP復合材料的力學性能、結晶能力、耐熱性和動態(tài)力學性能都有影響[24]。當注射溫度為290 ℃時， LGF-PP復合材料的力學性能最好。隨著注射溫度的升高，LGF-PP復合材料的結晶度逐漸增加。浸漬時間也會對GF-PP的性能產生影響，浸漬時間較短，PP與玻璃纖維的界面附著力較弱；浸漬時間適中時，PP與玻璃纖維的界面附著力非常好。冷卻速率對GF-PP力學性能的影響包括拉伸強度、層間剪切強度、斷裂韌性及沖擊性能。在較高的冷卻速度下GF-PP的拉伸強度降低，但是斷裂韌性卻隨著冷卻速率的增加而增加[25]。

相容劑與功能助劑能夠改變PP流體的黏度使其更好地浸漬纖維，可以小幅度地增強復合材料的力學性能[26]，使用相容劑還可以明顯提高復合材料的耐水解性[27]。用馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)作為相容劑，當PP-g-MA添加質量分數(shù)為7%時，LGF-PP復合材料達到最大力學性能和儲能模量，復合材料的界面結合強度有了明顯改善[28]。添加硅烷偶聯(lián)劑可以同時調節(jié)復合材料的界面結合與力學性能[29](見圖2)。使用β-成核劑制備β-聚丙烯，使基體更加柔軟，有利于吸收能量和增強韌性，增強了PP的韌性、結晶能力和耐熱性，可使GF-PP的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量均顯著提高[30]。復合材料中分散良好的CaCO3的存在提高了斷裂伸長率和維卡軟化溫度[31]。少量礦物纖維的加入使復合材料的一些性能得到增強，注射成型的短玻璃纖維/硅灰石/PP復合材料具有良好的力學性能，以及較低的表面粗糙度和成本。結果表明，填充PP的拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能均高于未填充PP。

圖2 界面相容劑對力學性能的影響

風化老化會使GF-PP復合材料降解，降解不僅發(fā)生在GF-PP表面，而且還發(fā)生在內部基體和界面上，而加入炭黑和紫外吸收劑使GF-PP復合材料具有良好的耐候性[32]。

2 GF-PP的應用

GF-PP有較低的密度(1.1～1.2 g/cm3)，在PP原有性能的基礎上，GF-PP的耐熱性、低溫沖擊強度、力學性能均有所提高(見表2),具有強度高、剛性好、耐腐蝕性好、使用壽命長、精度高、尺寸穩(wěn)定性好、耐蠕變性能好、耐疲勞性能優(yōu)良、設計自由度高、成型加工性能良好，以及可回收重復使用等優(yōu)點，可用于國防軍事、能源、機械及汽車等領域，其中80%左右都應用于汽車行業(yè)，是實現(xiàn)汽車輕量化的主要材料之一[33]，見圖3。

表2 PP與GF-PP復合材料性能比較

圖3 LGF-PP的應用領域

LGF-PP應用于汽車保險杠防撞梁，其耐撞性通過基本力學性能測試和仿真碰撞測試，在保證防撞梁耐撞性的同時，質量比原鋁合金材料降低了11.2%，輕量化優(yōu)勢明顯[34]。LGF-PP在汽車領域的應用還包括儀表盤、電池托架、底盤蓋板、備用胎艙、前端組件、座椅支撐板等[35]。使用LGF-PP替代軟質儀表板骨架的常規(guī)填充PP材料、發(fā)動機散熱風扇的尼龍材料、換擋機構的金屬材料和短纖維尼龍材料、座椅靠背的鋼材骨架后可減輕汽車質量20%～30%。車門模塊使用了包含40%(質量分數(shù))玻璃纖維的LGF-PP，結果表明：與傳統(tǒng)鋼相比，車門模板的質量減少了21.5%[36]。輕質玻璃纖維氈增強熱塑性聚合物(GMT)強度高、剛性好，還具有良好的吸音性能和導熱性，近年來逐漸替代了早期的PP木粉板，用于制作高拉伸車內飾件及汽車后隔板[37-38]。

GF-PP在機械領域可以用于電機過濾器罩、風葉片、導流管扇葉和水泵、真空泵、壓縮機轉子等的零部件。GF-PP在家電領域可以用于洗衣機滾筒、洗衣機三角支架、空調風扇等，都具有很高的性價比。

3 GF-PP的回收再利用

GF-PP作為一種熱塑性塑料，可以重復加工成型，邊角余料可以回收利用[39]，不污染環(huán)境，是一種環(huán)境友好型材料。目前，處理此類復合材料的常用方法有焚燒、直接再利用、熱分解、填埋等[40]。

大多廢舊塑料作為有機聚合物，含有較多的能量，熱值(可達20 MJ/kg)與燃煤、天然氣的熱值相近，可燃燒產生熱量；但廢舊塑料在焚燒過程中會產生有害物質, 如果含有鎘、鉛等重金屬化合物，還會隨煙塵、焚燒殘渣一起排放，污染環(huán)境。

直接再利用法分為機械磨削法與溶解法。機械磨削法通常要經過篩選與分離、破碎等步驟，通過擠出成型制成塑料再生粒，最后再經由幾種成型方法將回收料重新制成產品。但該法在造粒之前必須加熱干燥，因此能耗較高，且重新制成的產品在PP分子量和纖維長度上會有所降低，對性能會有一定程度的影響[41]，應該進行梯次重復利用，不宜制作高檔次產品。將回收的LGF-PP與SGF-PP組成再生復合材料，通過控制再生材料的比例，在保證力學性能的同時，還具有一定的經濟和環(huán)境效益[42]?；厥盏臉渲w可以與木屑混合壓制成板，力學性能與由原始塑料制成的復合材料的力學性能幾乎一致[43]。

溶解法[44]是將切碎的物料溶解于合適的溶劑中，再通過濾網將玻璃纖維和樹脂基體分開，在回收過程中可保持樹脂的剛度和強度。但是該方法的回收工序復雜，使用了有機溶劑，易對環(huán)境造成污染。

熱分解法是將物料置于有氧或無氧環(huán)境中，使樹脂基體受熱裂解，從而得到纖維增強體和樹脂裂解后產生的其他有價值的副產品。通過熱解法得到的玻璃纖維拉伸強度會降低 50%～80%。熱分解溫度取決于塑料的種類、組成及回收的目的產品。溫度超過600 ℃時，主要得到混合燃料氣，如CH4、H2、輕烴;溫度在400～600 ℃時，主要得到混合烴、重油、煤油混合燃料油等。

4 結語

以LGF-PP為代表的高性能低密度復合材料在汽車的儀表盤、前端組件、車門模塊、座椅、保險杠等部件的占比越來越多，制備工藝也逐步精進，玻璃纖維的長度和含量是影響LGF-PP彎曲強度、沖擊強度和熱變形溫度的直接因素，成型工藝、工藝參數(shù)及相容劑等通過影響玻璃纖維的保留長度和玻璃纖維與樹脂的結合從而影響最終制品的性能。因此，未來的研究方向可能為優(yōu)化加工工藝、改善工藝參數(shù)、尋找更好的相容劑，使復合材料具有更好的力學性能。

LGF-PP可重復加工，具有可回收性，但回收過程能耗大，回收溶解時使用的有機溶劑會對環(huán)境造成污染，且回收后的材料各種性能都會降低。在回收利用方面，未來的研究趨勢可能有以下三個方面：通過改進回收工藝，避免玻璃纖維的長度大幅度下降；尋找更合適的有機溶劑，減少對環(huán)境的污染；對回收的復合材料進行改性使其綜合性能提高。