长玻纤改性热塑性复合材料研究进展

摘 要： 综述了近年来长玻璃纤维（LGF）改性热塑性复合材料的研究进展，主要以聚丙烯为例，介绍了纤维相对含量、分布均匀性及纤维与基体界面结合强度对LGF改性热塑性复合材料力学性能的影响以及LGF改性热塑性复合材料阻燃机理的改性研究。

关键词： 长玻璃纤维（LGF）;聚丙烯;阻燃性能;力学性能

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热塑性材料由于其高比强度、优异的加工性能和稳定性强等特点，已经广泛应用于在飞行器、车辆交通、民用建筑等领域。然而，随着现代科技的进步，对热塑性材料强度和硬度提出了更高的要求，制约了其在进一步的推广和应用。为了增强热塑性材料的综合性能，一些研究者将增强剂添加到热塑性基底材料中，使材料的力学性能得到显著提升。LGF由于易获取、纵横比高、比强度大、热稳定性好和相容性强等优点，在提升热塑性材料的强度、硬度以及热稳定性等方面广泛应用[1]。然而，当LGF作为增强剂添加到热塑性材料中时，由于热塑性材料的分子量较高，不易与长玻璃纤维相容，需要特殊的方法处理纤维与基体使其聚合，增加了加工成本和加工时间[2]。本文主要以两种广泛使用的热塑性树脂基底聚丙烯（PP）和聚酰胺（PA6）为对象，简要叙述了国内外关于长玻璃纤维改性热塑性复合材料的研究进展及阻燃性能增强机理。

1.LGF改性热塑性复合材料力学性能研究进展

LGF改性热塑性复合材料的力学性能取决于纤维在基底材料中的平均长度、分布均匀性、LGF质量分数和LGF与基底材料之间的界面结合强度四大因素。目前制备LGF改性热塑性复合材料的主要方法是注塑成型，但是螺杆在注塑成型过程中的剪切作用会导致LGF在基底材料中不均匀分布、平均长度不统一，导致LGF改性热塑性复合材料的性能存在差异。

J.L.Thomason[3]研究了PP/LGF复合材料中LGF含量对性能的影响。实验表明，当PP/LGF中长玻璃纤维含量高于70%时，PP/LGF材料与未加入纤维的基底材料力学性能相当，两者都接近30MPa。当LGF含量为40%时，PP/LGF材料的拉伸强度可高达120MPa，是未添加长玻璃纤维时的四倍，材料力学性能得到明显地提升。

Fu[5]等人研究了三种不同类型增容剂对于热塑性材料基底中纤维长度以及长玻璃纤维与聚丙烯接触界面结合强度的影响。实验结果表明，增溶剂的存在促使复合材料中纤维的长度有所增长。增溶剂对LGF与PP界面结合强度增强能力的大小为：PP-g-MAH>MAH接枝辛烷-乙烯共聚物（POE-g-MAH）>辛烷-乙烯共聚物（POE）。

2.阻燃改性的研究进展

由于长玻璃纤维的加入，PP/LGF复合材料拥有了瞩目的抗拉强度和弯曲强度，但与其他聚合物一样阻燃能力很差，加入LGF后更容易燃烧，因为随着LGF的加入还会带来烛芯效应。

为了提高LGF改性热塑性复合材料的阻燃性能，拓宽其应用领域，越来越多的研究者对LGF改性热塑性材料的阻燃改性进行研究。Tian[6]等人将二异丁基次膦酸铝（APBu）作为阻燃剂加入到PA6/LGF基底中，极限氧指数（LOI）实验表明，当APBu所占质量为25%时，测得LOI为41%，未添加APBu的样品LOI仅为22.2%，阻燃性能得到明显的提升。但力学性能却由于APBu在基体材料内部产生团聚而有所下降。当添加25%的APBu时，PA6/LGF/APBu的拉伸和弯曲强度相比起未添加阻燃剂的PA6/LGF材料分别下降47%和42%。

Liu[7]等人为了提升在PP/LGF材料的阻燃性能，通过向PP/LGF中添加有机改性蒙脱土制备了一种膨胀阻燃复合材料。力学测试结果表明，添加阻燃剂之后，材料的拉伸强度和弯曲强度并没有下降。极限氧指数测试中，当阻燃剂添加量为20%时，LOI为31.3%，垂直燃烧实验可达到V-0级，阻燃性能在不牺牲力学性能的前提下得到明显提升。罗兴[8]等人分别将膨胀型阻燃剂（IFR）和OMMT加入到LGF增强PP复合材料中，并探究了两种阻燃剂的阻燃机理。OMMT添加量为2%时，LGF增强PP/IFR复合材料的LOI为24.2%，经过燃烧后在材料表面还会形成一层致密的硅酸盐保护膜。

结语

LGF改性热塑性复合材料与钢铁材料相比，具有加工难度低，耗費少、可以重复回收，可以替代钢材应用于汽车、建筑和航空空航天等结构材料领域。但其仍面临着加工工艺复杂，阻燃性能差等缺点，因此开发力学性能高、阻燃性能好的LGF改性热塑性复合材料时将来复合材料研究的重点。

参考文献

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[3]Thomason J L， Vlug M A， Schipper G， et al. Influence of fibre length and concentration on the properties of glass fibre-reinforced polypropylene： Part 3. Strength and strain at failure[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing， 1996， 33（12）：1641-1652.

[4]Fu X， He B， Chen X. Effects of Compatibilizers on Mechanical Properties of Long Glass Fiber-Reinforced Polypropylene[J]. Journal of Reinforced Plastics & Composites， 2010， 29（6）：936-949.

[5]田敏， 何文涛， 于杰，等. 新型烷基次膦酸铝对PA6/LGF复合材料性能影响[J]. 工程塑料应用， 2015（7）：15-19.

[6]Liu Y ， Deng C L ， Zhao J ， et al. An efficiently halogen-free flame-retardant long-glass-fiber-reinforced polypropylene system[J]. Polymer Degradation & Stability， 2011， 96（3）：363-370.

[7]罗兴， 何敏， 郭建兵，等. IFR/OMMT协同阻燃长玻纤增强聚丙烯的阻燃性能和热稳定性能研究[J]. 塑料工业， 2013， 41（8）：31-34.

作者简介：罗静，男，汉族，1982.4，湖北宜昌，在读博士研究生，西南林业大学消防学院工作，讲师，主要研究材料燃烧行为与消防工程。