一种高模量玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备与研究＊

周建刚，梁 珊，杨小祥，王 艺，晏 斌，康 鸿

（重庆国际复合材料股份有限公司，重庆 400082）

0 前言

作为最主要的通用塑料之一，聚丙烯密度小、成本低、产量大、性价比高、化学稳定性好、易于加工成型和回收利用［1］。因其具有的良好性能，聚丙烯被广泛应用于汽车工业、家用电器、包装材料和建筑材料等各个领域。然而随着社会进步及科技发展，聚丙烯较低的强度和模量已不能满足在一些工程领域的应用［2］。提高聚丙烯的强度及模量是拓宽其应用的必要途径，也是聚丙烯高性能化的关键。玻璃纤维（GF）作为一种性能非常优异的无机材料，具有高强度和高模量，同时价格也比较便宜，是一种非常通用的增强材料体［3］。当其加入到聚合物基体中时，主要起增强作用，可显著提高聚合物基体的力学性能和耐热性能。随着材料要求轻量化、薄壁化及高流动性，聚丙烯的共混改性要求已越来越高，高模量低形变复合材料渐得客户 青睐［4-6］，本文主要研究分析影响玻纤增强聚丙烯复合材料模量的因素，为制备高模量复合材料产品提供一些思路及方向。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚丙烯树脂：K7726H，燕山石化；

聚丙烯树脂：1352F，3084H，宁波台塑；

玻璃纤维（GF）：ECS305-4.5-K/ECT、ECS305G- 4.5-L/ECT、ECS305-4.5-H/ECT，重庆国际复合材料股份有限公司；

其他助剂：市售。

1.2 主要设备

同向双螺杆挤出机：CTE-35，科倍隆（南京）机械有限公司；

高速混合机：SHR-100，张家港市亿利机械有限公司；

注塑机：EM120-SVP/2，震雄集团；

电子万能材料试验机：5982型，英斯特朗（上海）试验设备贸易有限公司；

熔体流动速率仪：RL-Z1B1型，上海思尔达科学仪器有限公司；

偏光显微镜：ProgRes C5，北京普瑞赛司仪器有限公司。

1.3 实验部分

使用高速混合机将PP树脂与相关助剂混合均匀后，通过双螺杆挤出机，将树脂与玻璃纤维熔融挤出成型，切粒后烘干，注塑成标准样条，待测试分析。

性能测试：弯曲强度按照GB/T 9341-2000《塑料弯曲性能实验方法》测试。

熔体流动速率测试：熔体流动速率按照GB/T3682-2018《热塑性塑料熔体质量流动速率方法》测试。

纤维保留长度测试：将挤出造粒的粒料于马弗炉中650 ℃，放置2 h燃烧充分，残余玻纤放置于载玻片上，在偏光显微镜下观察纤维保留长度。

2 结果及讨论

2.1 玻纤质量分数对模量的影响

在玻纤增强聚丙烯复合材料中，玻纤起着骨架结构增强作用，以承担外加应力与载荷；同时，玻纤在一定程度上还可以促进PP结晶，起类似成核剂的作用，在一定程度上提高复合材料的强度［7］。

从图1可知，玻纤用量对PP复合材料弯曲模量影响显著。随着玻纤质量分数增加，复合材料模量呈明显上升趋势。这是因为玻纤本身模量较PP基体树脂高很多，当玻纤增强聚丙烯复合材料受到应力弯曲时，PP树脂会发生塑性屈服，而起增强骨架作用的玻纤所承受的应力要比PP树脂大得多。这时纤维周围的树脂就存在一个应力变小的区域，在这个区域中纤维要有一定程度的交叠，才能使其传递外力作用，提高材料的强度。玻纤质量分数越高，其纤维密度越大，可抵抗的外力越大，因而PP复合材料的弯曲模量越高，刚性越大。

图1 玻纤质量分数对模量的影响

2.2 玻纤增强不同基体树脂对模量的影响

在玻纤增强聚丙烯复合材料中，基体树脂选型非常重要，基体树脂对最终材料性能影响显著［8］。

从表1可知，不同牌号PP树脂，其主要物性如熔融指数根据用途有明显不同，本文所选3种基体树脂模量基本相当，考察树脂流动性对性能影响。

表1 不同牌号聚丙烯主要物性

从图2可知，相同玻纤质量分数下，不同牌号PP树脂制备的复合材料弯曲模量差异明显。基本上随着熔融指数（简称“熔指”）的降低，模量也变小。熔指反映材料的粘度，流动性。熔指高，材料粘度小，流动性好；熔指低，材料粘度大，流动性差。

图2 不同树脂对模量的影响

从表2亦可知，基体树脂流动性越好，所制备的复合材料流动性也越好，模量也越高。这主要是因为基体树脂的粘度越小，即熔指越高，玻纤越容易分散在树脂基体中，玻纤和基体能更好的承载和传导应力，也直接导致其性能更加优异。

表2 玻纤增强不同PP复合材料主要物性

2.3 玻纤保留长度对模量的影响

在玻纤增强聚丙烯复合材料中，玻纤均匀分布在基体树脂中，其纤维长度越长，越容易相互交叠呈网状结构，所以能承受更大的应力，性能越高［9］。

将表2中的粒料分别测试保留长度，得到图3结果。从图3可以看出，流动性最好的基体树脂1352F，其玻纤保留长度也最长。这是因为基体树脂流动性越好，在相同加工工艺前提下，对玻纤摩擦损伤最小，导致其保留长度越长。

从图4中可以看出，相同配方情况下，改变挤出加工工艺，对纤维保留长度会产生较大影响。

图4 挤出工艺对纤维保留长度的影响

挤出工艺改变，导致聚合物加工过程中剪切强度发生改变。剪切力越强，所产生的能量越大，对纤维的破坏越大，导致纤维保留长度越短，致使复合材料弯曲模量越小（表3）。

表3 挤出工艺对纤维保留长度的影响

2.4 纤维直径对模量的影响

采用3种不同纤维直径的短切玻纤增强相同PP树脂基体，考察对其复合材料模量影响。

从表4及图5中可以看出，纤维直径范围在10.5～14.0μm时，所制备的复合材料弯曲模量相差甚小。这可能是因为，纤维直径在此区域内，在基体树脂中分布的纤维密度及长度相差不大，导致模量相差很小。

表4 纤维直径对模量的影响

图5 纤维直径对模量的影响

3 结论

根据实验过程，得出以下结论：

（1）玻纤质量分数对复合材料模量影响显著，玻纤质量分数越高，复合材料模量越高；

（2）基体树脂流动性越好，纤维保留长度越长，复合材料模量越高；

（3）相同质量分数下，提高纤维保留长度，对复合材料模量越有利；

（4）纤维直径在一定范围内，复合材料模量相差不大。