浅析单聚合物复合材料特点与制备工艺

李孟杰 詹天荣

摘要：单聚合物复合材料（single polymer composite，SPC）的基体和增强体来自同种类型的材料，具有界面粘结程度好、易回收强度高等优点。本文对单聚合物复合材料特点和制备工艺进行研究。

关键词：单聚合物;复合材料;制备工艺

前言

传统纤维增强复合材料的基体和增强体来自不同的聚合物，异种聚合物难以形成很好的粘结，从而导致了基体和增强体在界面的粘结性较差，影响了复合材料的性能。另外，传统的复合材料中不同种类的聚合物和基体导致材料的回收再利用困难，回收再利用性差，不利于环境的保护和资源的节约。随着人们环境保护意识的增强，为了解决上述传统材料应用的制约，采用同种类型的基体和增强体制备的自增强复合材料成为了研究重点。因此，单聚合物复合材料的应用价值很高，受到广泛的关注。

1单聚合物复合材料的特点

单聚合物复合材料是指基体和增强体来自同一种聚合物的材料，也可以称其为自增强复合材料。传统的复合材料增强体大多是纤维，如碳纤维、玻璃纤维和天然纤维等，即基体和增强体来自异种材料。相比而言，由于单聚合物复合材料的基体和增强体来自同一种材料，以聚合物本身或同种聚合物代替传统纤维作为增强体，具有更好的界面粘结性和两相相容性，无论在性能方面，还是在回收再利用方面，都有更优的表现。由于其优良的性能，在航空，医疗，汽车，电子等领域应用广泛。单聚合物复合材料根据基体和增强体在化学结构上的不同，分成两大类： 多组分单聚合物复合材料和单一组分单聚合物复合材料。

2 单聚合物复合材料制备工艺

单聚合物复合材料的制备原理是在对其基体和增强体进行加热时，由于基体和增强体两者的熔点有差别，控制温度高于基体熔点使基体熔融，低于增强体熔点保持增强体不发生熔融。由于单聚合物复合材料的加工需要考虑温度窗口，所以如何擴大基体和增强体的熔点差以便于生产制造成为了制备过程中的重要因素。

目前，制备单聚合物复合材料常用的方法有热压纤维法、溶液浸渍法、薄膜堆叠法、两步注塑成型法等。

2.1热压纤维法

2000 年，Hine[1]等直接热压超高分子量聚乙烯纤维布制备出聚乙烯的单聚合物复合材料。实验结果证明，材料的剥离度随着热压温度的升高而增大。在该研究中，最佳热压温度为 138°C 时，此时有大约 10%原始纤维被熔融，形态学研究表明，熔融材料已外延重结晶到原始纤维主链上，形成了讲纤维束粘结成连续结构的相关网络，纤维与基体之间的粘结性较好。热压纤维法虽然操作比较简便，但选择适宜的热压温度是该法制备单聚合物复合材料的难点。由于基体和增强体是同种聚合物，所以采用该方法制备单聚合物复合材料加工温窗较窄。当热压温度设定太低，基体相熔融不够充分，导致其不能充满复合物的纤维之间，无法使材料的界面性能达到最优。当热压温度设定太高，增强体纤维被熔融，纤维含量减少或消失，导致材料的性能没有明显的改变。

2.2薄膜堆叠法

薄膜堆叠法是在一定的压力下，依据增强体和基体的熔点有差别，将温度设定在稍高于基体熔点并低于增强体纤维熔点的温度范围，模压成型制备单聚合物复合材料。2014 年，Wang[2]等根据 PEN 基体具有过冷性质，成功的扩大了加工的温度窗口，在 220～260°C 温度范围内，基体采用 PEN 薄膜，增强体采用 PEN 的纤维编织材料，利用薄膜层压法制备出PEN 单聚合物复合材料，过程示意图见图1。实验过程分别研究了热压压力，热压时间和热压温度对材料性能的影响。实验结果表明，当条件为10min，240°C 和6MPa时，材料的力学性能达到最大，为 224MPa。

2.3注塑成型法

注塑成型法是既包含注射也包含模塑两个过程的成型方法，指在一定的温度下，将原料用螺杆等搅拌加热成熔融态，再经过压缩并加压射入模腔当中，经过冷却后，脱离模腔得到成型材料的一种方法。该法普遍用于制备结构比较复杂的单聚合物复合材料。

2013 年，Kmetty 等[3]通过注塑成型制备了聚丙烯单聚合物复合材料。在注塑之前，用三步法即纤维缠绕、压塑和造粒制备出预浸渍的颗粒，然后将预浸渍的颗粒注塑成型制备聚丙烯单聚合物复合材料。实验结果表明，随着纤维含量的增加，屈服应力和穿孔能量明显增加。

2.4其他方法

除上述介绍的三种方法以外，还可以应用溶液和粉末浸渍法、共挤出法， 烧结法，液体复合成型法等。无论哪一种方法，单聚合物复合材料都是基于基体和增强体的熔点差进行制备的。所以在选择制备单聚合物复合材料的方法时，关键是要考虑加工的温度窗口是否可操作，还要考虑工艺复杂程度，是否适合大规模的工业生产，成本多少及是否符合环境友好的原则。综合上述因素，选择最合适的制备工艺方法。

3结语

单聚合物复合材料由于其良好的界面粘结性、两相的相容性和容易回收等特点，自从被人们发现以来就成为了研究热点，并被应用于生产生活的各个领域。本文对单聚合物复合材料的特点和制备工艺进行了分析，并阐述了制备单聚合物复合材料常用的方法有热压纤维法、溶液浸渍法、薄膜堆叠法、两步注塑成型法等。

参考文献

[1] Hine P J， Ward I M， Olley R H， et al. The hot coMPaction of high modulus melt-spun polyethylene fibres[J]. Journal of Materials Science， 1993， 28（2）： 316-324.

[2] Wang J， Chen J， Dai P. Polyethylene naphthalate single-polymer-composites produced by the undercooling melt film stacking method[J]. Composites Science & Technology， 2014， 91（91）： 50-54.

[3] Kmetty A， Tabi T， Kovacs J G， et al. Development and characterisation of injection moulded， all polypropylene composite[J]. Polymer letters， 2013， 7（2）： 134-145.

作者简介：

李孟杰，男，汉，籍贯：山东省聊城市东昌府区，在读在职研究生，青岛科技大学

研究方向：材料工程