一種增強(qiáng)PC樹(shù)脂用高折射率玻璃纖維性能研究*

韓利雄，宋 凡，劉 也，晏 斌，徐 強(qiáng)，蔡曉梅，許詩(shī)勇

（重慶國(guó)際復(fù)合材料股份有限公司，重慶 400082）

0 前言

聚碳酸酯（PC）是一種分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，因其透明性好，無(wú)毒，耐候耐熱，抗沖擊性、耐疲勞和電氣性能俱佳，成為五大工程塑料中增長(zhǎng)速度最快的通用工程塑料［1，2］，廣泛應(yīng)用于玻璃裝配業(yè)、汽車(chē)工業(yè)和電子、電器工業(yè)、工業(yè)機(jī)械零件、光盤(pán)、包裝、計(jì)算機(jī)等辦公室設(shè)備、醫(yī)療及保健、薄膜、休閑和防護(hù)器材等領(lǐng)域［3，4］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2018年 PC 樹(shù)脂消費(fèi)量超過(guò)180萬(wàn) t，2019年達(dá)218萬(wàn) t，預(yù)計(jì)2025年國(guó)內(nèi)的聚碳酸酯需求量將超過(guò)330萬(wàn) t，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的聚碳酸酯生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)［5］。但作為工程塑料，PC樹(shù)脂缺口敏感，易應(yīng)力開(kāi)裂，耐磨性較差［6］，用于受力場(chǎng)合時(shí)可以加入一定量玻纖來(lái)增強(qiáng)［7］。但 PC 樹(shù)脂的折射率較高，一般在1.58以上，而普通玻璃纖維的折射率只有1.55左右，PC 樹(shù)脂中加入玻纖后，由于折射率不匹配，透明性會(huì)大幅下降，這限制了其應(yīng)用范圍［8，9］。

目前市場(chǎng)上能夠滿(mǎn)足 PC 樹(shù)脂折射率的玻纖產(chǎn)品非常少，國(guó)外據(jù)稱(chēng)有少量類(lèi)似產(chǎn)品［10，11］，但基本不對(duì)外銷(xiāo)售。隨著國(guó)內(nèi)玻纖增強(qiáng) PC 樹(shù)脂復(fù)合材料應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，國(guó)內(nèi)需求也在快速增加。針對(duì)該市場(chǎng)需求，我們開(kāi)發(fā)出了1種高折射率玻璃纖維-HR 玻璃，本文就其相關(guān)性能與 ECT 玻璃進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和設(shè)備

玻璃纖維：ECS307-3-K/ECT，ECS307-3-K/HR，重慶國(guó)際復(fù)合材料股份有限公司；

聚碳酸酯（PC）：LEXAN，SABIC；

雙螺桿擠出機(jī)：TE-50，江蘇南京科亞公司；

注塑機(jī)：EM120-SVP/2，震雄集團(tuán)；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：INSTRON5982；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：XJC-220型，承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案稱(chēng)取PC樹(shù)脂用短切紗ECS307-3-K/ECT、ECS307-3-K/HR和 PC 樹(shù)脂。

（2）將上述原料加入雙螺桿擠出機(jī)中制成粒料，設(shè)定玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、15%、20%、30%和40%。

（3）用注塑機(jī)將含有不同質(zhì)量玻纖的粒料加工成力學(xué)測(cè)試樣條和透明樣條，對(duì)比性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 HR玻璃折射率及對(duì) PC 復(fù)合材料透光率的影響

折射率是玻璃固有物理性質(zhì)之一，主要由其成分和結(jié)構(gòu)所決定。表1為不同玻璃纖維制成玻璃塊后實(shí)測(cè)折射率。可以看到，目前常見(jiàn)的E玻璃、ECT玻璃和 TM+玻璃折射率都只有1.55~1.56，明顯低于PC 樹(shù)脂的折射率。而2種材料的折射率差異越大，光線在界面處越容易發(fā)生干涉現(xiàn)象，從而導(dǎo)致光線透過(guò)率降低。因此，如果采用這類(lèi)常規(guī)玻璃纖維增強(qiáng) PC 樹(shù)脂，復(fù)合材料的透光性和透明性顯然會(huì)受到影響，而且玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，影響越大。

表1 不同類(lèi)型玻璃折射率

HR玻璃為新開(kāi)發(fā)的高折射率玻璃纖維，其折射率為1.585左右，與 PC 樹(shù)脂相當(dāng)。圖1為 ECT 玻璃和 HR 玻璃增強(qiáng) PC 樹(shù)脂復(fù)合材料的透光率測(cè)試情況，可以看出，相同玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，HR 玻璃增強(qiáng)PC樹(shù)脂復(fù)合材料的透光性明顯優(yōu)于 ECT 玻璃，而且玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，效果越明顯。玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時(shí)，HR 玻璃樣條透光率比 ECT 玻璃提高了近6倍；玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%時(shí)，HR 玻璃樣條透光率比ECT 玻璃提高了近8倍。

圖1 ECT玻璃和HR玻璃增強(qiáng)PC復(fù)合材料透光率

2.2 HR 玻璃纖維力學(xué)性能對(duì)比

作為增強(qiáng)基材，HR 玻璃纖維不僅需要較高的折射率，還應(yīng)具有良好的力學(xué)性能。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)HR 玻璃力學(xué)性能，本文選擇目前行業(yè)主流的 ECT玻璃和 TM+玻璃作對(duì)比參照。ECT 玻璃是目前應(yīng)用最為廣泛的無(wú)硼無(wú)氟玻璃纖維，能夠滿(mǎn)足絕大部分熱塑復(fù)合材料的力學(xué)性能要求，而 TM+玻璃是當(dāng)前主流的高強(qiáng)度高模量玻璃纖維。圖2和圖3是HR 玻璃與 ECT 玻璃、TM+玻璃浸膠紗線強(qiáng)度和模量對(duì)比情況。

圖2 不同類(lèi)型玻纖浸膠紗線拉力強(qiáng)度對(duì)比

圖3 不同類(lèi)型玻纖浸膠紗線拉伸模量對(duì)比

可以看到，HR玻璃紗線拉伸強(qiáng)度超過(guò)2700 MPa，略低于 TM+玻璃，比 ECT 玻璃高出8%以上；HR 玻璃的拉伸模量表現(xiàn)更為突出，均值超過(guò)92 GPa，與TM+玻璃處于同一水平，明顯優(yōu)于ECT玻璃。

優(yōu)異的力學(xué)性能對(duì)透明性復(fù)合材料意義重大，這意味著可以使用更少的玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)就能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。而玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，復(fù)合材料的透明性也會(huì)越好。因此在相同條件下，HR 玻璃性能優(yōu)勢(shì)更明顯。

2.3 HR玻璃增強(qiáng) PC 樹(shù)脂復(fù)合材料力學(xué)性能比較

聚碳酸酯樹(shù)脂熔體粘度高，玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)高時(shí)分散困難，性能波動(dòng)較大，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，本實(shí)驗(yàn)選擇相同單絲直徑、相同浸潤(rùn)劑處理的 ECT 玻纖樣品作為參照，在相同工藝條件下制備樣條檢測(cè)，橫向?qū)Ρ攘W(xué)性能。測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同玻纖含量下PC復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度對(duì)比

圖5 玻纖增強(qiáng)PC復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度對(duì)比

可以看到，HR 玻璃纖維添加到聚碳酸酯復(fù)合材料中，其力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)也同樣表現(xiàn)良好。相同工藝條件下，當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，ECS307-3-K/HR 注塑樣條的拉伸強(qiáng)度比ECT玻璃提高了9.3%左右；當(dāng)玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%、30%時(shí)，其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度也都要比 ECT 玻璃提高7%以上。同樣的，不管是玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)低還是玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，HR 玻纖注塑樣條的彎曲模量也都明顯優(yōu)于 ECT 玻纖樣品（見(jiàn)圖6）。

圖6 不同玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)下復(fù)合材料拉伸模量對(duì)比

圖7 玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%時(shí)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度對(duì)比

圖7為玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%樣品的沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。相對(duì)于拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，聚碳酸酯復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度離散性偏大。從本次測(cè)試結(jié)果看，HR 玻纖樣條沖擊強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)不太明顯，但整體水平也不低于ECT玻璃。

3 結(jié)論

（1）HR 玻璃折射率為1.58~1.59，與 PC 樹(shù)脂的折射率相當(dāng)，用于增強(qiáng) PC 樹(shù)脂時(shí)，復(fù)合材料的透明性可以大幅提高。

（2）除了折射率高外，HR 玻璃纖維還具有良好的力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度和拉伸模量都明顯優(yōu)于普通無(wú)氟無(wú)硼 ECT 玻璃，尤其是拉伸模量，達(dá)到92 GPa左右，基本達(dá)到高模玻璃纖維水平。

（3）HR 玻璃纖維產(chǎn)品（ECS307-3-K/HR）與PC 樹(shù)脂具有良好的相容性，用其增強(qiáng)的復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)仍有良好體現(xiàn)，整體水平均優(yōu)于 ECT玻璃。