一種高模量玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料的制備與研究＊

周建剛，梁 珊，楊小祥，王 藝，晏 斌，康 鴻

（重慶國際復(fù)合材料股份有限公司，重慶 400082）

0 前言

作為最主要的通用塑料之一，聚丙烯密度小、成本低、產(chǎn)量大、性價比高、化學(xué)穩(wěn)定性好、易于加工成型和回收利用［1］。因其具有的良好性能，聚丙烯被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、家用電器、包裝材料和建筑材料等各個領(lǐng)域。然而隨著社會進(jìn)步及科技發(fā)展，聚丙烯較低的強(qiáng)度和模量已不能滿足在一些工程領(lǐng)域的應(yīng)用［2］。提高聚丙烯的強(qiáng)度及模量是拓寬其應(yīng)用的必要途徑，也是聚丙烯高性能化的關(guān)鍵。玻璃纖維（GF）作為一種性能非常優(yōu)異的無機(jī)材料，具有高強(qiáng)度和高模量，同時價格也比較便宜，是一種非常通用的增強(qiáng)材料體［3］。當(dāng)其加入到聚合物基體中時，主要起增強(qiáng)作用，可顯著提高聚合物基體的力學(xué)性能和耐熱性能。隨著材料要求輕量化、薄壁化及高流動性，聚丙烯的共混改性要求已越來越高，高模量低形變復(fù)合材料漸得客戶 青睞［4-6］，本文主要研究分析影響玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料模量的因素，為制備高模量復(fù)合材料產(chǎn)品提供一些思路及方向。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚丙烯樹脂：K7726H，燕山石化；

聚丙烯樹脂：1352F，3084H，寧波臺塑；

玻璃纖維（GF）：ECS305-4.5-K/ECT、ECS305G- 4.5-L/ECT、ECS305-4.5-H/ECT，重慶國際復(fù)合材料股份有限公司；

其他助劑：市售。

1.2 主要設(shè)備

同向雙螺桿擠出機(jī)：CTE-35，科倍隆（南京）機(jī)械有限公司；

高速混合機(jī)：SHR-100，張家港市億利機(jī)械有限公司；

注塑機(jī)：EM120-SVP/2，震雄集團(tuán)；

電子萬能材料試驗機(jī)：5982型，英斯特朗（上海）試驗設(shè)備貿(mào)易有限公司；

熔體流動速率儀：RL-Z1B1型，上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司；

偏光顯微鏡：ProgRes C5，北京普瑞賽司儀器有限公司。

1.3 實驗部分

使用高速混合機(jī)將PP樹脂與相關(guān)助劑混合均勻后，通過雙螺桿擠出機(jī)，將樹脂與玻璃纖維熔融擠出成型，切粒后烘干，注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條，待測試分析。

性能測試：彎曲強(qiáng)度按照GB/T 9341-2000《塑料彎曲性能實驗方法》測試。

熔體流動速率測試：熔體流動速率按照GB/T3682-2018《熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率方法》測試。

纖維保留長度測試：將擠出造粒的粒料于馬弗爐中650 ℃，放置2 h燃燒充分，殘余玻纖放置于載玻片上，在偏光顯微鏡下觀察纖維保留長度。

2 結(jié)果及討論

2.1 玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對模量的影響

在玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料中，玻纖起著骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用，以承擔(dān)外加應(yīng)力與載荷；同時，玻纖在一定程度上還可以促進(jìn)PP結(jié)晶，起類似成核劑的作用，在一定程度上提高復(fù)合材料的強(qiáng)度［7］。

從圖1可知，玻纖用量對PP復(fù)合材料彎曲模量影響顯著。隨著玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合材料模量呈明顯上升趨勢。這是因為玻纖本身模量較PP基體樹脂高很多，當(dāng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料受到應(yīng)力彎曲時，PP樹脂會發(fā)生塑性屈服，而起增強(qiáng)骨架作用的玻纖所承受的應(yīng)力要比PP樹脂大得多。這時纖維周圍的樹脂就存在一個應(yīng)力變小的區(qū)域，在這個區(qū)域中纖維要有一定程度的交疊，才能使其傳遞外力作用，提高材料的強(qiáng)度。玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其纖維密度越大，可抵抗的外力越大，因而PP復(fù)合材料的彎曲模量越高，剛性越大。

圖1 玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對模量的影響

2.2 玻纖增強(qiáng)不同基體樹脂對模量的影響

在玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料中，基體樹脂選型非常重要，基體樹脂對最終材料性能影響顯著［8］。

從表1可知，不同牌號PP樹脂，其主要物性如熔融指數(shù)根據(jù)用途有明顯不同，本文所選3種基體樹脂模量基本相當(dāng)，考察樹脂流動性對性能影響。

表1 不同牌號聚丙烯主要物性

從圖2可知，相同玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，不同牌號PP樹脂制備的復(fù)合材料彎曲模量差異明顯。基本上隨著熔融指數(shù)（簡稱“熔指”）的降低，模量也變小。熔指反映材料的粘度，流動性。熔指高，材料粘度小，流動性好；熔指低，材料粘度大，流動性差。

圖2 不同樹脂對模量的影響

從表2亦可知，基體樹脂流動性越好，所制備的復(fù)合材料流動性也越好，模量也越高。這主要是因為基體樹脂的粘度越小，即熔指越高，玻纖越容易分散在樹脂基體中，玻纖和基體能更好的承載和傳導(dǎo)應(yīng)力，也直接導(dǎo)致其性能更加優(yōu)異。

表2 玻纖增強(qiáng)不同PP復(fù)合材料主要物性

2.3 玻纖保留長度對模量的影響

在玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料中，玻纖均勻分布在基體樹脂中，其纖維長度越長，越容易相互交疊呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以能承受更大的應(yīng)力，性能越高［9］。

將表2中的粒料分別測試保留長度，得到圖3結(jié)果。從圖3可以看出，流動性最好的基體樹脂1352F，其玻纖保留長度也最長。這是因為基體樹脂流動性越好，在相同加工工藝前提下，對玻纖摩擦損傷最小，導(dǎo)致其保留長度越長。

從圖4中可以看出，相同配方情況下，改變擠出加工工藝，對纖維保留長度會產(chǎn)生較大影響。

圖4 擠出工藝對纖維保留長度的影響

擠出工藝改變，導(dǎo)致聚合物加工過程中剪切強(qiáng)度發(fā)生改變。剪切力越強(qiáng)，所產(chǎn)生的能量越大，對纖維的破壞越大，導(dǎo)致纖維保留長度越短，致使復(fù)合材料彎曲模量越小（表3）。

表3 擠出工藝對纖維保留長度的影響

2.4 纖維直徑對模量的影響

采用3種不同纖維直徑的短切玻纖增強(qiáng)相同PP樹脂基體，考察對其復(fù)合材料模量影響。

從表4及圖5中可以看出，纖維直徑范圍在10.5～14.0μm時，所制備的復(fù)合材料彎曲模量相差甚小。這可能是因為，纖維直徑在此區(qū)域內(nèi)，在基體樹脂中分布的纖維密度及長度相差不大，導(dǎo)致模量相差很小。

表4 纖維直徑對模量的影響

圖5 纖維直徑對模量的影響

3 結(jié)論

根據(jù)實驗過程，得出以下結(jié)論：

（1）玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對復(fù)合材料模量影響顯著，玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合材料模量越高；

（2）基體樹脂流動性越好，纖維保留長度越長，復(fù)合材料模量越高；

（3）相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，提高纖維保留長度，對復(fù)合材料模量越有利；

（4）纖維直徑在一定范圍內(nèi)，復(fù)合材料模量相差不大。