连续长玻纤增强PBT复合材料的制备及性能研究

宋功品 陆蕾蕾 沈澄英 徐晓峰

(1.江阴职业技术学院,江苏 江阴,214405; 2.江阴德瑞改性塑料新材料有限公司,江苏 江阴,214424)

连续长玻纤增强PBT复合材料的制备及性能研究

宋功品1陆蕾蕾1沈澄英1徐晓峰2

(1.江阴职业技术学院,江苏 江阴,214405; 2.江阴德瑞改性塑料新材料有限公司,江苏 江阴,214424)

通过自制的浸渍挤出机头制备了连续长玻纤增强聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)复合材料，讨论了生产工艺、玻纤含量、玻纤分布等对复合材料性能的影响。结果表明，复合材料合适加工温度是240～260 ℃；与传统玻纤增强PBT相比，连续长玻纤增强PBT复合材料中玻纤平均长度增加，复合材料的综合性能有提高；连续长玻纤含量越高，复合材料综合性能越好，当玻纤质量分数从20%增加到50%时，复合材料强度、模量增加1倍左右，热变形温度达到234 ℃，同时粒子和试样表面也变得粗糙。

连续长玻纤 增强 聚对苯二甲丁二醇酯 复合材料 性能

聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)具有结晶速度快、耐化学药品性、易高速成型、磨擦磨耗性能优良、电性能、吸湿率低等优点[1]。但是，纯PBT树脂的成型收缩率较大，存在缺口冲击强度低、高温下刚性差等缺点，限制了其应用。市场大部分PBT的终端应用产品都是短玻璃纤维增强PBT复合材料。

长玻纤增强热塑性塑料(LGFRT)是近年来市场增长最快的一类高性能复合材料，其最突出的优点是刚度和强度高，耐热性、抗蠕变性、尺寸稳定性优良，使用寿命长，在汽车等中，获得较多应用[2-4]。国内市场上LGFRT的种类主要以长玻纤增强聚丙烯(PP/LGF)和长玻纤增强尼龙(PA/LGF)为主，其中，PP/LGF占LGFRT 60%的份额，PA/LGF占30%左右，其他如长玻纤增强聚甲醛(POM/LGF)、长玻纤增强聚醚醚酮(PEEK/LGF)等约占10%，文献中有关连续长玻纤增强PBT的报道较少[5]。本工作采用自制的浸渍挤出机头制备了连续长玻纤增强PBT复合材料，考察了生产工艺、玻纤含量、玻纤分布等对复合材料性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料

PBT(黏度2 dL/g)，江阴和时利工程塑胶有限公司；乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯的共聚物，AX8900(下文以AX8900表示)，法国阿科玛有限公司；抗氧剂168,1010，汽巴化学有限公司；玻璃纤维，ERS200-13-T635B，泰山玻璃纤维有限公司；其他加工助剂，市售。

1.2 主要设备及仪器

高速混合机,SHR-5，张家港创新机械有限公司；同向双螺杆挤出机,SJSH-30，河北石家庄星硕机械有限公司；注塑机,SZ-800，张家港神舟机械有限公司；万能拉伸试验机,WDT-11，河北金建检测设备有限公司；悬臂梁冲击试验机,XJU-5.5，河北金建检测设备有限公司；数字显微镜,200万像素，上海蒲柘光电仪器有限公司。

1.3 连续长玻纤增强PBT复合材料制备及制样

PBT树脂120 ℃烘干2 h，将烘干的PBT,AX8900、抗氧剂、其他加工助剂按照一定配比在高混机中混合均匀，再在SJSH-30型双螺杆挤出机中熔融挤出，在挤出机机头处引入经热风处理过的商用玻纤，通过自制的浸渍机头制成连续长玻纤浸渍PBT复合材料，冷却，风干造粒，挤出温度为220～240 ℃，浸渍机头温度为245 ℃，切粒长度为15 mm。

玻纤浸渍PBT粒子120 ℃烘干4 h后，采用SZ-800注塑机制样。注塑温度260 ℃，注塑压力80 MPa，保压时间2 s，冷却15 s，充模3 s。

1.4 性能表征

玻纤含量检测：灼烧法。玻纤分布情况：数字显微镜观察。拉伸性能的测试按ISO527/2标准，拉伸速率50 mm/min。弯曲性能的测试按ISO178标准，试验跨度64 mm，弯曲速率2 mm/min。冲击强度的测试按ISO180标准。

2 结果讨论

2.1 挤出浸渍工艺分析

将干燥后的PBT树脂与各种加工助剂高速混合后，加入挤出机中。该挤出机双螺杆端头增加了带凹槽的对辊元件，由同向旋转双螺杆熔融向前输送，连续长玻纤经过热风管后由浸渍机头上口加入，以30°～60°角度通过旋转对辊的两辊夹缝，同向旋转的对辊使长玻纤分散。同时使熔融的热塑性树脂对长玻纤的产生充分浸渍，浸渍的长玻纤通过导向辊导向后，从浸渍机头出口经外导向辊导出。将制备的连续长玻纤增强PBT复合材料经水槽冷却、风干、牵引、定制5～10 mm切粒，得到连续长玻纤增强PBT复合材料颗粒。

试验中变换切粒牵引速度，发现浸渍效果与温度关系较大，对牵引速度不敏感，具体见表1。当挤出浸渍机头温度低于200 ℃时，PBT熔体黏度较大，很难浸渍长玻纤，勉强挤出后包覆在长玻纤外，如套管一样。当浸渍机头温度升到220 ℃时，挤出较为正常，PBT熔体对长玻纤有部分浸渍。长玻纤束中心部分未被浸渍；当浸渍机头温度升到240 ℃时，PBT熔体黏度较低，长玻纤浸渍效果较好，挤出正常；当浸渍机头温度升到260 ℃时，挤出浸渍也正常。但挤出时间稍长后，粒子表面发暗，有黄线，熔体有一点发泡现象，应该是PBT部分降解。

2.2 不同工艺长玻纤增强PBT复合材料的对比

传统长玻纤增强PBT复合材料是长玻纤与树脂在双螺杆中剪切混合，连续长玻纤增强PBT是长玻纤在挤出浸渍机头浸渍PBT熔体。

长玻纤增强复合材料中玻纤残留长度会影响复合材料的性能。图1是2种不同工艺的拉条粒子的长玻纤显微照片。由图1可见，在传统玻纤增强PBT复合材料中，玻纤受到螺杆的强剪切，玻纤保留长度必然短；浸渍玻纤增强PBT复合材料中，玻纤仅受微弱剪切，玻纤保留长度较长。

将不同工艺长玻纤增强PBT复合材料性能对比，结果见表2。表2表明连续长玻纤浸渍增强PBT复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度、热变形温度等性能均优于传统玻纤增强PBT复合材料的。

将试样条于灰分炉中焚烧后观察玻纤情况，见图2。图2(a)是传统玻纤增强PBT复合材料玻纤灰分及显微照片，图2(b)是连续长玻纤增强PBT复合材料玻纤灰分及显微照片。由图2可见，传统玻纤增强复合材料中玻纤坍塌、不蓬松，表明玻纤短、分布杂乱；连续长玻纤增强复合材料中玻纤不坍塌，结构蓬松，表明玻纤长、玻纤交织多。将焚烧后玻纤用显微镜观察，也发现，传统工艺玻纤增强复合材料中玻纤保留长度短，连续长玻纤增强复合材料中玻纤保留长度长。

2.3 长玻纤含量对复合材料的性能影响

连续长玻纤增强PBT复合材料中长玻纤起骨架作用，长玻纤的含量影响着复合材料的性能。不同长玻纤含量的长玻纤增强PBT复合材料性能见表3。由表3可以看出，随长玻纤含量增加，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、热变形温度都在上升。当长玻纤质量分数从20%增加到50%时，复合材料强度、模量增加1倍左右，热变形温度也提高19.4%，达到234 ℃。复合材料的冲击强度在长玻纤质量分数40%左右时，达到最高值42.3 kJ/m2，当长玻纤质量分数达到50%时，复合材料的冲击强度略有下降，可能是长玻纤的大量加入，产生了长玻纤的聚集，形成了应力集中区，当复合材料受到冲击时，应力集中区首先受到破坏。

试验中发现长玻纤质量分数在30%以下时，粒子和试样表面光滑，当长玻纤质量分数增加到40%时，粒子表面略有粗糙，试样表面光滑，当长玻纤质量分数增加到50%时，粒子和试样表面均变得粗糙，长玻纤外露严重，因此实际应用时长玻纤质量分数应控制在40%以下。

图3是长玻纤质量分数30%的复合材料样条的冲击断面显微照片。图3是从断面斜上方拍照的，通过照片可以看出树脂中的长玻纤表面附有PBT，长玻纤与PBT树脂间形成了良好的界面结构，当受外力时，PBT可以将其所承受的载荷通过界面传递给长玻纤，以充分发挥其增强作用，从而使复合材料整体表现出更好的强度。

3 结论

a) 通过自制的浸渍机头，制备了连续长玻纤增强PBT复合材料；连续长玻纤增强PBT复合材料在温度240～260 ℃、中等牵引速度下挤出造粒效果最好，其中挤出加工温度对复合材料的生产影响明显。

b) 复合材料中长玻纤含量越高，复合材料综合性能越好，当长玻纤质量分数从20%增加到50%时，复合材料强度、模量增加1倍左右，热变形温度也提高19.4%，达到234 ℃。但复合材料中长玻纤质量分数超过40%后，复合材料粒子表面变得粗糙，实际应用中长玻纤质量分数应控制在40%以下。

[1] 杨勇，张师军.PBT共混改性研究最新进展[J].塑料，2004，33(4):39-46.

[2] 张晓明，刘雄亚.纤维增强热塑性复合材料及其应用[M].北京:化学工业出版社，2007:1.

[3] 段召华，陈弦.长玻纤增强复合材料的浸渍技术的发展研究[J].塑料工业，2008，36:221-224.

[4] 张宁，李忠恒，陶宇，等.长玻纤增强聚丙烯复合材料的研究[J].塑料工业，2006，34(12):29-32.

[5] 贾明印，薛平.长玻纤增强热塑性塑料的成型技术及应用进展[J]. 化工新材料,2011,(6)：39-44.

Sabic 公司推出新型医用包装牌号

据“www.prw.com”报道，Sabic公司最近推出了应用在医疗领域的新型低密度聚乙烯(LDPE)，该新牌号LDPE PCG06适用于吹灌封(BFS)工艺制造的半刚性塑料瓶(用于包装各种大体积溶液如生理盐水或葡萄糖静脉注射)。

使用Rommelag吹填封321型制瓶机对LDPE PCG06进行了测试，发现它只需要在市场基准加工参数上轻微调整便可加工。Martin Groh，Kocher-Plastik公司技术经理说：“基于我们在321型号机器进行的测试中，SabicLDPE PCG06可以应用我公司的LDPE设备在制瓶机上生产出瓶子。”

LDPE DCG06还提供更好的阻隔性能。由于其结构密度的优化，能阻隔氧和水蒸气以及能承受的高压灭菌温度都优于市场基准。LDPE的Sabic技术市场医疗保健部工程师Marnik Vaes说：“在药品的预期保质期内提高保存效果和维护药品完整性对我们的客户来说是一个持续的挑战，我们正在加紧努力并专注于为客户提供支持。”

该产品符合欧洲和美国药典标准，在全球范围均可购买。

Owens Corning推出一款新型聚氨酯树脂

据“www.prw.com”报道，全球玻璃纤维增强材料和复合体系工程材料公司Owens Corning推出其第一个应用于汽车悬架系统的复合材料螺旋弹簧。

在巴黎举办的2015欧洲JEC复合材料展览会上展出用于聚酰胺(PA)玻璃纤维短切原丝。设在意大利的一家生产发动机系统和汽车悬挂系统柔性部件的制造商Sogefi持有该复合材料螺旋弹簧的专利。该弹簧由玻纤增强树脂(GFRP)制造，质量比传统的金属弹簧要轻40%～70%。Owens Corning为 Sogefi的复合弹簧项目特别定制了玻璃纤维，确保其制造工艺兼容，以帮助满足苛刻的性能要求。

机械性能方面，GFRP材料抗疲劳和能降低噪声和振动。还具有耐化学腐蚀、车轮清洗剂和碎石冲击的特点。

Sogefi公司称：“新的弹簧可以在不改变悬挂系统情况下安装在轿车和轻型商用车上，确保车辆质量减少4～6 kg(取决于车辆和弹簧的设计类型)，显著降低弹簧质量，提高传动精度。用不被腐蚀的材料替代钢也保证较低的噪声水平和显著减少二氧化碳排放量。”

(以上由中国石化扬子石油化工有限公司南京研究院

杜雪娟供稿)

Preparations and Properties ofContinuous Glass Long Fiber Reinforced PBT Composites

Song Gongpin1Lu Leilei1Shen Chengying1Xu Xiaofeng2

(1.Jiangyin Polytechnic College， Jiangyin,Jiangsu,214405; 2.Jiangyin Derui Modified Plastic New Material Co. Ltd., Jiangyin, Jiangsu,214424)

PBT composites reinforced with continuous long glass fiber were prepared through the self-made impregnating extruder die. The effects of production process, fiber content and fiber distribution on the composite properties were discussed. The results show that the suitable processing temperature for the composites is 240～260 ℃; and compared with the traditional fiber reinforced PBT, the comprehensive performance of the PBT composites reinforced with continuous long glass fiber increases with the increase of the average length of long glass fiber. The content of long glass fiber is higher, the comprehen of sive performance of the composites is better. When the long glass fiber content increases from 20% to 50%, the strength and modulus of the composites are increased almost to double and heat distortion temperature reaches 234 ℃ with particles and the specimen surface being rough.

continuous long fiber; reinforcement; polybutylene terephthalate; composites; properties

2014-11-27;修改稿收到日期:2015-04-15。

宋功品，毕业于合肥工业大学，主要从事高分子教学、工程塑料改性等方面工作。E-mail：Polymersong@163.com。