玻璃纤维增强聚丙烯复合材料：轻量化材料评述

唐 潇， 孙秀玉， 王振卫

(上海应用技术大学 化学与环境工程学院， 上海 201418)

0 前言

玻璃纤维增强聚丙烯(GF-PP)在聚丙烯(PP)原有性能的基础上，改善了耐热性，大幅提高了低温冲击强度和力学性能，制品收缩率减小。与其他热塑性塑料相比，GF-PP成型流动性好，加工方便；其相对密度(1.1～1.2 g/cm3)远小于铁等金属材料，质轻且价格低，将GF-PP取代金属材料用于汽车部件和承载结构，能起到明显减轻工件质量的效果[1]，因此被大量用于汽车和机械工业。GF-PP主要分为两类，一类使用短玻璃纤维(玻璃纤维保留长度为0.5～0.6 mm)作为增强材料，称为短玻璃纤维增强聚丙烯(SGF-PP)，另一类使用连续长玻璃纤维作为增强材料，称为长玻璃纤维增强聚丙烯(LGF-PP)。LGF-PP具有更高的强度、抗冲击性能和蠕变性能，比SGF-PP具有更广泛的应用[2-3]。

1 GF-PP材料性能的影响因素

1.1 玻璃纤维保留长度

当LGF-PP受到冲击时，基体树脂在应力作用下会产生裂纹，当裂纹扩展到玻璃纤维，长纤维会使裂纹沿其取向或垂直取向的方向扩展，改变了裂纹的扩展方向，消耗更多的冲击能，所以玻璃纤维的长度对复合材料的力学性能有明显的影响[4-5](见表1)。当玻璃纤维保留长度从2.06 mm增加到4.66 mm时，材料的悬臂梁缺口冲击强度从13.2 kJ/m2提高到23.4 kJ/m2[6]。在玻璃纤维含量相等时，将长玻璃纤维作为增强材料，复合材料的弯曲性能和热变形温度都要高于短玻璃纤维[7]。长玻璃纤维粒料中混入少量的短玻璃纤维粒料可以优化复合材料内部的纤维取向，增强复合材料的强度[8]。其中，制备方法对玻璃纤维的长度有很大影响。

表1 制品中玻璃纤维保留长度对GF-PP力学性能的影响

1.1.1 一步法制备

一步法[9]制备的GF-PP，连续玻璃纤维、塑料和助剂在注塑生产线上直接配混，省去了中间的造粒工序，最大程度上保留了成品中玻璃纤维的长度，平均玻璃纤维保留长度可以保持在8 mm 左右[10]。但是目前在线混合的技术还不够成熟，设备投资大，限制了该方法的发展。

1.1.2 两步法制备

传统的制备方法为两步法，即预浸渍后再成型加工，工艺较为成熟。常用的浸渍技术有熔融浸渍、粉末浸渍、混纤纱法浸渍等。熔融浸渍技术[11]是将PP加热熔融，然后将混料造粒，得到高流动性的PP粒子，再引入玻璃纤维。粉末浸渍技术[12-13]可分为湿法和干法。湿法是将PP制得的微米级颗粒悬浮分散在浸胶系统中，纤维在牵引系统的作用下通过浸胶系统使树脂粉末附着在纤维表面，经过基体悬浮液充分浸渍后，进入加热炉中熔融、烘干最后加热定型完成即可制成预浸料。干法是通过粉末流化或者静电吸附的方式，将展开的纤维通过充满粉末的区域使纤维束被树脂粉末包裹，然后加热使粉末熔融从而得到预浸料。混纤纱法浸渍技术[14]是将PP和玻璃纤维拉丝后合股,使得玻璃纤维和PP在理论上达到单丝分散水平。成型过程中，熔融的PP成为树脂基体，均匀地包覆在玻璃纤维上，再冷却切粒。熔融浸渍技术可以精准地控制玻璃纤维的含量，混纤纱法浸渍技术能够很大程度地保留玻璃纤维的长度和提高纤维含量。

制得LGF-PP粒料后，根据不同制品的特性选择模压、注塑、挤出等成型方法加工制得最终产品，成型加工过程中仍会造成不同程度的纤维断裂，可根据最终样品的需要，选择不同的制备方法。

1.2 玻璃纤维含量

玻璃纤维含量对LGF-PP的拉伸强度和冲击强度有明显的影响。复合材料的刚度随玻璃纤维含量的增加而线性增加，可从1.6 GPa增加到4.8 GPa[15]。对熔融浸渍工艺制备的LGF-PP进行力学测试，结果表明:当玻璃纤维质量分数为50%时，复合材料的力学性能最佳，复合模量与纤维含量呈线性关系，材料的力学性能随玻璃纤维含量的增加，表现出先增大后减小的趋势(见图1)[16-17]。

图1 玻璃纤维含量对LGF-PP力学性能的影响

1.3 PP

不同PP作为基体对LGF-PP复合材料的性能也有一定影响。树脂的流动性越好，对玻璃纤维的浸润程度就越高，复合材料的力学性能就越好。含乙丙橡胶的共聚PP由于乙烯单体的引入，流动性高于均聚PP，在室温下冲击强度高于均聚PP约10 kJ/m2[18]。

1.4 其他因素

成型工艺及其工艺参数对LGF-PP复合材料的力学性能会有一定的影响[19-20]。不同的成型工艺会使制品中玻璃纤维的保留长度不同，从而影响制品的力学性能。增加螺杆速度和熔融基质黏度会增加纤维断裂的程度[21]。在聚合物稳定性范围内，熔体温度和螺丝配置可以影响玻璃纤维的长度从而影响复合材料的性能[22]，增加熔体温度和优化螺丝设计对保持玻璃纤维长度都有积极影响。注射速度的提高会导致极限拉伸应力的降低[23]。不同的注射温度对LGF-PP复合材料的力学性能、结晶能力、耐热性和动态力学性能都有影响[24]。当注射温度为290 ℃时， LGF-PP复合材料的力学性能最好。随着注射温度的升高，LGF-PP复合材料的结晶度逐渐增加。浸渍时间也会对GF-PP的性能产生影响，浸渍时间较短，PP与玻璃纤维的界面附着力较弱；浸渍时间适中时，PP与玻璃纤维的界面附着力非常好。冷却速率对GF-PP力学性能的影响包括拉伸强度、层间剪切强度、断裂韧性及冲击性能。在较高的冷却速度下GF-PP的拉伸强度降低，但是断裂韧性却随着冷却速率的增加而增加[25]。

相容剂与功能助剂能够改变PP流体的黏度使其更好地浸渍纤维，可以小幅度地增强复合材料的力学性能[26]，使用相容剂还可以明显提高复合材料的耐水解性[27]。用马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)作为相容剂，当PP-g-MA添加质量分数为7%时，LGF-PP复合材料达到最大力学性能和储能模量，复合材料的界面结合强度有了明显改善[28]。添加硅烷偶联剂可以同时调节复合材料的界面结合与力学性能[29](见图2)。使用β-成核剂制备β-聚丙烯，使基体更加柔软，有利于吸收能量和增强韧性，增强了PP的韧性、结晶能力和耐热性，可使GF-PP的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均显著提高[30]。复合材料中分散良好的CaCO3的存在提高了断裂伸长率和维卡软化温度[31]。少量矿物纤维的加入使复合材料的一些性能得到增强，注射成型的短玻璃纤维/硅灰石/PP复合材料具有良好的力学性能，以及较低的表面粗糙度和成本。结果表明，填充PP的拉伸性能、弯曲性能和冲击性能均高于未填充PP。

图2 界面相容剂对力学性能的影响

风化老化会使GF-PP复合材料降解，降解不仅发生在GF-PP表面，而且还发生在内部基体和界面上，而加入炭黑和紫外吸收剂使GF-PP复合材料具有良好的耐候性[32]。

2 GF-PP的应用

GF-PP有较低的密度(1.1～1.2 g/cm3)，在PP原有性能的基础上，GF-PP的耐热性、低温冲击强度、力学性能均有所提高(见表2),具有强度高、刚性好、耐腐蚀性好、使用寿命长、精度高、尺寸稳定性好、耐蠕变性能好、耐疲劳性能优良、设计自由度高、成型加工性能良好，以及可回收重复使用等优点，可用于国防军事、能源、机械及汽车等领域，其中80%左右都应用于汽车行业，是实现汽车轻量化的主要材料之一[33]，见图3。

表2 PP与GF-PP复合材料性能比较

图3 LGF-PP的应用领域

LGF-PP应用于汽车保险杠防撞梁，其耐撞性通过基本力学性能测试和仿真碰撞测试，在保证防撞梁耐撞性的同时，质量比原铝合金材料降低了11.2%，轻量化优势明显[34]。LGF-PP在汽车领域的应用还包括仪表盘、电池托架、底盘盖板、备用胎舱、前端组件、座椅支撑板等[35]。使用LGF-PP替代软质仪表板骨架的常规填充PP材料、发动机散热风扇的尼龙材料、换挡机构的金属材料和短纤维尼龙材料、座椅靠背的钢材骨架后可减轻汽车质量20%～30%。车门模块使用了包含40%(质量分数)玻璃纤维的LGF-PP，结果表明：与传统钢相比，车门模板的质量减少了21.5%[36]。轻质玻璃纤维毡增强热塑性聚合物(GMT)强度高、刚性好，还具有良好的吸音性能和导热性，近年来逐渐替代了早期的PP木粉板，用于制作高拉伸车内饰件及汽车后隔板[37-38]。

GF-PP在机械领域可以用于电机过滤器罩、风叶片、导流管扇叶和水泵、真空泵、压缩机转子等的零部件。GF-PP在家电领域可以用于洗衣机滚筒、洗衣机三角支架、空调风扇等，都具有很高的性价比。

3 GF-PP的回收再利用

GF-PP作为一种热塑性塑料，可以重复加工成型，边角余料可以回收利用[39]，不污染环境，是一种环境友好型材料。目前，处理此类复合材料的常用方法有焚烧、直接再利用、热分解、填埋等[40]。

大多废旧塑料作为有机聚合物，含有较多的能量，热值(可达20 MJ/kg)与燃煤、天然气的热值相近，可燃烧产生热量；但废旧塑料在焚烧过程中会产生有害物质, 如果含有镉、铅等重金属化合物，还会随烟尘、焚烧残渣一起排放，污染环境。

直接再利用法分为机械磨削法与溶解法。机械磨削法通常要经过筛选与分离、破碎等步骤，通过挤出成型制成塑料再生粒，最后再经由几种成型方法将回收料重新制成产品。但该法在造粒之前必须加热干燥，因此能耗较高，且重新制成的产品在PP分子量和纤维长度上会有所降低，对性能会有一定程度的影响[41]，应该进行梯次重复利用，不宜制作高档次产品。将回收的LGF-PP与SGF-PP组成再生复合材料，通过控制再生材料的比例，在保证力学性能的同时，还具有一定的经济和环境效益[42]。回收的树脂基体可以与木屑混合压制成板，力学性能与由原始塑料制成的复合材料的力学性能几乎一致[43]。

溶解法[44]是将切碎的物料溶解于合适的溶剂中，再通过滤网将玻璃纤维和树脂基体分开，在回收过程中可保持树脂的刚度和强度。但是该方法的回收工序复杂，使用了有机溶剂，易对环境造成污染。

热分解法是将物料置于有氧或无氧环境中，使树脂基体受热裂解，从而得到纤维增强体和树脂裂解后产生的其他有价值的副产品。通过热解法得到的玻璃纤维拉伸强度会降低 50%～80%。热分解温度取决于塑料的种类、组成及回收的目的产品。温度超过600 ℃时，主要得到混合燃料气，如CH4、H2、轻烃;温度在400～600 ℃时，主要得到混合烃、重油、煤油混合燃料油等。

4 结语

以LGF-PP为代表的高性能低密度复合材料在汽车的仪表盘、前端组件、车门模块、座椅、保险杠等部件的占比越来越多，制备工艺也逐步精进，玻璃纤维的长度和含量是影响LGF-PP弯曲强度、冲击强度和热变形温度的直接因素，成型工艺、工艺参数及相容剂等通过影响玻璃纤维的保留长度和玻璃纤维与树脂的结合从而影响最终制品的性能。因此，未来的研究方向可能为优化加工工艺、改善工艺参数、寻找更好的相容剂，使复合材料具有更好的力学性能。

LGF-PP可重复加工，具有可回收性，但回收过程能耗大，回收溶解时使用的有机溶剂会对环境造成污染，且回收后的材料各种性能都会降低。在回收利用方面，未来的研究趋势可能有以下三个方面：通过改进回收工艺，避免玻璃纤维的长度大幅度下降；寻找更合适的有机溶剂，减少对环境的污染；对回收的复合材料进行改性使其综合性能提高。