玻纤形态对PP/GF复合材料的性能影响与优化

许升，章建忠，樊家澍，黄建，赵星宇，费振宇，陆建明，王堃

(巨石集团有限公司产品研发中心，浙江桐乡 314500)

聚丙烯(PP)是一种常用的热塑性树脂，其分子链段规整结晶度较高，具有质量较轻、成本较低、电绝缘性好、力学性能和加工性能优异的特点，因此被广泛应用于汽车制品、电子电器等领域[1-2]。但PP存在低温冲击性能差、成型收缩率大、尺寸稳定性低的问题，限制了纯PP 树脂在实际领域中的应用[3-4]。为了解决以上问题，通常使用玻璃纤维(GF)增强PP 制备PP/GF 复合材料，GF 的引入一方面起到材料的增强作用，另一方面能有效降低复合材料成型后的尺寸收缩率[5-6]。因此，基于PP/GF的制品具有高刚性、高耐热、耐化学腐蚀性及尺寸稳定性等性能，能够应用于要求更加苛刻的领域[7]。

目前增强PP复合材料的常用短切GF主要是柱状的圆GF[8]，在复合材料注塑过程中，GF 会沿着树脂熔体流动方向发生取向，使得垂直于流动方向的收缩率显著高于平行于熔体流动方向，因此制件会发生翘曲缺陷，导致制件产品变形与装配困难等问题[9]。尤其是对于薄壁化产品，由于GF在树脂中的各向异性导致的翘曲缺陷现象更为明显[10]。解决制件翘曲的常见方法包括改进模具结构、工艺条件优化以及添加形状对称填料如玻璃微珠等[11]。近年来，随着制件薄壁化发展需求，使用扁平GF替代圆GF 也证实是解决薄壁化制件翘曲的一种有效手段[12]。扁平GF 是一种横截面为扁平状的GF[13]，其扁平程度通常用截面长直径与短直径之比即扁平比表示，目前市场上常见扁平GF的扁平比为3∶1与4∶1。研究扁平GF 增强PP 复合材料的综合性能对于制备高性能、高质量的复合材料和解决制件变形问题具有重要意义。

基于此，笔者对比研究了扁平GF与圆GF在增强PP复合材料中的性能，探究了两种PP/GF复合材料在力学性能、制件表面、翘曲程度等方面的差异性，并研究了圆GF和扁平GF复配使用的性能。本研究旨在为解决薄壁化制件尺寸变形问题提供思路，帮助理解不同形态的玻纤增强材料的性能表现和优化制备工艺，并最终为制备高性能、高强度、尺寸稳定的薄壁化复合材料提供借鉴。

1 实验部分

1.1 实验原料

圆GF:ECS10-03-508A (简称GF10)，纤维直径10 μm，短切长度3 mm，巨石集团有限公司；

扁平GF:ECS4F-03-508A (简称GF4F)，扁平比为4∶1，横截面长边为28 μm，短边为7 μm，短切长度3 mm，巨石集团有限公司；

PP树脂:T-03S，中石油化工股份有限公司；

增容剂:GPM200A，宁波能之光新材料科技股份有限公司。

1.2 主要设备与仪器

双螺杆挤出机:直径为35 mm，长径比为40，德国贝尔斯托夫橡塑机械公司；

注塑机:S-2000i100A型，日本FANUC公司；

万能材料试验机:Z050型，德国Zwick公司；

摆锤冲击试验机:6956.000 型，意大利CEAST公司；

扫描电子显微镜(SEM):S-3400N 型，日本株式会社日立制作所；

正置金相显微镜:Leica DM4M型，德国徕卡公司；

熔体流动速率(MFR)仪:RL-Z18 型，上海思尔达科学仪器有限公司。

1.3 PP/GF复合材料的制备

将PP 树脂与质量分数为4% 的增容剂预混均匀，与质量分数30% 的短切GF 经过双螺杆挤出机混合挤出，短切GF分别选用4 种短切玻纤组合，即纯圆GF(GF10)，GF10/GF4F (质量比为2∶1)、GF10/GF4F (质量比为1∶1)、纯扁平GF(GF4F)。挤出温度控制在210~230 ℃；经冷却后切割造粒，干燥后得到PP/GF 复合料粒。随后将PP/GF 料粒熔融注塑，注塑温度控制在225~245 ℃，注塑压力为750 MPa，注射速率为75 mm/s，模具温度为65 ℃；最终制成4组符合ⅠSO标准的拉伸样条、弯曲样条、冲击样条以及注塑薄板，注塑薄板尺寸为95.0 mm×65.0 mm×1.0 mm，以上4 组基于不同GF 组成的PP/GF 样品分别标记为1#样品、2#样品、3#样品和4#样品。

1.4 性能测试

复合材料的拉伸强度按ⅠSO 527-2012测试，拉伸强度测试速率为10 mm/min，拉伸弹性模量测试速率为2 mm/min；

弯曲强度按ⅠSO 178-2019测试，弯曲强度测试速率为10 mm/min，弯曲弹性模量测试速率为2 mm/min；

简支梁冲击强度按ⅠSO 179-2010测试，缺口冲击强度的缺口类型是V型；

形貌表征:将不同复合材料样条冲击断面进行喷金处理，通过SEM观察样条的冲击断面形貌并拍照；

浮纤表征:将注塑样板置于正置金相显微镜下拍摄成像，提取样板表面区域中GF相的面积占比，记为表面浮纤所占比例；

翘曲性能测试:将注塑薄板在温度(23±2) ℃、相对湿度(50±10)%环境中调理24 h，随后用夹具固定薄壁制品一端，使用高度游标卡尺测量制件另一端最高点到水平台的垂直距离，记为翘曲高度。

2 结果与讨论

2.1 PP/GF复合材料的力学性能

图1 是GF 质量分数为30% 时的不同PP/GF 的力学性能。由图1 可见，GF10 增强PP 的拉伸强度为101.8 MPa，随着GF4F 的使用比例增加，拉伸性能逐渐降低，使用GF10/GF4F (2∶1)和GF10/GF4F(1∶1)的拉伸性能较为接近，使用纯扁平GF 增强PP的拉伸性能为94.6 MPa (图1a)。类似地，随着扁平GF含量的增加，PP/GF的弯曲性能和冲击性能也逐渐降低(图1b~图1c)。主要是相比于圆GF，扁平GF的尺寸较大，因此比表面积较低，与树脂结合反应位点减少，因此当GF 质量分数为30% 时使用扁平GF增强PP的力学性能相对较低。

图1 不同PP/GF复合材料的力学性能(GF质量分数为30%)

进一步研究了高GF 含量(扁平GF)时PP/GF 的力学性能，测试了当GF 质量分数为50% 时PP/GF的力学性能，结果如图2 所示。当GF 质量分数为50% 时，GF10 增强PP 的拉伸强度为124.9 MPa，随着扁平GF含量的增加，PP/GF复合材料的力学性能变化不大，使用GF4F 增强PP 的拉伸强度为125.3 MPa。弯曲性能方面，PP/GF的弯曲强度随扁平GF含量的增加而逐渐提高；冲击性能也表现出相同的变化趋势。这种力学性能变化与GF 质量分数为30%时PP/GF的趋势不一致，主要是由于在高GF含量下，GF 在PP 树脂中的分散性成为影响力学性能的主导因素。扁平GF 相比于圆GF 能更好地分散在PP 树脂中，从而更有效承载外力的作用，因此在高GF 含量下使用扁平GF 可使PP/GF 表现出更优异的力学性能。

图2 不同PP/GF复合材料的力学性能(GF质量分数为50%)

2.2 PP/GF复合材料的界面性能

通过SEM表征GF质量分数为50%时PP/GF复合材料的冲击断面形貌，其SEM 照片如图3 所示。圆GF和扁平GF都与PP树脂具有较好的界面结合，这得益于GF表面浸润剂组分与PP树脂的良好界面相容性[14-15]。其中，图3a 显示纯圆GF(GF10)在PP树脂中会发生多根聚并(白色圆圈部分)，这是由于GF 含量过高时GF 难以完全分散。对于圆GF 和扁平GF复配使用体系(图3b~图3c)，可以看出扁平GF(GF4F)较为均匀地分散在圆GF 中；尤其是对于纯GF4F体系(图3d)，扁平GF在PP树脂中分散十分均匀。通过SEM图的形貌结果能很好地解释高GF含量下不同GF对力学性能的影响，虽然扁平GF尺寸较大，但其在树脂中分散性较好，因此在拉伸时具有与圆GF 相当的拉伸性能。此外，由图3 可见，扁平GF具有相对更一致的取向性，而圆GF则呈现出方向交错分散，说明在熔体流动过程中，扁平GF更容易沿着熔体流动方向发生取向。这种取向使得样条在受到弯曲应力和外界冲击时，应力相对垂直集中于扁平GF宽边，扁平GF较大的侧面会吸收更多能量，使复合材料抵抗外界变形或冲击的能力增强。因此，与圆GF相比，在高GF含量下扁平GF的引入比圆GF 具有更加优异的弯曲性能和冲击性能。

图3 不同PP/GF复合材料的冲击断面SEM照片(GF质量分数为50%)

2.3 PP/GF复合材料的翘曲性能

翘曲现象是GF增强热塑性树脂复合板材中的常见问题，主要是由于GF 在树脂中取向使得板材的横纵向收缩率差异引起的[16-17]。图4 对比研究了不同PP/GF 复合材料薄板的翘曲程度，结果表明使用纯圆GF制得PP/GF薄板的翘曲高度为13.8 mm，随着扁平GF 的加入，薄板的翘曲高度显著降低到3.1 mm。这是因为板材中的扁平GF在水平方向有一定长径比，垂直方向有一定长宽比，因此扁平GF能有效降低板材横纵向的尺寸收缩率，从而改善薄壁化板材的翘曲问题。

图4 不同PP/GF复合薄板的翘曲高度(GF质量分数为50%)

2.4 PP/GF复合材料的表面性能

通过光学显微镜研究了不同PP/GF复合材料板的外观状态，并将复合板材表面浮纤占比统计在表1中，可以看出随着扁平GF含量的增加，PP/GF复合材料板的表面浮纤量逐渐减少，这是由于扁平GF与PP 树脂相容性较好，并且在PP 树脂中分散较为均匀。因此，与纯圆GF 相比，扁平GF 的使用能减少高GF含量下PP/GF复合材料中的表面浮纤。

表1 不同PP/GF复合材料板的表面浮纤占比(GF质量分数为50%)

3 结论

(1)低GF含量(质量分数30%)时，PP/GF的力学性能随扁平GF用量的增加而降低，此时GF的比表面积占主导地位；高GF含量(质量分数50%)时，PP/GF 的力学性能随扁平GF 用量的增加而提高，尤其是冲击性能和弯曲性能提高较为明显，此时GF 的分散性占主导地位。

(2)高GF含量下，扁平GF比圆GF在PP树脂中分散更为均匀，并且更易在熔体流动方向发生取向；基于扁平GF 增强的PP 复合材料薄板具有更低的翘曲程度以及更光洁的表面。

(3)圆GF和扁平GF复配使用，能获得更加平衡的力学、翘曲、外观等综合性能，尤以质量比为1∶1的配比使用能获得较高的性价比。