長玻纖改性熱塑性復合材料研究進展

摘 要： 綜述了近年來長玻璃纖維（LGF）改性熱塑性復合材料的研究進展，主要以聚丙烯為例，介紹了纖維相對含量、分布均勻性及纖維與基體界面結合強度對LGF改性熱塑性復合材料力學性能的影響以及LGF改性熱塑性復合材料阻燃機理的改性研究。

關鍵詞： 長玻璃纖維（LGF）;聚丙烯;阻燃性能;力學性能

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熱塑性材料由于其高比強度、優異的加工性能和穩定性強等特點，已經廣泛應用于在飛行器、車輛交通、民用建筑等領域。然而，隨著現代科技的進步，對熱塑性材料強度和硬度提出了更高的要求，制約了其在進一步的推廣和應用。為了增強熱塑性材料的綜合性能，一些研究者將增強劑添加到熱塑性基底材料中，使材料的力學性能得到顯著提升。LGF由于易獲取、縱橫比高、比強度大、熱穩定性好和相容性強等優點，在提升熱塑性材料的強度、硬度以及熱穩定性等方面廣泛應用[1]。然而，當LGF作為增強劑添加到熱塑性材料中時，由于熱塑性材料的分子量較高，不易與長玻璃纖維相容，需要特殊的方法處理纖維與基體使其聚合，增加了加工成本和加工時間[2]。本文主要以兩種廣泛使用的熱塑性樹脂基底聚丙烯（PP）和聚酰胺（PA6）為對象，簡要敘述了國內外關于長玻璃纖維改性熱塑性復合材料的研究進展及阻燃性能增強機理。

1.LGF改性熱塑性復合材料力學性能研究進展

LGF改性熱塑性復合材料的力學性能取決于纖維在基底材料中的平均長度、分布均勻性、LGF質量分數和LGF與基底材料之間的界面結合強度四大因素。目前制備LGF改性熱塑性復合材料的主要方法是注塑成型，但是螺桿在注塑成型過程中的剪切作用會導致LGF在基底材料中不均勻分布、平均長度不統一，導致LGF改性熱塑性復合材料的性能存在差異。

J.L.Thomason[3]研究了PP/LGF復合材料中LGF含量對性能的影響。實驗表明，當PP/LGF中長玻璃纖維含量高于70%時，PP/LGF材料與未加入纖維的基底材料力學性能相當，兩者都接近30MPa。當LGF含量為40%時，PP/LGF材料的拉伸強度可高達120MPa，是未添加長玻璃纖維時的四倍，材料力學性能得到明顯地提升。

Fu[5]等人研究了三種不同類型增容劑對于熱塑性材料基底中纖維長度以及長玻璃纖維與聚丙烯接觸界面結合強度的影響。實驗結果表明，增溶劑的存在促使復合材料中纖維的長度有所增長。增溶劑對LGF與PP界面結合強度增強能力的大小為：PP-g-MAH>MAH接枝辛烷-乙烯共聚物（POE-g-MAH）>辛烷-乙烯共聚物（POE）。

2.阻燃改性的研究進展

由于長玻璃纖維的加入，PP/LGF復合材料擁有了矚目的抗拉強度和彎曲強度，但與其他聚合物一樣阻燃能力很差，加入LGF后更容易燃燒，因為隨著LGF的加入還會帶來燭芯效應。

為了提高LGF改性熱塑性復合材料的阻燃性能，拓寬其應用領域，越來越多的研究者對LGF改性熱塑性材料的阻燃改性進行研究。Tian[6]等人將二異丁基次膦酸鋁（APBu）作為阻燃劑加入到PA6/LGF基底中，極限氧指數（LOI）實驗表明，當APBu所占質量為25%時，測得LOI為41%，未添加APBu的樣品LOI僅為22.2%，阻燃性能得到明顯的提升。但力學性能卻由于APBu在基體材料內部產生團聚而有所下降。當添加25%的APBu時，PA6/LGF/APBu的拉伸和彎曲強度相比起未添加阻燃劑的PA6/LGF材料分別下降47%和42%。

Liu[7]等人為了提升在PP/LGF材料的阻燃性能，通過向PP/LGF中添加有機改性蒙脫土制備了一種膨脹阻燃復合材料。力學測試結果表明，添加阻燃劑之后，材料的拉伸強度和彎曲強度并沒有下降。極限氧指數測試中，當阻燃劑添加量為20%時，LOI為31.3%，垂直燃燒實驗可達到V-0級，阻燃性能在不犧牲力學性能的前提下得到明顯提升。羅興[8]等人分別將膨脹型阻燃劑（IFR）和OMMT加入到LGF增強PP復合材料中，并探究了兩種阻燃劑的阻燃機理。OMMT添加量為2%時，LGF增強PP/IFR復合材料的LOI為24.2%，經過燃燒后在材料表面還會形成一層致密的硅酸鹽保護膜。

結語

LGF改性熱塑性復合材料與鋼鐵材料相比，具有加工難度低，耗費少、可以重復回收，可以替代鋼材應用于汽車、建筑和航空空航天等結構材料領域。但其仍面臨著加工工藝復雜，阻燃性能差等缺點，因此開發力學性能高、阻燃性能好的LGF改性熱塑性復合材料時將來復合材料研究的重點。

參考文獻

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[3]Thomason J L， Vlug M A， Schipper G， et al. Influence of fibre length and concentration on the properties of glass fibre-reinforced polypropylene： Part 3. Strength and strain at failure[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing， 1996， 33（12）：1641-1652.

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[5]田敏， 何文濤， 于杰，等. 新型烷基次膦酸鋁對PA6/LGF復合材料性能影響[J]. 工程塑料應用， 2015（7）：15-19.

[6]Liu Y ， Deng C L ， Zhao J ， et al. An efficiently halogen-free flame-retardant long-glass-fiber-reinforced polypropylene system[J]. Polymer Degradation & Stability， 2011， 96（3）：363-370.

[7]羅興， 何敏， 郭建兵，等. IFR/OMMT協同阻燃長玻纖增強聚丙烯的阻燃性能和熱穩定性能研究[J]. 塑料工業， 2013， 41（8）：31-34.

作者簡介：羅靜，男，漢族，1982.4，湖北宜昌，在讀博士研究生，西南林業大學消防學院工作，講師，主要研究材料燃燒行為與消防工程。