一種增強PC樹脂用高折射率玻璃纖維性能研究*

韓利雄，宋 凡，劉 也，晏 斌，徐 強，蔡曉梅，許詩勇

（重慶國際復合材料股份有限公司，重慶 400082）

0 前言

聚碳酸酯（PC）是一種分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，因其透明性好，無毒，耐候耐熱，抗沖擊性、耐疲勞和電氣性能俱佳，成為五大工程塑料中增長速度最快的通用工程塑料［1，2］，廣泛應用于玻璃裝配業、汽車工業和電子、電器工業、工業機械零件、光盤、包裝、計算機等辦公室設備、醫療及保健、薄膜、休閑和防護器材等領域［3，4］。據統計，我國2018年 PC 樹脂消費量超過180萬 t，2019年達218萬 t，預計2025年國內的聚碳酸酯需求量將超過330萬 t，我國已經成為全球最大的聚碳酸酯生產國和消費國［5］。但作為工程塑料，PC樹脂缺口敏感，易應力開裂，耐磨性較差［6］，用于受力場合時可以加入一定量玻纖來增強［7］。但 PC 樹脂的折射率較高，一般在1.58以上，而普通玻璃纖維的折射率只有1.55左右，PC 樹脂中加入玻纖后，由于折射率不匹配，透明性會大幅下降，這限制了其應用范圍［8，9］。

目前市場上能夠滿足 PC 樹脂折射率的玻纖產品非常少，國外據稱有少量類似產品［10，11］，但基本不對外銷售。隨著國內玻纖增強 PC 樹脂復合材料應用范圍的擴展，國內需求也在快速增加。針對該市場需求，我們開發出了1種高折射率玻璃纖維-HR 玻璃，本文就其相關性能與 ECT 玻璃進行了詳細對比。

1 實驗部分

1.1 原料和設備

玻璃纖維：ECS307-3-K/ECT，ECS307-3-K/HR，重慶國際復合材料股份有限公司；

聚碳酸酯（PC）：LEXAN，SABIC；

雙螺桿擠出機：TE-50，江蘇南京科亞公司；

注塑機：EM120-SVP/2，震雄集團；

萬能試驗機：INSTRON5982；

沖擊試驗機：XJC-220型，承德精密試驗機有限公司。

1.2 實驗方法

（1）根據實驗方案稱取PC樹脂用短切紗ECS307-3-K/ECT、ECS307-3-K/HR和 PC 樹脂。

（2）將上述原料加入雙螺桿擠出機中制成粒料，設定玻纖質量分數分別為10%、15%、20%、30%和40%。

（3）用注塑機將含有不同質量玻纖的粒料加工成力學測試樣條和透明樣條，對比性能。

2 結果與討論

2.1 HR玻璃折射率及對 PC 復合材料透光率的影響

折射率是玻璃固有物理性質之一，主要由其成分和結構所決定。表1為不同玻璃纖維制成玻璃塊后實測折射率。可以看到，目前常見的E玻璃、ECT玻璃和 TM+玻璃折射率都只有1.55~1.56，明顯低于PC 樹脂的折射率。而2種材料的折射率差異越大，光線在界面處越容易發生干涉現象，從而導致光線透過率降低。因此，如果采用這類常規玻璃纖維增強 PC 樹脂，復合材料的透光性和透明性顯然會受到影響，而且玻纖質量分數越高，影響越大。

表1 不同類型玻璃折射率

HR玻璃為新開發的高折射率玻璃纖維，其折射率為1.585左右，與 PC 樹脂相當。圖1為 ECT 玻璃和 HR 玻璃增強 PC 樹脂復合材料的透光率測試情況，可以看出，相同玻纖質量分數下，HR 玻璃增強PC樹脂復合材料的透光性明顯優于 ECT 玻璃，而且玻纖質量分數越高，效果越明顯。玻纖質量分數10%時，HR 玻璃樣條透光率比 ECT 玻璃提高了近6倍；玻纖質量分數15%時，HR 玻璃樣條透光率比ECT 玻璃提高了近8倍。

圖1 ECT玻璃和HR玻璃增強PC復合材料透光率

2.2 HR 玻璃纖維力學性能對比

作為增強基材，HR 玻璃纖維不僅需要較高的折射率，還應具有良好的力學性能。為準確評價HR 玻璃力學性能，本文選擇目前行業主流的 ECT玻璃和 TM+玻璃作對比參照。ECT 玻璃是目前應用最為廣泛的無硼無氟玻璃纖維，能夠滿足絕大部分熱塑復合材料的力學性能要求，而 TM+玻璃是當前主流的高強度高模量玻璃纖維。圖2和圖3是HR 玻璃與 ECT 玻璃、TM+玻璃浸膠紗線強度和模量對比情況。

圖2 不同類型玻纖浸膠紗線拉力強度對比

圖3 不同類型玻纖浸膠紗線拉伸模量對比

可以看到，HR玻璃紗線拉伸強度超過2700 MPa，略低于 TM+玻璃，比 ECT 玻璃高出8%以上；HR 玻璃的拉伸模量表現更為突出，均值超過92 GPa，與TM+玻璃處于同一水平，明顯優于ECT玻璃。

優異的力學性能對透明性復合材料意義重大，這意味著可以使用更少的玻纖質量分數就能達到設計強度。而玻纖質量分數越低，復合材料的透明性也會越好。因此在相同條件下，HR 玻璃性能優勢更明顯。

2.3 HR玻璃增強 PC 樹脂復合材料力學性能比較

聚碳酸酯樹脂熔體粘度高，玻纖質量分數高時分散困難，性能波動較大，為準確評價，本實驗選擇相同單絲直徑、相同浸潤劑處理的 ECT 玻纖樣品作為參照，在相同工藝條件下制備樣條檢測，橫向對比力學性能。測試結果如圖4、圖5所示。

圖4 不同玻纖含量下PC復合材料拉伸強度對比

圖5 玻纖增強PC復合材料彎曲強度對比

可以看到，HR 玻璃纖維添加到聚碳酸酯復合材料中，其力學性能優勢也同樣表現良好。相同工藝條件下，當玻纖質量分數為10%時，ECS307-3-K/HR 注塑樣條的拉伸強度比ECT玻璃提高了9.3%左右；當玻纖質量分數達到20%、30%時，其拉伸強度和彎曲強度也都要比 ECT 玻璃提高7%以上。同樣的，不管是玻纖質量分數低還是玻纖質量分數高，HR 玻纖注塑樣條的彎曲模量也都明顯優于 ECT 玻纖樣品（見圖6）。

圖6 不同玻纖質量分數下復合材料拉伸模量對比

圖7 玻纖質量分數20%時復合材料沖擊強度對比

圖7為玻纖質量分數20%樣品的沖擊強度測試結果。相對于拉伸強度和彎曲強度，聚碳酸酯復合材料的沖擊強度離散性偏大。從本次測試結果看，HR 玻纖樣條沖擊強度優勢不太明顯，但整體水平也不低于ECT玻璃。

3 結論

（1）HR 玻璃折射率為1.58~1.59，與 PC 樹脂的折射率相當，用于增強 PC 樹脂時，復合材料的透明性可以大幅提高。

（2）除了折射率高外，HR 玻璃纖維還具有良好的力學性能，其拉伸強度和拉伸模量都明顯優于普通無氟無硼 ECT 玻璃，尤其是拉伸模量，達到92 GPa左右，基本達到高模玻璃纖維水平。

（3）HR 玻璃纖維產品（ECS307-3-K/HR）與PC 樹脂具有良好的相容性，用其增強的復合材料力學性能優勢仍有良好體現，整體水平均優于 ECT玻璃。