長(zhǎng)玻纖改性熱塑性復(fù)合材料研究進(jìn)展

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

關(guān)鍵詞： 長(zhǎng)玻璃纖維（LGF）;聚丙烯;阻燃性能;力學(xué)性能

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熱塑性材料由于其高比強(qiáng)度、優(yōu)異的加工性能和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于在飛行器、車輛交通、民用建筑等領(lǐng)域。然而，隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，對(duì)熱塑性材料強(qiáng)度和硬度提出了更高的要求，制約了其在進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。為了增強(qiáng)熱塑性材料的綜合性能，一些研究者將增強(qiáng)劑添加到熱塑性基底材料中，使材料的力學(xué)性能得到顯著提升。LGF由于易獲取、縱橫比高、比強(qiáng)度大、熱穩(wěn)定性好和相容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在提升熱塑性材料的強(qiáng)度、硬度以及熱穩(wěn)定性等方面廣泛應(yīng)用[1]。然而，當(dāng)LGF作為增強(qiáng)劑添加到熱塑性材料中時(shí)，由于熱塑性材料的分子量較高，不易與長(zhǎng)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(shí)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(duì)象，簡(jiǎn)要敘述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于長(zhǎng)玻璃纖維改性熱塑性復(fù)合材料的研究進(jìn)展及阻燃性能增強(qiáng)機(jī)理。

1.LGF改性熱塑性復(fù)合材料力學(xué)性能研究進(jìn)展

LGF改性熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)性能取決于纖維在基底材料中的平均長(zhǎng)度、分布均勻性、LGF質(zhì)量分?jǐn)?shù)和LGF與基底材料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度四大因素。目前制備LGF改性熱塑性復(fù)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(huì)導(dǎo)致LGF在基底材料中不均勻分布、平均長(zhǎng)度不統(tǒng)一，導(dǎo)致LGF改性熱塑性復(fù)合材料的性能存在差異。

J.L.Thomason[3]研究了PP/LGF復(fù)合材料中LGF含量對(duì)性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)PP/LGF中長(zhǎng)玻璃纖維含量高于70%時(shí)，PP/LGF材料與未加入纖維的基底材料力學(xué)性能相當(dāng)，兩者都接近30MPa。當(dāng)LGF含量為40%時(shí)，PP/LGF材料的拉伸強(qiáng)度可高達(dá)120MPa，是未添加長(zhǎng)玻璃纖維時(shí)的四倍，材料力學(xué)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(duì)于熱塑性材料基底中纖維長(zhǎng)度以及長(zhǎng)玻璃纖維與聚丙烯接觸界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增溶劑的存在促使復(fù)合材料中纖維的長(zhǎng)度有所增長(zhǎng)。增溶劑對(duì)LGF與PP界面結(jié)合強(qiáng)度增強(qiáng)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(jìn)展

由于長(zhǎng)玻璃纖維的加入，PP/LGF復(fù)合材料擁有了矚目的抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)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?yàn)殡S著LGF的加入還會(huì)帶來燭芯效應(yīng)。

為了提高LGF改性熱塑性復(fù)合材料的阻燃性能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，越來越多的研究者對(duì)LGF改性熱塑性材料的阻燃改性進(jìn)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(shù)（LOI）實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)APBu所占質(zhì)量為25%時(shí)，測(cè)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(xué)性能卻由于APBu在基體材料內(nèi)部產(chǎn)生團(tuán)聚而有所下降。當(dāng)添加25%的APBu時(shí)，PA6/LGF/APBu的拉伸和彎曲強(qiáng)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(jī)改性蒙脫土制備了一種膨脹阻燃復(fù)合材料。力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，添加阻燃劑之后，材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度并沒有下降。極限氧指數(shù)測(cè)試中，當(dāng)阻燃劑添加量為20%時(shí)，LOI為31.3%，垂直燃燒實(shí)驗(yàn)可達(dá)到V-0級(jí)，阻燃性能在不犧牲力學(xué)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(qiáng)PP復(fù)合材料中，并探究了兩種阻燃劑的阻燃機(jī)理。OMMT添加量為2%時(shí)，LGF增強(qiáng)PP/IFR復(fù)合材料的LOI為24.2%，經(jīng)過燃燒后在材料表面還會(huì)形成一層致密的硅酸鹽保護(hù)膜。

結(jié)語

LGF改性熱塑性復(fù)合材料與鋼鐵材料相比，具有加工難度低，耗費(fèi)少、可以重復(fù)回收，可以替代鋼材應(yīng)用于汽車、建筑和航空空航天等結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域。但其仍面臨著加工工藝復(fù)雜，阻燃性能差等缺點(diǎn)，因此開發(fā)力學(xué)性能高、阻燃性能好的LGF改性熱塑性復(fù)合材料時(shí)將來復(fù)合材料研究的重點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：羅靜，男，漢族，1982.4，湖北宜昌，在讀博士研究生，西南林業(yè)大學(xué)消防學(xué)院工作，講師，主要研究材料燃燒行為與消防工程。