玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能

玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能

摘要：本文论述了玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能，主要包括材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量和缺口冲击强度。并分析了复合材料力学性能与玻璃纤维含量之间的关系，最后将复合材料与ABS的力学性能进行比较，发现玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料可以替代ABS应用于一些受力领域。关键词：玻璃纤维；聚丙烯；力学性能；ABS

1.引言

聚丙烯是一种综合性能十分优异的热塑性通用塑料，其具有易加工、密度小、生产成本低等特点，所以聚丙烯在家用电器、日常用品包装材料、汽车工业等行业有着广泛的应用，成为近些年来增长速度最快的塑料之一。然而聚丙烯也有一些缺点，比如：抗蠕变性差、熔点较低、尺寸稳定性不好、热变形温度低、低温脆性等，制约了其作为工程受力材料的应用。聚丙烯的一般性能如表1所示[1]。如果想提高聚丙烯的耐热性和冲击强度，拓宽其应用范围，就应对聚丙烯进行改性[2, 3]。

表1 聚丙烯的一般性能[1]

Tab. 1 The properties of polypropylene

性能数据

拉伸强度/Mpa 29

断裂伸长率/% 200~700

弯曲强度/Mpa 50~58.8

压缩强度/Mpa 45

缺口冲击强度/（KJ/m2）5~10

洛氏硬度80~110

弹性模量/Mpa 980~9800

玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(GFRPP)是以热塑性树脂聚丙烯为基体，以长玻璃纤维为增强骨架的材料[4]，其性能与ABS 接近，但价格低于ABS 塑料。目前，国内外已对GF 增强PP 做了大量研究［5, 6］。玻璃纤维增强聚丙稀己广泛应用于汽车零部件、家电行业、飞机制造业等。

2.玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能

材料的拉伸性能主要包括拉伸强度和拉伸模量。拉伸实验中，试样直至断裂时所承受的最大拉伸应力称为拉伸强度。拉伸模量是指材料在拉伸时的弹性。在PP/GF复合材料中，GF起着骨架结构增强作用，以承担应力和载荷。同时，GF 还可以促进PP结晶，起成核剂作用，可在一定程度上提高材料的强度。J. L. Thomason等人[7]将长度为3 mm的玻璃纤维加入到聚丙烯中，当纤维含量不同时，增强复合材料的拉伸性能如表2所示。可以看出，随着玻璃纤维含量的增加，材料的拉伸强度和拉伸模量均明显提高。

表2玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸性能

Tab 2 Tensile properties of glass fiber reinforced polypropylene composites

玻璃纤维含量/% 拉伸强度/Mpa 拉伸模量/Gpa

10 36.1 2.45

25 49.6 4.11

30 56.8 4.86

复合材料中，玻璃纤维在基体中形成三维空间交叉结构，纤维与纤维之间有很多搭接点(如图1所示)，这种交叉结构构成复合材料的骨架。复合材料受到外力作用时，这种骨架结构能有效传递应力，使较大的区域承受外力，提高复合材料的拉伸强度和模量。

图1 试样断面的SEM 照片（玻璃纤维含量为25%）

Fig 1 SEM fractograph of GF/PP composite

连荣炳等人[8]制备的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的弯曲性能如图2所示。从图2可以看出，随着GF用量的增加，复合材料的弯曲强度和弯曲模量均呈上升趋势。Fu S Y等人[9]的研究也得到相似的结果。这是因为当PP/GF复合材料受到弯曲时，PP树脂会发生塑性屈服，因而GF承受的应力要比PP树脂大得多。这时，纤维周围的树脂就存在一个应力变小的区域，在这个区域中纤维要有一定程度的交迭，才能使其传递外力作用，提高材料的强度。因而PP复合材料的弯曲性能与GF含量有直接关系，即弯曲强度和弯曲模量会随GF用量增加而提高[10]。

图2 GF用量对PP复合材料弯曲性能的影响

Fig 2 Effect of glass fiber content on property of PP composite

2.3冲击强度

Kumar K S等人[11]制备的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的缺口冲击强度如图3所示。从图3可见，复合材料的冲击强度随着GF用量的增加是先增大后减小。这是因为GF在复合材料中起骨架作用，能吸收主要的冲击能量。当GF用量较低时，随着GF用量的增加，这个骨架越牢固，冲击性能越好，且当材料受到冲击时，GF起能量传递作用，从而使复合材料的冲击强度明显提高。但当GF 用量继续增加时，其冲击性能反而降低，这可能是由于GF的用量过高，材料的流动性变差，在成型中GF断裂造成的，Stade K[12]、Chiu W Y[13]、Fisa B[14]等的

研究都得出同样的结论。而且GF的用量进一步增加后，GF之间的相互作用增强，导致其平均长度下降，降低了GF的增强效果[15]。同时GF用量过多会导致部分纤维得不到充分浸渍，基体与纤维界面结合性能变差[16]。从而导致复合材料的冲击强度下降。

图3 GF用量对PP复合材料缺口冲击强度的影响

Fig 3 Effect of glass fiber content on notched impact strength of PP composite

3.玻璃纤维增强聚丙烯复合材料与ABS的力学性能比较

综上所述，GF对PP有增强作用，可在一定程度上提高PP的力学性能，但用量过大会导致其力学性能的破坏。将玻璃纤维增强聚丙烯复合材料与ABS的力学性能进行对比，结果如表3。

表3 GF/PP复合材料与ABS的力学性能对比

Tab 4 The mechanical properties comparision of GF/PP composites and ABS

性能30%玻璃纤维增强聚丙烯ABS

拉伸强度/Mpa 55.1 42~62

拉伸模量/Gpa 6.2 2.3~3.0

弯曲强度/Mpa 72.3 69~92

弯曲模量/Gpa 4.5 2.1~3.1

压缩强度/Mpa 48.2 72~88 缺口冲击强度/ KJ/m262.8 60~220 从表中可以看出，GF/PP复合材料的力学性能与ABS相当，但其成本相对ABS较低。因此，在一些领域，GF/PP复合材料可以替代ABS 工程塑料作为结