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；ABS1.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/Gpa10 36.1 2.4525 49.6 4.1130 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 composite2.3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 composite3.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 工程塑料作为结构件使用。

4.结论随着复合材料中GF含量的增加，玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量均呈上升的趋势，而缺口冲击强度随GF含量的增加先上升后下降，当GF含量为30%时，复合材料的缺口冲击强度最大。

将30%玻璃纤维增强聚丙烯的机械性能与ABS比较发现GF/PP复合材料的力学性能与ABS相当。

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