塑料增强技术概述

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：可用以衡量塑料强度相关性能的指标主要有拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度及其弯曲模量等。关于塑料增强的机理，目前还未取得共识，这里只介绍几种常见的理论。④叠层增强技术：采用同一种或者不同种塑料，通过特殊的叠层工艺复合方式，实现材料的多级叠层复合，达到增强的效果，目前可以实现超过1万层的复合。

可用以衡量塑料强度相关性能的指标主要有拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度及其弯曲模量等。

（1）拉伸强度

拉伸强度是塑料力学性能中最重要的指标，是划分通用塑料和工程塑料的主要依据。拉伸强度的定义为：在拉伸试验中，直到试样断裂为止，单位截面积上所承受的最大拉伸应力，单位为MPa。

（2）断裂伸长率

在拉力作用下，试样发生断裂时，标线间距离的增加量与初始标距的比值即为断裂伸长率，单位为%。材料的断裂伸长率越大，说明其柔软性越好；反之，说明其刚性越高。

（3）弯曲强度

材料在达到规定挠度值时或之前，负荷达到最大值时单位面积上所承受的弯曲应力，单位为MPa。

不同塑料的强度相关性能见表4-1所示。

表4-1 不同塑料的强度相关性能

表4-2为金属材料和玻璃纤维增强塑料的强度相关性能。从表4-1和表4-2中可以看出，纯塑料的强度值很低，玻璃纤维增强后可大幅度提高，但远远仍低于金属材料。

表4-2 金属材料和玻璃纤维增强塑料的强度相关性能

（4）弯曲模量

又称挠曲模量，是弯曲应力比上弯曲产生的形变。材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力。表征材料的刚性，刚度越大，材料就越难变形，那弯曲强度和弯曲模量都相应越大。

关于塑料增强的机理，目前还未取得共识，这里只介绍几种常见的理论。

（1）能量转移理论

能量转移理论认为，塑料的增强主要依赖纤维材料与树脂的牢固黏接使塑料承受的负荷或能量转移到支承的强力纤维上，并将负荷由局部传递到较大的范围，甚至于整个复合材料。树脂与纤维的结合强度越高，复合材料的强度越高，所以偶联可提高增强效果。

（2）交联理论

交联理论认为，增强材料的活性表面与树脂大分子链相结合，形成交联结构。当复合材料的某一分子链受到应力作用时，可通过交联点将应力分散到其他大分子链上；如果其中某一条分子链断裂，与其相连的其他分子链可起到加固的作用，使整个体系的强度提高。

对于不同结晶类型的树脂，对玻璃纤维增强的作用敏感程度不同，具体如下：

结晶性树脂如PP、POM、PA、PET、PBT、PPS等对玻璃纤维很敏感，玻璃纤维增强后拉伸、弯曲、刚性、冲击（POM下降）、耐热、密度、耐腐蚀性能等指标都明显提高，断裂伸长率、流动性、表面光泽度、收缩率、吸水性等指标明显下降。如30%GF增强PET，冲击、拉伸、弯曲三个强度分别提高245%、113%和84%。又如以玻璃纤维增强PA66为例，不同玻璃纤维含量PA66性能的影响如表4-3所示。

表4-3 不同玻璃纤维含量PA66性能

非结晶树脂具体如PS、ABS、PVC、PC等对玻璃纤维的敏感性比较差，玻璃纤维增强后拉伸、弯曲、刚性、耐热、密度等都小幅度提高，冲击、断裂伸长率、流动性、表面光泽度、收缩率、吸水性等指标下降。其中冲击强度大幅度下降，例如在PC加入10%和30%玻璃纤维后，冲击强度由854J/m分别下降到110J/m和60J/m。

总体而言，塑料增强改性后各类性能变化如下：

（1）力学性能

拉伸强度和弯曲强度大幅度提高，模量、耐疲劳、耐磨等性能提高，结晶性塑料冲击强度提高，具体见表4-4所示。

表4-4 各类树脂玻璃纤维增强的拉伸强度

（2）热学性能

热变形温度提高，特别是结晶性塑料提高幅度大。玻璃纤维对树脂阻燃性的影响很复杂，与树脂是否结晶和玻璃纤维添加量大小有关。

①结晶的影响：结晶性树脂因增强提高结晶程度，增加产品密实度，并抵消了玻璃纤维的灯芯作用，最后结果提高阻燃效果；非结晶性树脂因玻璃纤维的灯芯作用，降低阻燃效果。

②玻璃纤维含量：含量小于15%降低阻燃效果，含量大于15%提高阻燃效果；转变添加量随玻璃纤维残留长度而异，玻璃纤维残留长度越长，这个转变添加量越低，因此看出长玻璃纤维增强塑料的阻燃效果要好。

（3）电学性能

绝缘强度和介电常数提高。

（4）光学性能

制品透明性和光滑性下降。