塑料加强配方设计案例分享

（一） PP增强配方实例

PP树脂最好选用乙烯含量为3%～15%乙丙共聚物，主要考虑保持较好的韧性。

具体配方如下：

PP：100；PP-g-MAH：3；GF（硅烷处理）：30；抗氧剂1010：0.2；抗氧剂DLTP：0.2。

此配方的拉伸强度为90MPa。

用添加0.8%马来酸酐和0.08%DCP的PP料作为玻璃纤维熔体浸渍材料，对玻璃纤维进行包覆挤出，复合材料的拉伸强度为134MPa、缺口冲击强度为26.5kJ/m²、弯曲强度为195MPa、弯曲模量为4.2GPa。

长玻璃纤维增强PP塑料与短玻璃纤维增强PP塑料比较，长玻璃纤维增强PP塑料的优点主要表现在力学性能好。

长玻璃纤维增强PP塑料的拉伸强度、冲击强度、弹性模量都比短玻璃纤维增强PP塑料好，耐蠕变、耐疲劳性好，收缩率极低、形变小、尺寸稳定性高。热变形温度高、线膨胀系数小，耐腐蚀好，流动性好。具体对比如表4-27所示。

表4-27 30%长、短玻璃纤维增强PP和PA6的性能对比

长玻璃纤维增强PP的配方设计原则：

①纤维品种：长玻璃纤维选择要好，目前以进口玻璃纤维为主。国内生产主要是以巨石的988A可以用。

②树脂牌号：要选择流动性好的牌号，容易浸润玻璃纤维，增大相容性。

③树脂品种：以PP为例，PP品种影响均聚PP的拉伸强度和模量都大，共聚PP的拉伸强度和模量都小，但冲击强度增大10%。

④加入相容剂：以PP为例，目前相容剂以接枝PP为主，主要为马来酸酐接枝，如选用0.3%接枝率的马来酸酐接枝PP效果很好，也可以用纺丝级的高流动PP。接枝PP加入5%后，拉伸强度提高50%～100%，模量提高20%～70%。

造粒后玻璃纤维的长度以12mm左右为宜，生产工艺采用双螺杆挤出机：

①用十字机头挤出相容剂对玻璃纤维束进行表面浸渍处理。

②用十字机头对表面处理的玻璃纤维束进行树脂包覆复合。

③切成长度12mm左右的颗粒。

长玻璃纤维制造技术的关键：为玻璃纤维浸渍要充分散开，以利于每根都能进行表面处理和树脂包覆。目前部分的PP-LFT制造工艺为浸渍法，即将双螺杆挤出机中熔融的PP熔体挤出到一个浸渍槽中，玻纤被引入到浸渍槽，经过熔体进行浸渍，拉出玻纤经过压辊冷压为扁形玻纤条，切断为10～70mm的粒子。

LGFPP在加工制品时温度要适当提高，以降低断纤维概率，如注塑加工温度为290℃时性能最好，此时的拉伸强度为155MPa、弯曲强度为4.2GPa、缺口冲击强度为32kJ/m²。

（1）PP/硫酸钡晶须增强配方

PP：69%；硫酸钡晶须：30%；PP-g-MAH：1%。

此配方的拉伸强度54.3MPa。

（2）PP/碳酸钙晶须增强配方

PP：79%；碳酸钙晶须：20%；偶联剂：1%。

此配方的拉伸强度58.2MPa。

（3）PP/钛酸钾晶须增强配方

PP：100；钛酸钾晶须：35；PP-g-MAH或KH-550：0.35。

用PP-g-MAH为相容剂，配方的拉伸强度为42.2MPa，冲击强度为74.1J/m。

用KH-550为偶联剂，配方的拉伸强度为39.5MPa，冲击强度为62.3J/m。

PP/云母/GF补强配方

PP：100；GF：25；云母：15；硅烷偶联剂0.5～1。

拉伸强度为86.8MPa。

（二） PA增强配方

（1）表面处理

①偶联剂品种选择：不同熔点的PA选择不同的偶联剂，对于PA6、PA1010、PA1212、PA11、PA12、PA610等低熔点PA选用KH-550偶联剂，而对于PA66、PA46、PA6T、PA9T、PA10T、PPA等高熔点PA则选用KH560或KH-570偶联剂，是否偶联剂处理的增强复合材料改性效果见表4-28所示。

表4-28玻璃纤维是否偶联处理对增强PA6性能的影响

注：最近发现有韩国专利报道，他们采用长径比为50～60的双螺杆挤出机进行增强加工，发现增强PA6玻璃纤维含量在60%时强度最大，甚至可以达到285MPa。

②需要提醒的是：目前产市场上常用玻璃纤维，生产厂商在出厂时已经做了偶联剂处理，所以在实际生产中不需要再作偶联剂处理。

③偶联剂用量：偶联剂的用量不同，玻璃纤维的改性效果也不同，在PA6中加入不同含量偶联剂处理的玻璃纤维复合材料具体见表4-29所示。

表4-29 不同偶联剂用量对30%玻璃纤维增强PA6冲击强度的影响

（2）相容剂

相容剂的品种不同，对增强PA66的性能影响不同，其中选择POE-g-MAH、PE-g-MAH两种相容剂进行对比如下：

①冲击强度：在相容剂含量2.5%以前对增韧效果一样，都有所提高；但超过2.5%以后，POE-g-MAH对增强PA66韧性的提高明显高于PE-g-MAH，添加量越大，差距越明显。

②拉伸强度：在相容剂含量添加2.5%以前，拉伸强度都提高；在添加2.5%添加量以后，拉伸强度都下降；无论提高或下降，都以添加PE-g-MAH的拉伸强度高，添加量越大，差距越明显。

③吸水率：与相容剂品种差并不多，与添加量大小有关，添加量越大，吸水率越小，具体见表4-30所示。

表4-30 不同相容剂POE-g-MAH和PE-g-MAH对增强PA66吸水率的影响

（3）玻璃纤维含量对性能的影响

玻璃纤维含量对性能的影响具体见表4-31和表4-32所示。

表4-31 不同玻璃纤维含量对PA6性能的影响

表4-32 不同玻璃纤维含量对PA66性能的影响

从以上两个表中数据可以看出，对于玻璃纤维增强尼龙而言，玻璃纤维含量在30%时综合性能最好。在更高的玻纤浓度范围内，通常在60%GF时，可以达到285MPa的最高拉伸强度。但是在高浓度玻纤含量下，需要提高双螺杆挤出机的长径比达到50～60，这样可以保证GF的有效分散，有利于提高强度和减轻浮纤。

（4）工艺条件

①挤出温度稍高一些，利用快速融入包覆玻璃纤维，复合材料性能稍高。

②螺杆转速要低一些，以免玻璃纤维断裂变短，影响改性效果。

③螺杆剪切要弱一点，以免玻纤被剪碎，降低增强效果。

下面以PA66玻璃纤维增强增韧配方为例，具体说明其改性效果。

玻璃纤维增强增韧PA66配方：

PA66：63%；SEBS-g-MAH：5%；玻璃纤维：32%。

加工条件：采用双螺杆挤出机，料筒温度为250～280℃。

相关性能：拉伸强度155MPa，弯曲强度216MPa，冲击强度80kJ/m²，流动性下降。

以PA66为例，选择低相对分子质量PA6作为相容剂，先涂覆在玻璃纤维表面，因流动性好而容易浸渍完全，再与PA66树脂复合。

长玻纤增强聚酰胺复合材料比起常用的短玻纤增强塑料性能比较：弯曲模量提高了两倍，冲击强度增强了四倍，并可在-30℃的环境下保持不变，具体各类改性效果介绍如下：

①优良的抗冲击性，高模量、高强度、低翘曲；

②各向同性、收缩率低、低抗蠕变、高尺寸稳定性；

③优良的耐磨耐疲劳性能；

④优良的耐化学性；

⑤优良的成型加工性。

以PA66为例，不同玻璃纤维含量的长、短玻璃纤维增强PA66的性能如表4-33所示。

表4-33 不同玻璃纤维含量的长、短玻璃纤维增强PA66的性能对比

从表4-33中可以看出，相同含量长玻璃纤维的增强PA66效果明显好于短玻璃纤维的增强效果。

碳纤维增强PA66的具体性能如表4-34所示。从表4-34中可以看出，相同含量的碳纤维和玻璃纤维增强PA66。碳纤维的增强效果明显好于玻璃纤维的增强效果。

表4-34 不同碳纤维含量PA66的性能

举一个PA1010/碳纤维增强配方具体说明：

PA1010：80%；碳纤维：20%。

此配方的拉伸强度为106MPa。

芳纶纤维增强PA66的具体性能见表4-35所示。

表4-35 20%芳纶纤维增强PA66的性能

以玻璃纤维/硅灰石混合填充PA6配方为例，具体性能如下：

中黏PA6：60；无碱玻璃纤维（硅烷偶联剂处理）：30；超细微粉硅灰石（钛酸酯偶联剂处理）：10。

此配方的性能：缺口冲击强度14.1kJ/m²，拉伸强度160.1MPa，弯曲强度256.2MPa，压缩强度222.0MPa，热变形温度208.9℃。

（三） PC增强配方

PC经玻璃纤维增强后，可提高PC的耐疲劳强度和硬度，提高耐应力开裂性6～7倍，拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、压缩强度、耐热性、耐磨性、耐蠕变性都有提高，降低吸水性和成型收缩率，缺点为降低冲击性能、透明性和流动性，密度增大、表面粗糙。

PC可采用长、短玻璃纤维进行增强，在选用长玻璃纤维增强时，PC的相对分子质量不宜过高，PC长、短玻璃纤维增强的性能见表4-36所示。

表4-36 PC及其玻璃纤维增强材料性能

除了玻璃纤维外，PC还可以采用碳纤维、晶须等纤维进行增强改性，具体举例如下：

（1）PC/碳纤维增强配方

PC：90%；短切碳纤维：10%。

此配方的拉伸强度为134MPa。

（2）PC/二氧化钛纤维增强配方

PC：70%；二氧化钛纤维：30%。

此配方的拉伸强度105MPa。

（四）热塑性聚酯增强配方

纯的热塑性聚酯不能用做工程塑料，必须进行增强以提高其力学性能方可用做工程塑料，同时又保证了纯聚酯的耐化学性和优良加工性的优点。增强PBT、PET的力学性能与增强PA类似，热塑性聚酯的玻璃纤维增强改性效果具体见表4-37和表4-38所示。

表4-37 不同玻璃纤维含量PET的性能

表4-38 不同短切玻璃纤维含量PBT的性能

增强PBT、PET使纵横收缩率各向异性增大，尤其是横向收缩率大，这容易导致制品翘曲，解决办法为添加无机填料、成核剂或制成合金。

（五） POM增强配方

POM做玻璃纤维增强改性加工时不好做，最主要是温度不好控制，都知道POM属于热敏性材料很容易受热降解，且温度范围还窄。做加纤材料需要基料很好熔融才能对纤维有很好的包覆，而且剪切还不能小，这样对温度的要求就更高了。我们可以在生产过程中加些助剂尽量延缓POM的分解，可以加0.1%的双氰胺和0.5%的抗氧剂2246，或者加PA和MA（三聚氰胺）对POM的热稳定性有很好的帮助。

（1）偶联处理

用于POM增强改性的玻璃纤维要进行表面处理，采用不同的偶联剂处理的玻璃纤维改性效果不同，具体见表4-39所示。

表4-39 不同偶联剂处理30%玻璃纤维增强POM的性能

从表4-39可以看出，硅烷类偶联剂KH-550处理玻璃纤维的效果最好，用其增强POM的性能明显好于KH-560处理玻璃纤维增强POM，见表4-40。

表4-40 玻璃纤维含量对增强POM熔体流动速率的影响

从表4-40可以看出，增强POM的流动性随着玻璃纤维含量的增大，熔体流动指数缓慢下降，这说明玻璃纤维降低了复合材料的流动性。

（2）相容剂

用于玻璃纤维增强POM的相容剂主要为马来酸酐接枝树脂和二苯基亚甲基二异氰酸酯（MDI），具体相容效果见表4-41所示。

表4-41 不同含量MDI对30%玻璃纤维增强POM的影响

从表4-41中可以看出，随着MDI相容剂含量的增大，增强POM的各项性能指标均有不同程度的增加，在MDI含量0.7%时各项性能最好，这说明在玻璃纤维增强POM配方中0.7%的MDI相容剂添加量为最佳添加量。

下面引用一个发明专利说明增强POM的配方组成：

本发明涉及一种玻璃纤维增强聚甲醛树脂复合材料，其特征是由聚甲醛树脂、经过浸润剂表面处理的玻璃纤维、相容剂、辅助添加剂复合而成，其配方的质量百分比为：聚甲醛树脂48%～95%、玻璃纤维4.8%～49.8%、相容剂0.1%～5%、辅助添加剂0.1%～5%、浸润剂0.01%～5%。其中玻璃纤维经过特制的浸润剂进行表面处理，所述浸润剂由硅烷偶联剂、成膜剂、润滑剂、抗静电剂、pH调节剂和去离子水组成，其成分质量百分比分别为：硅烷偶联剂0.1%～10%、成膜剂1%～90%、润滑剂0.1%～5%、抗静电剂0.1%～5%、pH调节剂0～5%，其余为去离子水。本发明的目的在于提供一类玻璃纤维增强聚甲醛树脂的复合材料，其具有优良的机械性能与较高的热稳定性。

2.POM长玻璃纤维增强配方

以云天化POM（M90）树脂为基材，按POM∶TPU∶抗氧剂比例为70∶30∶0.5的配方，加入不同含量的长玻璃纤维，对POM的性能影响见表4-42所示。

表4-42 不同含量长玻璃纤维增强POM的性能

（六） PPS增强配方

PPS属于结晶性树脂，对玻璃纤维和碳纤维都很敏感，增强后的PPS各项物理性能指标飞速增加，可以说用于工程的PPS如果不进行增强改性就不能使用。

PPS树脂具有很高的流动性，容易与玻璃纤维浸润，与玻璃纤维的相容性很好，因此增强改性效果十分突出，不同玻璃纤维和碳纤维含量的增强PPS具体性能见表4-43所示。

表4-43 不同玻璃纤维含量对PPS性能的影响

续表

另外，PPS可以用原位增强材料LCP进行增强改性，PPS/LCP原位复合增强配方具体如下：

PPS：100； LCP：100。

此配方的拉伸强度100MPa。

（七） PLA增强配方

PLA的玻璃纤维增强以聚乙二醇（PEG）为增塑剂、PLA-g-MAH接枝物为相容剂、硅烷类为偶联剂，制备工艺采用双螺杆挤出机。玻璃纤维能明显提高PLA结晶度和力学性能，具体见表4-44和表4-45所示。

表4-44 不同玻璃纤维含量对PLA性能的影响

从表4-44中可以看出，随着玻璃纤维的增加，增强PLA的拉伸、弯曲、冲击性能和结晶性都明显提高。流动性先升后降，玻璃纤维含量超过21.6%时低于纯PLA。

表4-45 不同偶联剂含量对30%玻璃纤维PLA性能的影响

从表中4-45中可以看出随偶联剂的增加，增强PLA的各项性能均增加，制品表面光泽度也在增加。

美国RTP公司开发出30%玻璃纤维增强PLA，拉伸强度114MPa、提高1倍，弯曲模量11239MPa，热变形温度160℃、提高93℃，整体性能超过30%玻璃纤维增强PP。

（八） PPO增强配方

PPO属于非结晶树脂，对玻璃纤维的敏感性不高，因此增强PPO的各项性能指标虽有提高，但增加幅度不大，具体见表4-46所示。同样由于PPO自身黏度高，对于PPO玻璃纤维增强体系，需要添加HIPS与PA复合。

表4-46 不同玻璃纤维含量增强PPO的性能

PPO也可以用长玻璃纤维进行增强改性，改性效果好于短玻璃纤维增强PPO。

（九）其他塑料增强配方

PVC增强要点为：热稳定性不好，要控制好加工温度，提高PVC的流动性；PVC的流动性不好，要快速降低黏度以利于浸润玻璃纤维；玻璃纤维用KH-560偶联剂表面处理效果好。

玻璃纤维增强PVC的具体性能见表4-47所示。

表4-47 不同玻璃纤维含量对PVC性能的影响

从表4-47中看出30%玻璃纤维增强PVC：拉伸强度、弯曲强度都提高2倍，拉伸模量和弯曲模量都提高3倍，冲击强度提高4倍；但耐热提高幅度很小，进一步认证了非结晶树脂耐热性对玻璃纤维增强不敏感的规律。PVC玻璃纤维增强配方举例如下：

PVC：100；脂肪酸酯：2；玻璃纤维：30；脂肪醇：1；有机锡：3；硬脂酸钙：0.5。

因玻璃纤维与聚乙烯树脂的相容性不好，因此玻璃纤维必须用KH-550进行表面处理，除此之外还需要加入PE-g-MAH作为相容剂，提高复合材料的性能指标。例如，30%玻纤含量的HDPE的拉伸强度可以达到110MPa，但断裂伸长率仅为2.5%，而纯HDPE对应的拉伸强度和断裂伸长率为17MPa和880%。为了充分发挥玻璃纤维的增强效果，尽量还开发了长玻璃纤维增强HDPE，其改性效果更好。

玻璃纤维增强HDPE的配方举例如下：

HDPE（2908）：70%； E—无碱玻璃纤维（1%KH550处理）：30%。

具体性能：拉伸强度52.5MPa，冲击强度52kJ/m²，洛氏硬度90，维卡软化温度：106℃。

ABS增强用玻璃纤维为短纤维，但纤维长度不能低于0.915mm，并需要用有机硅偶联剂进行表面处理，用KH-550偶联剂处理效果好。玻璃纤维增强ABS不仅保持了ABS原有的优异性能，而且能有效地提高拉伸强度、弹性模量、热变形温度及尺寸稳定性，具体性能见表4-48所示。

表4-48 不同玻璃纤维含量对ABS性能的影响

ABS典型增强配方举配方实例如下：

ABS：40；SAN：60；玻璃纤维（含1.5%KH-550）：20。

此配方的性能：拉伸强度83.5MPa，冲击强度82J/m，弯曲强度110MPa，弯曲弹性模量4840kPa，热变形温度99.4℃。