?長/短玻纖增強PPS復(fù)合材料的性能對比

熱塑性復(fù)合材料的樹脂基體涉及通用和特種工程塑料，而PPS是特種工程塑料較為典型的代表，俗稱“塑料黃金”。性能優(yōu)勢包含以下幾方面：優(yōu)異的耐熱性能、良好的力學性能、耐腐蝕、自阻燃性達UL94 V–0級。由于PPS具有以上性能優(yōu)勢，且相較于其它高性能熱塑性工程塑料又具有易加工、成本低的特點，因此成為制造復(fù)合材料的優(yōu)良樹脂基體。

玻纖

PPS加短玻纖（SGF）復(fù)合材料具有強度高、耐熱高、阻燃、易加工、成本低等優(yōu)點，在汽車、電子、電氣、機械、儀器、航空、航天、軍事等領(lǐng)域取得了應(yīng)用。

PPS加長玻纖（LGF）復(fù)合材料具有高韌性、低翹曲、耐疲勞、良好的制品外觀等優(yōu)點，可用于熱水器的葉輪、泵殼、接頭、閥門、化工泵葉輪與外殼、冷卻水葉輪與外殼、家電零部件等。

那么短玻纖（SGF）和長玻纖（LGF）增強PPS的復(fù)合材料的性能具體有何差異呢？

本文將PPS/SGF（短玻纖）復(fù)合材料和PPS/LGF（長玻纖）復(fù)合材料的綜合性能進行對比，其中PPS/LGF復(fù)合材料采用熔融浸漬工藝制備及PPS/SGF復(fù)合材料采用熔融共混雙螺桿造粒工藝制備，采用熔融浸漬工藝的原因在于浸漬模具內(nèi)實現(xiàn)纖維束的浸漬，并且對纖維不造成損傷。最后，通過兩者力學性能的數(shù)據(jù)對比，為應(yīng)用端科技人員在選擇材料時提供技術(shù)支撐。

• 力學性能分析

樹脂基體中增加的增強纖維可形成支撐骨架，當復(fù)合材料受到外力作用時，增強纖維可以有效地承擔外界載荷的作用；同時可以通過斷裂、變形等方式吸收能量，提高樹脂的力學性能。下圖分別是不同玻纖含量的PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能。

? ? ? ? ? ? ? ?PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸性能

? ? ? ?PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的彎曲性能

可以看到，提高玻纖的加入量，復(fù)合材料的拉伸強度和彎曲強度都逐步地增加。主要原因在于玻纖含量增加時，復(fù)合材料中有更多的玻纖承受外力的作用，同時由于玻纖數(shù)量的增加，使得玻纖之間的樹脂基體變薄，更有利于玻纖增強框架的搭建；因此，玻纖含量提升使得復(fù)合材料在受到外加載荷情況下，應(yīng)力更多的由樹脂傳遞至玻纖，有效地提高了復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能。

PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸和彎曲性能比PPS/SGF復(fù)合材料均更高，在玻纖質(zhì)量分數(shù)為30%時，PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強度分別為110MPa和122MPa；彎曲強度分別為175MPa和208MPa；彎曲彈性模量分別為8GPa和9GPa。

PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度和彎曲彈性模量比PPS/SGF復(fù)合材料分別提高了11.0%，18.9%和11.3%。PPS/LGF復(fù)合材料中玻纖的長度保留率更高，在同樣玻纖含量條件下，復(fù)合材料的抗載荷能力更強，力學性能更佳。

下圖為PPS/LGF和PPS/SGF復(fù)合材料的缺口沖擊強度和無缺口沖擊強度。

? ? ? ?PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料沖擊性能

可見，在玻纖含量較低時，復(fù)合材料的沖擊強度降低，主要原因是較低的玻纖含量無法在復(fù)合材料中形成較好的應(yīng)力傳遞網(wǎng)絡(luò)，使得玻纖在復(fù)合材料受到?jīng)_擊載荷下以缺陷的形式存在，導致復(fù)合材料的整體沖擊強度降低。

上述缺陷是指玻纖尖端或者裂紋尖端；熱塑性復(fù)合材料的失效的誘發(fā)點是玻纖尖端或者裂紋尖端，從此點開始蔓延至復(fù)合材料完全被破壞。玻纖質(zhì)含量較少時，復(fù)合材料中增加了玻纖尖端，此時由于玻纖尖端引起復(fù)合材料斷裂的作用要大于玻纖增強的作用，所以沖擊性能會有一定程度的下降。

隨著玻纖含量的增加，復(fù)合材料中玻纖可以形成有效的空間網(wǎng)絡(luò)，且增強作用大于玻纖尖端的作用，在受到外加載荷作用下更好地將外加載荷傳遞給增強纖維，進而提升復(fù)合材料的整體性能，而在PPS/LGF體系中玻纖的長度更長，空間網(wǎng)絡(luò)更為密實，增強玻纖承載能力更強，其沖擊強度也更佳。玻纖質(zhì)量分數(shù)為30%時PPS/LGF比PPS/SGF的沖擊強度提高19.4%，從31kJ/m2提升至37kJ/m2，缺口沖擊強度提高54.5%(從7.7kJ/m2提高至11.9kJ/m2)。

• PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料熱性能分析

下圖為PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度。

? ? ? ?PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度

結(jié)果顯示，玻纖的引入大幅度地提高復(fù)合材料的耐熱性能，其中玻纖質(zhì)量分數(shù)為30%時，PPS/SGF復(fù)合材料和PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度分別達到250℃和275℃，PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度比PPS/SGF復(fù)合材料的高10%。主要原因是玻纖的引入使復(fù)合材料內(nèi)部形成增強纖維的網(wǎng)絡(luò)骨架，極大地提高復(fù)合材料的耐熱性能，PPS/LGF中玻纖尺寸更長，耐熱性能提高優(yōu)勢更加明顯。

• PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料斷面分析

下圖為PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料沖擊斷面的SEM照片。

? ? ? ?PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料斷面

可見，玻纖在樹脂中較好的分散，隨著玻纖含量的增加，復(fù)合材料內(nèi)部增強纖維網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建更加完善；這也是復(fù)合材料整體力學性能隨著玻纖含量增加而提升的主要原因。對比PPS/SGF和PPS/LGF復(fù)合材料，PPS/LGF復(fù)合材料中的玻纖保留率更高，這也是PPS/LGF復(fù)合材料力學性能更為優(yōu)異的主要原因。

綜上，PPS/LGF復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲彈性模量、缺口沖擊強度和無缺口沖擊強度比PPS/SGF復(fù)合材料均有提升。30%玻纖增強的PPS/SGF復(fù)合材料的熱變形溫度達到250℃，PPS/LGF復(fù)合材料的熱變形溫度達到275℃。

參考資料：GF 增強 PPS 復(fù)合材料的制備及性能，江蘇集萃、南京特塑、四川大學等。

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦高分子）：?長/短玻纖增強PPS復(fù)合材料的性能對比