是玻璃填充的还是玻璃强化的？

几个月前，我写了一篇文章，比较了乙缩醛均聚物和共聚物的性能。在那篇文章中，我提到玻璃纤维可以与乙缩醛共聚物“偶联”（粘合），但不能与均聚物“偶联”（粘合）；因此，将玻璃纤维放入共聚物中的好处更大。好吧，事实证明，虽然我没有注意，但缩醛均聚物的主要供应商之一确实推出了几种实际的玻璃纤维增​​强型均聚物。

填充 VS。强化乙缩醛

表 1 显示了未填充的乙缩醛均聚物以及典型的 20% 玻璃填充等级和包含 10% 和 25% 玻璃的新等级的特性曲线，其中纤维与聚合物基体结合。强度差异非常明显，这是玻璃填充材料和玻璃增强材料之间差异的一个很好的例子。这是值得详细讨论的，因为其他一些聚合物也存在这种区别。

它从纤维开始。这些提供比典型填料更大的性能改进，因为它们具有称为纵横比的东西。在纤维中，这是长度与直径的比率。纵横比越大，性能改善越好。 1980 年代引入长纤维增强材料就是利用这一原理，将颗粒中的起始纤维长度从 2-3 毫米增加到 11-12 毫米。

在引入现代长玻璃复合材料之前，实际上已经提供了纤维长度高达 6 毫米（1/4 英寸）的长纤维材料，但是新复合材料的制造方式使“润湿”或表面最大化聚合物与单根玻璃纤维之间的接触。另一种提高纵横比的方法是使用具有典型长度但直径较小的纤维，称为晶须。

聚合物复合中使用的玻璃纤维的表面通常经过处理或上胶，以提高聚合物对玻璃的粘附力。不同的尺寸对于不同的聚合物是最佳的。但在某些情况下，即使是良好的上浆也不足以在聚合物和纤维之间产生最佳粘合。这种结合很重要，因为当聚合物开始承受机械过载时，玻璃纤维通过控制材料上的应力来增加强度。纤维比聚合物基质更坚固，因此它们增加了整个化合物的强度。但是，如果聚合物与玻璃纤维之间的结合力较弱，则载荷的传递效率不高，玻璃的优点就无法发挥。

如果玻璃纤维只是简单地添加到聚合物中而没有良好的粘合，则该材料是玻璃填充的。如果相之间的结合是最佳的，则材料是玻璃增强的。差异显着，如表1所示。

请注意，虽然玻璃填充乙缩醛的强度低于未填充材料的强度，但增强材料总是更强。事实上，10% 玻璃纤维增​​强等级的强度比 20% 玻璃填充等级高 35% 以上，硬度几乎与 20% 玻璃填充等级相同，同时重量减轻了 5%。这是更有效地使用相同成分以实现更好的最终结果的一个很好的例子。

化学偶联的进展

聚丙烯是另一种聚合物，其中添加玻璃纤维的过程经历了演变。原始材料只是玻璃填充。 PP 是一种非极性聚合物，没有什么能粘附在它上面，包括玻璃纤维。但在 70 年代末和 80 年代初，一些供应商开始使用一种称为化学偶联的工艺。这涉及对聚丙烯骨架的化学成分进行小幅调整以引入极性。这种极性改善了聚合物与玻璃纤维之间的结合，产生了表 2 所示的性能改进类型。

这一发展为 PP 作为一种可以与一些工程热塑性塑料竞争的材料创造了一个新市场。随着最终用户将这种潜力推向极限，化学耦合的改进产生了额外的增强。这些改进在数据表上不一定很明显，但它们在涉及疲劳和蠕变等机制的长期应用中产生了更好的性能。强度和刚度提高 10% 可能不会引起所有人的注意，但短期性能的这种幅度的提高可以使产品的疲劳寿命增加一倍。

PVC 也经历了一系列类似的改进，耦合技术提高了玻璃增强材料的性能，而不是玻璃填充材料。

通过改变聚合物和玻璃纤维的耦合方式，也可以提高某些环境下的长期性能。 PPS 化合物几乎总是与大量玻璃纤维一起出售。 PPS 的优点之一是它具有出色的耐化学性，并且它非常耐受的化学物质之一是热水，即使水经过氯化处理。许多其他工程材料（如乙缩醛、尼龙和热塑性聚酯）在炎热潮湿的环境中会水解，而 PPS 则具有很好的支撑力。

然而，在早期在炎热的水性环境中使用玻璃纤维增​​强型 PPS 时，这些材料出现了令人费解的早期故障。对失效部件的评估表明，虽然聚合物没有被热水损坏，但聚合物和玻璃之间的结合确实破坏了。随着界面减弱，零件失去结构完整性并失效。新的耦合技术解决了这个问题。

还有其他变量可以用来改善聚合物与玻璃纤维的性能。玻璃纤维的组成是这些变量之一。高分子化合物中使用的绝大多数玻璃纤维被称为E玻璃。这表示玻璃中的某种化学性质，并伴随着一组特定的特性。然而，其他玻璃化学物质可以赋予聚合物基质不同的特性，但其成本通常被认为不值得额外支出。

另一个有趣的变量是玻璃纤维的几何形状。大多数玻璃纤维的横截面形状为圆形。在 1990 年代，使用具有双叶形或三叶形横截面的玻璃纤维完成了一些有趣的工作。这增加了玻璃纤维和聚合物基体之间的接触表面积，并在机械性能方面产生了一些有趣的改进。然而，这也是一种改善性能的途径，其中成本/性能平衡被认为不具有吸引力，即使这些配置用于地毯行业以增加弹性甚至产生某些光学效果。

但即使在典型的材料复合领域内，重要的是要了解，虽然整体成分很重要，但材料的组装和相互连接方式对性能，尤其是长期性能有显着影响。由于最近汽车行业对减轻重量同时保持性能给予了极大的关注，因此必须牢记这一原则。

关于作者

Michael Sepe 是位于亚利桑那州塞多纳的独立材料和加工顾问，其客户遍布北美、欧洲和亚洲。他在塑料行业拥有超过 35 年的经验，并协助客户进行材料选择、可制造性设计、工艺优化、故障排除和故障分析。联系方式：(928) 203-0408 • [email protected]。