新型注塑技术可以降低加工过程中纤维断裂的程度和纤维沿流向排列程度。
尽管聚丙烯（PP）是最广泛使用的塑料之一（由于其密度低、易于加工、软化温度高并且成本低），但由于其机械性能相对较差，从而使得其应用受到一定的限制。因此，常常使用玻璃纤维（GF）来增强PP基体，以低成本实现良好的拉伸强度和模量、刚度、耐冲击性、耐化学性和热稳定性。事实上，以这种方式结合PP和GF在汽车和建筑等行业越来越受欢迎。 迄今为止，纵横比小于临界值200的短玻璃纤维（SGF），在聚合物复合材料行业已经被普遍用于增强材料。然而近年来，长玻璃纤维（LGF）增强PP材料在聚合物工业中每年增加30％。
注塑成型是GF-PP复合材料最常见的制造技术之一，因为它能够快速制造复杂几何形状的零件。因此，注塑成型的GF-PP复合材料的力学性能多年来备受关注，一般认为GF增强PP部件的力学性能主要受长度、长度分布、纤维取向、GF和PP基体之间的界面粘合以及GF和基体材料的固有机械性能等因素影响。研究表明，发泡技术可以减少GF-PP成型件中纤维断裂的数量，并有助于避免SGF-PP部件中的纤维磨损。然而，几乎所有以前的研究都集中在SGF增强的聚合物基体上，发泡技术是否同样适用于LGF增强复合材料还不清楚。
因此，在我们的工作中，我们有动力去探索各种提高GF-PP复合材料力学性能的发泡方法。 例如，我们先前已经研究了加工工艺对PP /低密度聚乙烯共混物的机械性能和发泡结构的影响。我们发现通过仔细选择注塑加工参数，可以使复合材料的韧性有显著的提升。作为先前研究的拓展，我们在新工作中研究了不同发泡技术对GF-PP复合材料纤维长度和纤维取向的影响。具体而言，我们研究了传统注塑成型（CIM）和发泡注塑成型（FIM）各种不同的加工条件，来制备具有不同初始原料长度（即LGFs和SGFs）的LGF增强PP复合材料样品。
作为我们实验的一部分，我们进行了拉伸试验以测量我们的复合材料的机械性能（例如，强度、模量和断裂应变）。我们的研究结果表明，样品的残余纤维长度和力学性能之间有着密切的关系，这两者在很大程度上受加工条件的影响。我们还发现，LGF增强FIM样品表现出最佳的纤维长度和纤维长度分布（即产生最好的机械特性）。此外，相比CIM样品，这些样品沿着纤维方向显示出更低的纤维取向度。
我们的研究结果还表明，在LGF增强复合材料中存在气泡可能有助于减少纤维断裂量。我们认为这个发现有两个可能的原因。首先，发泡剂和新产生的泡沫可以起到增塑剂或缓冲垫的作用。换言之，LGF增强PP复合材料中气泡的存在降低了熔体的粘度并改善了流动性。这又降低了聚合物基体中的剪切应力，从而减少了纤维断裂的发生。其次，注塑成型工艺的保压阶段是能够显著影响纤维断裂程度的重要步骤。也就是说，保压阶段的变化会导致CIM和FIM样品中不同的纤维长度分布。在CIM的常规保压过程中，使用高压将熔融的复合材料注入空腔中，然后将模腔保持在恒定压力以填充空腔的剩余体积并补偿填充材料的收缩。 LGFs的破坏主要发生在这个保压阶段，所以保压压力会显著影响纤维断裂。相比之下，在FIM中，填充材料填充到模具中的保压主要取决于气泡生长膨胀的效果。因此，由于相对较小、均匀的压力和剪切速率，纤维的损伤可以被最小化。
图1 模型说明了气泡对通过常规注塑（上）和水蒸汽发泡注塑（下）过程制备长玻璃纤维增强聚丙烯样品中的玻璃纤维取向和断裂的影响。
从我们的研究结果中，我们已经制定了一个模型（见图1）来解释发泡技术有助于减少我们的LGF增强PP复合材料沿着流动方向的纤维取向的基本机制。在该模型中，在CIM过程中复合材料填充模具后，纤维主要与流动方向平行：见图1（a）。在此阶段，聚合物复合材料熔体被连续压缩，以使壳层中的纤维（靠近模具壁）在高压和剪切下破碎，直到它们被冻结在聚合物基体中。因此，成型样品表层的纤维取向非常明显，如图1（b）所示。相比之下，芯层中纤维的分解和取向一般比表层中的纤维弱。这部分是因为在熔体填充芯层时的速度梯度较小，并且当浇口在聚合物复合材料熔融之前冻结时可能使纤维失去取向。在FIM充填阶段，我们观察到了类似的趋势，如图1（c）所示。然而，在随后的气泡生长阶段，水蒸气中的膨胀力是温和而均匀的。因此纤维破裂的可能性较小，并且随机取向的纤维在聚合物 -气体基体中形成连锁网络，如图1（d）所示。
总之，我们已经研究了含有SGFs或LGFs的GF增强PP制件的机械性能，这些制件是通过常规或水蒸气发泡注塑工艺制造的。我们的实验结果表明，LGF-PP FIM复合材料的机械性能（例如拉伸强度）优于CIM等效材料。我们还发现，水蒸汽发泡注塑成型技术可以有效地减少复合材料中的纤维断裂量。这又有助于改善样品的机械性能和纤维取向。在接下来的工作中，我们已经对纤维残余长度与LGF-PP FIM复合材料的力学性能之间的关系进行了定量评估。
作者信息
Ying-Guo Zhou School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University of Science and Technology
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