《塑料配混技术》 项目3改性塑料粒料制备 单元3-4增强改性原理 广东轻工职业技术学院高分子教研室
项目3 改性塑料粒料制备 单元3-4 增强改性原理 《塑料配混技术》 广东轻工职业技术学院高分子教研室
T之底东鞋工获常拉术常院 项目3 化学改性塑料粒料的配制 ·学习目标 最终能力目标：制备综合性能优异的纤维增强改性塑料粒料。 促成目标： >配方和工艺的制定和计算能力 >完成塑料配合、混合、混炼造粒的基本操作技能 >处理混合工艺过程中常见的质量问题的能力 >学习塑料材料改性与应用的新知识、新技术的能力 >对主要配混设备的进行日常维护与保养的能力 >资料检索和自学拓展能力 >团队合作与沟通能力
项目3 化学改性塑料粒料的配制 • 学习目标 最终能力目标：制备综合性能优异的纤维增强改性塑料粒料。 促成目标： ➢ 配方和工艺的制定和计算能力 ➢ 完成塑料配合、混合、混炼造粒的基本操作技能 ➢ 处理混合工艺过程中常见的质量问题的能力 ➢ 学习塑料材料改性与应用的新知识、新技术的能力 ➢ 对主要配混设备的进行日常维护与保养的能力 ➢ 资料检索和自学拓展能力 ➢ 团队合作与沟通能力
GDTC←底东鞋红状常技术常悦 1.增强改性的概念 增强改性是在聚合物基体中加入增强材料以改进聚合物的性能，特别是力学性能的 种改性方法，改性结果得到复合材料。 增强材料通常是纤维类材料及其制品，如玻璃纤维、玻璃布、玻璃毡、碳纤维、硼纤 维、晶须、有机聚合物纤维及其织物。它们在聚合物中的作用类似于钢筋在水泥建筑 材料中的作用。其中，聚合物基体为连续相，纤维为分散相，两相间“取长补短”、“协 同作用”，极大地弥补了单一材料的缺陷，赋予聚合物复合材料各种优异的性能，大大 拓展了聚合物材料的用途。 复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。按GB3961术语，复合材料是指由 两个或两个以上独立的物理相，包括粘接材料（基体）和粒料、纤维或片状材料所组成 的一种固体产物。在复合材料家族中，目前使用最广、效果最好的是纤维增强材料。 它以纤维增强塑料（树脂基）和纤维增强弹性体（橡胶基）为代表，其特点是加工性能好、 加工周期短、强度高、材料轻，抗疲劳性能、减振性能、高温性能和耐腐蚀性能好
1. 增强改性的概念 增强改性是在聚合物基体中加入增强材料以改进聚合物的性能，特别是力学性能的一 种改性方法，改性结果得到复合材料。 增强材料通常是纤维类材料及其制品，如玻璃纤维、玻璃布、玻璃毡、碳纤维、硼纤 维、晶须、有机聚合物纤维及其织物。它们在聚合物中的作用类似于钢筋在水泥建筑 材料中的作用。其中，聚合物基体为连续相，纤维为分散相，两相间“取长补短”、“协 同作用”，极大地弥补了单一材料的缺陷，赋予聚合物复合材料各种优异的性能，大大 拓展了聚合物材料的用途。 复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。按GB3961术语，复合材料是指由 两个或两个以上独立的物理相，包括粘接材料(基体)和粒料、纤维或片状材料所组成 的一种固体产物。在复合材料家族中，目前使用最广、效果最好的是纤维增强材料。 它以纤维增强塑料(树脂基)和纤维增强弹性体(橡胶基)为代表，其特点是加工性能好、 加工周期短、强度高、材料轻，抗疲劳性能、减振性能、高温性能和耐腐蚀性能好
GDTC底东鞋工状幸拉术常院 2.增强改性的目的和意义 目的：改进聚合物性能，特别是力学性能。 意义：1可以替代大量有色金属，如铜、铝合金、不锈钢等，降低原料成本； 2.与金属零件相比，成型方法简单、经济，适于批量生产： 3.热塑性基体，废品可回收利用，提高材料利用率
2. 增强改性的目的和意义 目的：改进聚合物性能，特别是力学性能。 意义：1.可以替代大量有色金属，如铜、铝合金、不锈钢等，降低原料成本； 2. 与金属零件相比，成型方法简单、经济，适于批量生产； 3. 热塑性基体，废品可回收利用，提高材料利用率
GDT之废东鞋工狱常然术常院 3.纤维增强聚合物基复合材料的类型 复合材料包括三要素：基体材料、增强材料及复合方式。按此标准，纤维 增强聚合物基复合材料可划分为多种类别。 ①按基体材料划分可分为纤维增强塑料（树脂基）与纤维增强弹性体（橡胶 基)。按基体聚合物的热行为，又可有热塑性与热固性之分。热固性增强塑料 ,简称FRP。热塑性增强塑料，简称为FRTP。 ②按增强材料划分按纤维的排列，可划分为单向纤维、双向纤维与三向 纤维聚合物基复合材料；按纤维的形态，可划分为连续（无限长）纤维、长纤 维、短纤维与磨碎纤维增强聚合物基复合材料；按纤维的种类，可划分为玻 璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、金属纤维等纤维增强聚合物基复合材 料。 增强材料采用玻璃纤维及其制品时所得到的热固性玻璃纤维增强塑料，即 所谓的“玻璃钢”，缩写为GFRP;热塑性玻璃纤维增强塑料，缩写为GFRTP ；采用碳纤维的热固性增强塑料与热塑性塑料的缩写分别为CFRP与CFRTP。 ③按复合方式划分纤维与聚合物可采用多种复合方式，组成复合材料。 如预混复合、浸渍复合、层叠复合、骨架复合等
3. 纤维增强聚合物基复合材料的类型 复合材料包括三要素：基体材料、增强材料及复合方式。按此标准，纤维 增强聚合物基复合材料可划分为多种类别。 ①按基体材料划分 可分为纤维增强塑料(树脂基)与纤维增强弹性体(橡胶 基)。按基体聚合物的热行为，又可有热塑性与热固性之分。热固性增强塑料 ，简称FRP。热塑性增强塑料，简称为FRTP。 ②按增强材料划分 按纤维的排列，可划分为单向纤维、双向纤维与三向 纤维聚合物基复合材料；按纤维的形态，可划分为连续(无限长)纤维、长纤 维、短纤维与磨碎纤维增强聚合物基复合材料；按纤维的种类，可划分为玻 璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、金属纤维等纤维增强聚合物基复合材 料。 增强材料采用玻璃纤维及其制品时所得到的热固性玻璃纤维增强塑料，即 所谓的“玻璃钢”，缩写为GFRP；热塑性玻璃纤维增强塑料，缩写为GFRTP ；采用碳纤维的热固性增强塑料与热塑性塑料的缩写分别为CFRP与CFRTP。 ③按复合方式划分 纤维与聚合物可采用多种复合方式，组成复合材料。 如预混复合、浸渍复合、层叠复合、骨架复合等
T心之感东稀红我营拉水发性 4.纤维增强聚合物复合材料的性能 1.比强度高比刚度大 可减轻自重，承受较多的载荷和改善抗震性能 2.成型工艺性能好 与金属基复合材料相比较：没有大量的切割，原材料消耗少，所用功率也不大，可制 成形状复杂的部件，尤其适宜于制作相当大的整体结构部件。 3.材料性能可以设计 复合材料和复合材料的结构部件（产品）都具有可设计性。 纤维增强复合材料及其结构的可设计性，表现在选择纤维的种类、性能和体积分数，安 排铺层的方向、层数和层次。根据载荷的种类、大小、使用要求和工艺条件等，对结构的 形式、尺寸和厚度等进行没计，可使结构的性能、质量和经济指标等都做到合理和优化。 4.抗疲劳性能好 疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。纤维和 基体间的界面能阻止裂纹的扩展：疲劳破坏总是从纤维或基体的薄弱环节开始，逐步扩展 到结合面上，损伤较多且尺寸较大。 5.破损安全性能好 6.减振性能好 7.热稳定性好
4. 纤维增强聚合物复合材料的性能 1. 比强度高比刚度大 可减轻自重，承受较多的载荷和改善抗震性能 2. 成型工艺性能好 与金属基复合材料相比较 ：没有大量的切割，原材料消耗少，所用功率也不大，可制 成形状复杂的部件，尤其适宜于制作相当大的整体结构部件。 3.材料性能可以设计 复合材料和复合材料的结构部件(产品)都具有可设计性。 纤维增强复合材料及其结构的可设计性，表现在选择纤维的种类、性能和体积分数，安 排铺层的方向、层数和层次。根据载荷的种类、大小、使用要求和工艺条件等，对结构的 形式、尺寸和厚度等进行没计，可使结构的性能、质量和经济指标等都做到合理和优化。 4. 抗疲劳性能好 疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。纤维和 基体间的界面能阻止裂纹的扩展；疲劳破坏总是从纤维或基体的薄弱环节开始，逐步扩展 到结合面上，损伤较多且尺寸较大。 5. 破损安全性能好 6. 减振性能好 7.热稳定性好
GDTC之废东鞋工就莹然术常院 5.玻璃纤维的分类和性能 (1)按玻璃纤维的组成、特性与用途分类 有碱玻纤 中碱玻纤低介电玻纤无碱玻纤高强度玻纤相纤维高模量玻纤 性 能 c D E R M 拉伸强度/GPa 3.1 3.1 25 3.4 4.58 4.4 3.5 弹性模量/GPa 73 74 55 71 85 86 110 延伸率% 3.6 3.37 4.6 52 密度/(gcm 2.46 2.46 2.14 2.55 2.5 2.55 2.89 比强度/[GPa/(glcm] 13 1.3 12 1.3 1.8 1.7 12 比模量/[GPa/(gcm3】 30 30 26 8 34 34 38 热膨胀系数(10K) 8 2-3 4 折射率 1.52 1.55 1.52 1.54 损耗角正切值 0.0005 0.0039 0.0072 0.0015 相对介电常数 10Hz 3.8 6.2 1010Hz 6.11 5.6 体积电阻/μ2m 104 109 (2)按玻璃纤维的直径分类 初级玻璃纤维，单丝直径>20μm:中级，1020μm:高级，3`9μm;超级，<3μm (3)按玻璃纤维的长度：连续玻璃纤维、短切玻璃纤维以及磨碎纤维等
5.玻璃纤维的分类和性能 有碱玻纤 中碱玻纤 低介电玻纤 无碱玻纤 高强度玻纤 粗纤维 高模量玻纤 性 能 A C D E S R M 拉伸强度/GPa 3.1 3.1 2.5 3.4 4.58 4.4 3.5 弹性模量/GPa 73 74 55 71 85 86 110 延伸率/% 3.6 3.37 4.6 5.2 密度/(g/cm3 ) 2.46 2.46 2.14 2.55 2.5 2.55 2.89 比强度/[GPa/(g/cm3 )] 1.3 1.3 1.2 1.3 1.8 1.7 1.2 比模量/[GPa/(g/cm3 )] 30 30 26 28 34 34 38 热膨胀系数/(10-6/K) 8 2~3 4 折射率 1.52 1.55 1.52 1.54 损耗角正切值 0.0005 0.0039 0.0072 0.0015 相对介电常数 105 Hz 3.8 6.2 1010Hz 6.11 5.6 体积电阻/μΩ·m 1014 1019 (1) 按玻璃纤维的组成、特性与用途分类 (2) 按玻璃纤维的直径分类 初级玻璃纤维，单丝直径>20μm；中级,10~20μm；高级，3~9μm；超级，<3μm (3) 按玻璃纤维的长度：连续玻璃纤维、短切玻璃纤维以及磨碎纤维等
GDT之废东鞋工狱常然术常院 6.原料的选择及配方 1.树脂的选择：两个依据，一是根据增强和改性塑料产品性能对树脂的性能要求，二是 增强改性塑料粒料所加工的制品的几何形状和尺寸所要求的流动性能。例如，制备玻纤增 强聚丙烯粒料时，由制品性能要求确定选用的是均聚聚丙烯、共聚聚丙烯还是化学处理聚 丙烯，用于低温环境仍要求保持高强度和良好的冲击性能，则采用乙烯丙烯共聚物，需要 高流动性加工则选用高熔体流动速率聚丙烯。 2.增强纤维 热塑性树脂的增强通常采用玻璃纤维，无碱玻璃纤维或中碱玻璃纤维：纤维直径： 合成树脂是高分子有机物质，玻璃纤维是无机物质，二者性质差别很大，复合在一起 的强度取决于二者间界面的作用力。为了改善二者间的结合能力，必须要对二者的界面进 行处理。同时为使玻璃纤维在高温剪切作用下不致过于断碎而影响增强效果，以及确保玻 璃纤维在树脂熔融塑炼过程中有一定的流动性和良好的分散性，对玻璃纤维表面必须加以 处理。 3.填充材料 降低产品的成本：调节加工流动性：改进物理机械性能：赋予材料新的性能等 4.树脂改性剂
6. 原料的选择及配方 1. 树脂的选择：两个依据，一是根据增强和改性塑料产品性能对树脂的性能要求，二是 增强改性塑料粒料所加工的制品的几何形状和尺寸所要求的流动性能。例如，制备玻纤增 强聚丙烯粒料时，由制品性能要求确定选用的是均聚聚丙烯、共聚聚丙烯还是化学处理聚 丙烯，用于低温环境仍要求保持高强度和良好的冲击性能，则采用乙烯丙烯共聚物，需要 高流动性加工则选用高熔体流动速率聚丙烯。 2. 增强纤维 热塑性树脂的增强通常采用玻璃纤维，无碱玻璃纤维或中碱玻璃纤维；纤维直径； 合成树脂是高分子有机物质，玻璃纤维是无机物质，二者性质差别很大，复合在一起 的强度取决于二者间界面的作用力。为了改善二者间的结合能力，必须要对二者的界面进 行处理。同时为使玻璃纤维在高温剪切作用下不致过于断碎而影响增强效果，以及确保玻 璃纤维在树脂熔融塑炼过程中有一定的流动性和良好的分散性，对玻璃纤维表面必须加以 处理。 3. 填充材料 降低产品的成本；调节加工流动性；改进物理机械性能；赋予材料新的性能等 4. 树脂改性剂
T下之废东鞋红就堂故术发说 7.纤维表面处理的基本原则 1.极性相近原则 无机增强材料的表面与聚合物基体有较大的差别，基体不易浸润增强材料的表面，造成 复合过程中基体材料难以完全排除增强剂表面已吸附的气体，使复合材料孔隙率高、性能 差。因此，对增强材料表面进行改性，使两者极性相近 2.界面酸碱匹配原则 接触体系界面电子斥引作用相匹配，界面酸碱配位产生粘合力，提高复合材料界面的粘 接强度。 3.形成界面化学键原则 为了使复合材料既有优良的物理力学性能，又具有抗腐蚀、耐湿热老化性能，粘接的界 面必须具备既有分子间作用力又有化学键力。处理增强材料表面时，同时必须考虑选用的 表面处理剂是否具有能与增强材料表面及聚合物表面起化学反应的反应性基团和反应的可 能性
广东轻工职业技术学院高分子教研室 9 7.纤维表面处理的基本原则 1. 极性相近原则 无机增强材料的表面与聚合物基体有较大的差别，基体不易浸润增强材料的表面，造成 复合过程中基体材料难以完全排除增强剂表面已吸附的气体，使复合材料孔隙率高、性能 差。因此，对增强材料表面进行改性，使两者极性相近 2. 界面酸碱匹配原则 接触体系界面电子斥引作用相匹配，界面酸碱配位产生粘合力，提高复合材料界面的粘 接强度。 3. 形成界面化学键原则 为了使复合材料既有优良的物理力学性能，又具有抗腐蚀、耐湿热老化性能，粘接的界 面必须具备既有分子间作用力又有化学键力。处理增强材料表面时，同时必须考虑选用的 表面处理剂是否具有能与增强材料表面及聚合物表面起化学反应的反应性基团和反应的可 能性
GDTC底东鞋工状幸拉术常院 8.玻璃纤维的表面处理 玻璃纤维的表面处理，就是在光洁的玻璃纤维表面涂上一层均匀的表面 处理剂（或称粘合剂、偶联剂）。工程中常采用偶联剂来对玻璃纤维进行表 面处理。处理方法分为前处理（将偶联剂加入浸润剂中，或用偶联剂直接代 替石蜡乳剂，主要用于无捻粗纱及其纺织制品)、后处理（玻璃纤维经热处 理后再用偶联剂处理，主要用于有捻纺织制品)和迁移法（偶联剂直接加入 树脂中，主要用于缠绕、模压成型)等三种
广东轻工职业技术学院高分子教研室 10 玻璃纤维的表面处理，就是在光洁的玻璃纤维表面涂上一层均匀的表面 处理剂(或称粘合剂、偶联剂)。工程中常采用偶联剂来对玻璃纤维进行表 面处理。处理方法分为前处理(将偶联剂加入浸润剂中，或用偶联剂直接代 替石蜡乳剂，主要用于无捻粗纱及其纺织制品)、后处理(玻璃纤维经热处 理后再用偶联剂处理，主要用于有捻纺织制品)和迁移法(偶联剂直接加入 树脂中，主要用于缠绕、模压成型)等三种。 8. 玻璃纤维的表面处理