玻纤增强PET复合材料改性助剂对其性能影响的研究
期刊: 环球科学 2026年第17期 DOI: 10.67328/wslwpp1270 PDF下载
第一作者简介：刘欢（1988.1-），男，汉族，四川遂宁人，大学本科，工程师，研究方向:高分子材料加工成型及改性方向。
玻纤增强PET复合材料改性助剂对其性能影响的研究
刘欢，温浩宇
（四川省宜宾普拉斯包装材料有限公司，四川 宜宾，644007）
摘要：玻纤增强聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）凭借高刚性、高强度与优异耐热性，是实现金属轻量化替代的重要工程塑料品种，但该复合材料普遍存在玻纤外露（浮纤）、结晶速率慢、模具温度要求高等问题，制约制品外观与加工使用性能。本文以30%短玻纤增强PET体系为研究对象，系统探究抗浮纤剂、成核剂以及不同类型、不同添加量相容剂对玻纤增强PET复合材料力学性能、耐热性能的影响。研究可为外观要求较高的玻纤增强PET改性配方开发提供实验参考。
关键词：玻纤增强PET；抗浮纤剂；成核剂；相容剂；力学性能；热变形温度
引言
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种应用广泛的半结晶聚合物，可经酯交换法由对苯二甲酸二甲酯（DMT）和乙二醇（EG）酯交换制得，或经酯化法由对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）脱水缩聚制得[1]。PET在电子电气、食品包装、机械结构等领域应用广泛。然而，未经过改性的PET也存在一定的缺陷，如当其作为工程塑料应用时，由于其分子链刚性大，链段运动困难而使得其结晶速率慢，实际加工中难以快速达到理想结晶度，注塑时需要将模具温度设定在140-160℃的较高区间才能获得合格结晶，提高了加工能耗与工艺控制难度。同时它还存在韧性不足、受热后尺寸稳定性差等问题，这些缺陷限制了PET的应用范围[2]。通过玻璃纤维（GF）对PET填充改性后，得到的PET复合材料在刚性、拉伸强度、热变形温度方面均会有显著提升，实现金属零部件轻量化替代，是目前PET改性领域的主流材料之一。
在实际应用过程中，玻纤增强PET复合材料表面容易出现浮纤，即玻纤外露现象，导致产品表面出现类似麻点的缺陷，严重降低产品表面光洁度，无法适用于对外观有要求的结构件；为解决该问题，通过加入特定类型的助剂来进行外观改善，我们称之为抗浮纤剂。为满足玻纤增强PET复合材料的使用性能如耐温性、刚性等，通常会加入其他助剂，例如成核剂、相容剂等等。助剂之间存在协同或拮抗作用，会共同左右复合材料最终性能。本文主要采用单一变量设计实验，探讨了不同抗浮纤助剂、成核剂与相容剂对PET玻纤增强复合材料的性能影响。
一、实验材料与实验方法
（一）实验材料
实验所采用的PET为华润水瓶片8816和玻纤（短），并配合抗浮纤助剂、成核剂、相容剂，以及扩链剂、抗氧剂和流动改性剂等，主要材料及试剂见表1-1
表1-1 实验所涉及的材料及试剂
| 序号 | 名称 | 生产厂家 |
| 1 | PET 8816 | 华润 |
| 2 | 短玻纤 | 巨石 |
| 3 | 抗浮纤剂C600C-2 | 威海晨源 |
| 4 | 成核剂FLS-10 | 科奈恩 |
| 5 | 相容剂W5AS | 上海课艾斯 |
| 6 | 相容剂KT-33 | 沈阳科通 |
| 7 | 扩链剂3025 | 巴斯夫 |
| 8 | 抗氧剂215 | 巴斯夫 |
| 9 | 流动改性剂PETS | 嘉兴中成 |
（二）实验方法
本文研究的玻纤增强PET复合材料（以下简称“复合材料”）性能主要包括强度、韧性及耐温性，主要的测试方法：
拉伸性能测试：按国家标准GB/T1040.1-2018进行，试样为哑铃型，试样尺寸为11.5mmx4mm，拉伸速度为50mm/min，23℃。
弯曲性能测试：按国家标准GB/T9341-2008进行，试样为条形，尺寸为80mmx10mmx4mm，弯曲速度为50 mm/min,23℃。
冲击性能测试：按照GB/T 1043.1-2008参照现有通用测试标准与实验方案对其进行了冲击性能测试，采用A型缺口设计，在23℃环境下开展侧向冲击试验。
热变形温度测试：按照国家标准GB/T 1634.2-2019对其进行热变形温度测试，1.8MPa载荷，升温速率120℃/h。
（三）样品的制备
将PET、玻纤、抗浮纤剂、成核剂、相容剂和其他助剂按表1-2配方预混后加入双螺杆造粒机进行造粒。温度控制在260℃左右，加料速度控制在30kg/h，真空排气口真空度控制在0.06-0.08MPa，最终经水冷切粒，得到3—5mm的圆柱状玻纤增强PET复合材料。将得到的复合材料通过注塑工艺制备成实验所需的样条。
表1-2 实验配方表
| 原料/牌号 | 配方1 | 配方2 | 配方3 | 配方4 | 配方5 | 配方6 | 配方7 | 配方8 |
| PET/8816 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 | 70 |
| 玻纤（短） | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 抗浮纤剂/C600c-2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 成核剂/FLS-10 | 0 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| 相容剂/W5AS | 2 | 2 | 5 | 8 | 0 | / | / | / |
| 相容剂/KT-33 | / | / | / | / | / | 2 | 3 | 5 |
| 扩链剂/3025 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
| 抗氧剂/215 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| 流动改性剂（外润滑剂）/pets | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
二、结果与分析
（一）抗浮纤剂和成核剂对复合材料性能的影响
按表1-2中配方1和配方2制备复合材料并制备样条后，测试样条的性能，分别测5组并取平均值，结果见表2-1。
表2-1 添加成核剂后玻纤增强PET复合材料性能表
由表2-1可以看出，配方2添加成核剂后，复合材料的性能比配方1未加成核剂的性能全面提高。这一规律与已有的多项研究结论一致，有研究显示，与未添加成核剂的纯PET相比，添加蒙脱土类成核剂的PET/MMT复合体系1/t1/2值升高将近一倍，结晶速率明显加快，结晶更为完善；因为添加成核剂后，成核剂在PET熔体冷却过程中充当异相成核位点，提升晶核密度，加速PET结晶，提高体系结晶度。结晶度提升一方面强化树脂基体本身的刚性与耐热能力；另一方面基体结晶完善可以更好地传递应力，玻纤的增强效应得到充分发挥，实现力学与耐热性能同步提升[3]。
（二）相容剂对复合材料性能的影响
按表1-2中配方2至配方5制备复合材料并制备样条后，测试样条的各项性能，分别测5组并取平均值，结果见表2-2。
表2-2 不同比例相容剂的玻纤增强PET复合材料性能表
| 项目 | 牌号/单位 | 配方2 | 配方3 | 配方4 | 配方5 |
| 拉伸强度 | MPa | 114.8 | 93.98 | 83.74 | 125.3 |
| 弯曲强度 | MPa | 139.5 | 111.22 | 108.23 | 147.9 |
| 弯曲模量 | MPa | 6001.6 | 5008.93 | 5081.9 | 6459.31 |
| 缺口冲击强度 | kJ/m2 | 5.61 | 4.21 | 4.27 | 3.91 |
| 热变形温度 | ℃ | 224.8 | 90.2 | 89.2 | 232.1 |
相容剂W5AS是马来酸酐接枝相容剂的一种。从表2-2可以看出，在添加量2%时，复合材料缺口冲击强度比未添加相容剂时显著上升，但是拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量有所下降。这是因为W5AS本体是弹性体，模量远低于PET 玻纤基体，引入W5AS相当于软相稀释刚性相，导致复合材料的拉伸强度逐渐降低。但是由于相容剂的加入，改善了复合材料中PET和玻纤两项界面的性能[4–5]，增加了界面黏接力，使其更加有机的结合起来，在冲击过程中，可有效阻止裂纹的产生及扩散，从而表现出冲击强度增大。随着相容剂添加量的增加，各项性能呈现降低的趋势，反而影响了整个共混体系的相容性。
在热变形温度方面，未添加相容剂时，玻纤增强改性可将PET的热变形温度提升至230℃左右，而相容剂的添加会使热变形温度逐渐降低，是因为过量相容剂分子会干扰PET分子链规整排列，抑制成核剂的结晶促进效果，结晶度下降，直接造成热变形温度断崖式降低。
（三）不同相容剂对复合材料性能的影响
为进一步研究不同相容剂对复合材料性能的影响，本文采用相容剂KT-33开展对比性能研究。结果见表2-3。
表2-3 不同相容剂的玻纤增强PET复合材料性能表
| 项目 | 牌号/单位 | 配方6 | 配方7 | 配方8 |
| 拉伸强度 | MPa | 101.25 | 116.81 | 124.12 |
| 弯曲强度 | MPa | 163.55 | 167.83 | 168.16 |
| 弯曲模量 | MPa | 7599.11 | 8452.59 | 9521.54 |
| 缺口冲击强度 | kJ/m2 | 6.014 | 6.314 | 6.916 |
| 热变形温度 | ℃ | 145.71 | 149.95 | 151.13 |
相容剂KT-33是丙烯酸接枝相容剂，从表2-2和表2-3数据对比可以看出，在其他条件相同的情况下，相容剂KT-33对复合材料的物理机械性能提升明显优于W5AS，且随着添加比例的提升，复合材料的性能也在不断提升，添加比例5%时仍然保持上升趋势，没有出现性能拐点，说明该相容剂与本玻纤增强PET体系适配性较好，在实验范围内增加掺量可以持续强化玻纤 基体界面传递应力的能力。
在热变形温度方面，随着KT 33添加量增大，热变形温度小幅上升，但最高仅151.13 ℃，明显低于2%添加W5AS体系的224.8 ℃，也低于未加相容剂的配方。说明丙烯酸接枝相容剂同样会对PET结晶行为带来负面影响，对耐热性能存在一定牺牲。
三、小结
1.成核剂FLS‑10的加入能够显著改善PET结晶能力，0.4%添加量条件下，玻纤增强PET的拉伸、弯曲、冲击强度和热变形温度均显著提升。
2.丙烯酸接枝相容剂KT-33对复合材料力学增强效果优于马来酸酐接枝相容剂W5AS，实验范围内（2-5%）力学性能随添加量增加持续提高，但该相容剂对热变形温度改善有限。
3.助剂复配存在协同与拮抗效应，在配方设计时，不能单纯追求单项性能的最大化，需要同时兼顾力学性能和耐热性能指标，在相容剂种类、添加量之间进行取舍。
参考文献：
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