上承： 自增强复合材料发展及应用（一） 

    共挤出法

    为获得较宽的工艺温度范围，一种利用在线共挤出来获得具有较大熔点差别“壳-芯”结构共挤出带的方法（如图4所示）被利用来制备SPC：首先通过共挤出法得到由两种不同熔点PP组成的PP带，熔点较高的PP位于带的中间层（B），熔点较低的PP共聚物充当表面层（A），表面层的质量百分比一般控制在10%以下；将得到的共挤出PP带在一定的条件下通过两步的拉伸取向得到高强度、高模量的PP带，再经过热压制得复合材料，热压的温度低于作为增强体的高度取向的中间层PP的熔点，同时高于充当黏合作用的表面层PP共聚物的熔点。通过共挤出技术，加工温度范围可以达到20－40℃；由于层与层间均有充当黏结作用的表面层均匀地分布，基体材料不需要通过大范围、长距离的流动来填充纤维之间的空隙，使得基体与纤维之间的黏结速度及黏结效率大大提高并且极大程度的减少了空隙含量；同时，纤维体积分数可达到80%以上。

图  4.共挤出法示意图

    三、聚合物体系

    由于聚烯烃类非极性聚合物分子间作用力较弱，其纤维在经过拉伸后可获得极高的取向度，高的取向度使纤维可获得极高的力学性能：聚乙烯纤维的理论强度可高达250GPa，聚丙烯也达到43GPa。在商业化的聚烯烃纤维中，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维以其优异的性能（强度可达3GPa，模量>150GPa）脱颖而出，因此较多的研究者使用UHMWPE纤维作为增强体来制备SPC。但是聚乙烯相对较低的熔融温度和玻璃化转变温度限制了聚乙烯(PE)类SPC的应用范围，然而聚丙烯(PP)的使用温度要高于聚乙烯且具有较低的密度，因此研究者采用PP纤维或共挤出PP带（PURE®， Sneek,，The Netherlands）制备了PP类SPC。

    由于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）优异的生物相容性，经常被用来作为关节修复手术中骨水泥,但是其本身较低的力学性能限制了长期使用性能。为此，研究者采用PMMA纤维增强PMMA基体，从而获得了远高于基体性能的复合材料。

    用于制备SPC的聚合物还包括聚对苯二甲酸已二酯、聚酰胺、液晶、聚乳酸以及生物纤维素。

    四、应用

    纤维增强聚合物复合材料的力学性能在很大程度上决定于纤维的原有性能以及纤维/聚合物的界面强度。对于SPC来说，纤维与基体相同的化学成分有利于形成强而稳定的界面结合，因此SPC的力学性能主要受聚合物纤维本身性能的限制。正是因为低密度、高性能UHMWPE纤维的出现，PE类的SPC才有了较大的发展，其性能可与碳纤维或芳纶纤维增强复合材料相比较，现已广泛的应用在防弹头盔、防弹衣和体育器材上。源于热压法的PP类SPC板材(CurveTM)已经商业化，可用来成型汽车的底盘、直升机的雷达罩、足球护腿板和扬声器振膜等。另外，采用PURETM共挤出技术的SPC也已经商业化。

图  5，已经商业化用途的自增强材料

    比较于传统的玻璃纤维或碳纤维增强聚合物复合材料，SPC具有密度低、界面结合好、可完全循环等优点。虽然目前广泛应用的SPC主要是聚烯烃类，但是随着各种高性能聚合物纤维的不断出现，SPC将有更加广阔的应用前景。