一、简介

    在聚合物工业领域，为提高本体聚合物的强度和硬度，纤维增强体被广泛的用来结构性增强聚合物。但由于增强纤维与基体一般为两种不同组分的材料，如玻璃纤维增强尼龙，这使得材料的回收再利用很困难；同时由于增强体与基体间包括表面能在内的物理、化学性质的差异，使得在二者间直接形成良好界面作用来有效传递应力也较为困难。随着聚合物纤维工业的发展，各种高性能的聚合物纤维相继出现，科学家开始创新性的研究利用聚合物纤维来增强同一组分的聚合物基体（例如超高分子量聚乙烯纤维增强高密度聚乙烯），从而使得该复合材料相比于传统复合材料具有轻质、可热变形和熔融即可回收的优点，可更好适应现代社会对材料回收再利用的环保要求，且纤维与基体间化学组成、物理结构的相同有利于直接形成有效黏结。

图  1，已经商业化用途的自增强产品

    英国的Leeds大学的研究人员在1975年以高密度聚乙烯体系为基础第一次提出了单一聚合物复合材料(single polymer composites, SPC)的概念——基体和增强体是由同种聚合物的不同形态所构成，国内很多人称为自增强聚合物。他们对SPC的特点进行了概括：纤维与基体间熔点的差异是制备SPC的关键；纤维的高表面能表面能够促进成核，基体熔体在纤维表面外延取向晶体生长而形成横晶，从而提供足够的界面黏结强度。SPC材料最早由Amoco公司以Curv™ 商标实施产业化，主要用作车底护板、旅行箱、运动器材、防护用品、头盔等。目前，国内也有这方面的研究，例如尼龙6自增强材料。该材料主要通过两种途径制造。一种是热压的方式，控制热压的温度使尼龙纤维表面熔融加压变形，使纤维间的空隙充满熔融的树脂；另一种方法是原位浇铸的方法，即将尼龙6纤维预先铺放在模具中，将反应单体通过真空辅助RTM的工艺浇铸到模具中，然后控制反应温度使单体聚合得到自增强尼龙6复合材料。

    单一聚合物自增强复合材料同其他复合材料相比具有如下优势：
    1. 密度低，与树脂的密度接近。例如Curv的密度仅为0.92g/cm³；
    2. 完全回收。由于材料中没有第二组分，实现100%的回收；
    3. 低压热成型；
    4. 超优异的冲击性能；
    5. 优异的耐刮擦性能。

     下表为典型的自增强聚丙烯（Curv）的典型性能与其他材料性能的比较：

    二、制备方法

    薄膜叠层法、粉末浸渍法和溶液浸渍法

    研究者将传统的制备纤维增强聚合物复合材料的方法成功应用到SPC的制备，包括薄膜叠层法、粉末浸渍法和溶液浸渍法。这三种方法使用不同初始分散状态的基体（分别为薄膜、粉末和溶液），但是均需要聚合物纤维具有高于聚合物基体的熔融温度。薄膜叠层法的简单示意图如图2所示，聚合物纤维均匀缠绕在一金属框上，再铺入基体薄膜，上下加以金属板施压，在纤维和基体二者熔融温度间的合适温度使得聚合物基体发生熔融并浸渍聚合物纤维，在随后的冷却过程中基体结晶并将分散的纤维粘结在一起而形成高性能的复合材料。为使相同化学成分的纤维和基体具有不同的熔融温度，通常可使二者具有不同分子量、不同结晶度或不同取向度，也可采用共聚方法来降低基体的熔点。但是由于热塑性聚合物在熔融状态下的高粘度使得基体对纤维难以形成完美的浸润、体系中的气泡无法完全排出，从而会在一定程度上影响复合材料的整体性能；为满足基体和纤维熔点的差别，二者往往由两种级别的聚合物构成，这给界面结合的优化及材料回收增加了难度。

图  2. 薄膜叠层法示意图

    热压法

    为解决上述问题，仅使用聚合物纤维的创新性的热压法（如图3所示）被提出：聚合物纤维在一定压力的限制下，在处于其熔融范围的温度作用下，纤维表面发生选择性的适量熔融来填满纤维间的空隙，同时纤维的大部分高取向得以保留，这样基体在纤维表面原地生成、省却了困难的浸润过程，而且纤维仅损失了小部分的高取向态，从而可获得高纤维含量的复合材料。但是由于需要精确控制纤维熔融部分的比例，该方法的工艺温度范围极窄（1－2℃），这一点限制了其工艺上的应用。

图  3. 聚合物纤维热压工艺过程示意图

   未完待续：自增强复合材料发展及应用（二）