它是玻璃填充的还是玻璃增强的？

几个月前，我写了一篇文章，比较了缩醛均聚物和共聚物的性质。在那篇文章中我提到，玻璃纤维可以“耦合”（结合）到缩醛共聚物，但不能到均聚物；因此，在共聚物中加入玻璃纤维的好处更大。事实证明，虽然我没有注意到，但缩醛均聚物的一个主要供应商确实引入了两种实际的玻璃纤维增强缩醛均聚物。188金宝搏网页登录

填充与强化缩醛

表1显示了未填充缩醛均聚物的性能曲线，以及典型的20%玻璃填充等级和含有10%和25%玻璃的新等级，其中纤维与聚合物基体耦合。强度的差异非常明显，这是玻璃填充材料和玻璃增强材料之间差异的一个很好的例子。这是值得讨论的一些细节，因为这种区别也存在于一些其他聚合物。

它从纤维开始。这些填料比典型填料提供了更大的性能改进，因为它们有一种叫做纵横比的东西。在纤维中，这是长度与直径之比。高宽比越大，性能改善越好。20世纪80年代，长纤维增强材料的引入旨在利用这一原理，将芯块中的起始纤维长度从2-3mm增加到11-12mm。

在引入现代长玻璃化合物之前，实际上提供了纤维长度高达6 mm（1/4 in.）的长纤维材料，然而，新化合物的制造方式最大化了聚合物和单个玻璃纤维之间的“润湿”或表面接触。另一种提高长径比的方法是使用具有典型长度但直径较小的纤维，称为晶须。

聚合物复合中使用的玻璃纤维表面通常经过处理或调整尺寸，以提高聚合物与玻璃的附着力。不同的尺寸适用于不同的聚合物。但在某些情况下，即使良好的上浆也不足以在聚合物和纤维之间产生最佳粘合。这种结合很重要，因为当聚合物开始承受机械过载时，玻璃纤维通过控制材料上的应力来增加强度。纤维比聚合物基体更坚固，因此它们增加了整个化合物的强度。然而，如果聚合物和玻璃纤维之间的结合较弱，则负载的转移效率不高，玻璃的益处也无法实现。

如果玻璃纤维只是简单地添加到聚合物中而没有良好的粘合，则该材料是玻璃填充的。如果相之间的结合最佳，则材料为玻璃增强材料。如表1所示，差异是显著的。

请注意，虽然玻璃填充缩醛的强度低于未填充材料的强度，但增强材料的强度始终较高。事实上，10%的玻璃增强等级比20%的玻璃填充等级的强度高35%以上，硬度几乎与20%的玻璃填充等级相同，同时重量减轻了5%。这是一个很好的例子，说明了如何更有效地使用相同的成分以获得更好的最终结果。

化学偶联研究进展

聚丙烯是另一种聚合物，添加玻璃纤维的过程经历了演变。原始材料只是玻璃填充的。PP是一种非极性聚合物，没有什么东西会粘在上面，包括玻璃纤维。但在20世纪70年代末和80年代初，一些供应商开始使用一种称为化学耦合的工艺。这涉及到对聚丙烯主链的化学性质进行微小调整，以引入极性。这种极性改善了聚合物和玻璃纤维之间的结合，产生了表2所示的性能改善类型。188金宝搏网页登录

这一发展为PP创造了一个新的市场，作为一种可以与某些工程热塑性塑料竞争的材料。随着最终用户将这一潜力推向极限，化学耦合的改进产生了额外的增强。这些改进在数据表上不一定很明显，但它们在涉及疲劳和蠕变等机制的长期应用中产生了更好的性能。强度和刚度增加10%可能不会引起所有人的注意，但短期性能的提高可以使产品的疲劳寿命加倍。

PVC也经历了类似的一系列改进，与玻璃填充材料相比，耦合技术提高了玻璃增强材料的性能。

通过改变聚合物和玻璃纤维的耦合方式，也可以改善某些环境中的长期性能。聚苯硫醚化合物几乎总是与大量玻璃纤维一起销售。聚苯硫醚的一个优点是它具有优异的耐化学性，而且即使水经过氯化处理，它也能很好地抵抗热水。许多其他工程材料，如缩醛、尼龙和热塑性聚酯，在湿热环境下会水解，而聚苯硫醚则能很好地保持。

然而，在玻璃纤维增强聚苯硫醚在高温、含水环境中使用的最初几年，这种材料显示出令人费解的早期失效。对失效部件的评估表明，虽然聚合物没有被热水损坏，但聚合物和玻璃之间的粘结确实发生了断裂。随着界面的削弱，零件失去了结构完整性并发生了故障。新的耦合技术解决了这个问题。

还有其他变量可以用来改善玻璃纤维聚合物的性能。玻璃纤维的成分是这些变量之一。聚合物化合物中使用的绝大多数玻璃纤维称为E玻璃。这表示玻璃中的某种化学物质，并伴随着一组特定的性质。然而，也有其他玻璃化学制品可以赋予聚合物基质不同的性质，但其成本通常被认为不值得额外的费用。

另一个有趣的变量是玻璃纤维的几何形状。大多数玻璃纤维的横截面形状为圆形。在20世纪90年代，一些有趣的工作是使用具有双叶或三叶横截面的玻璃纤维完成的。这增加了玻璃纤维和聚合物基体之间的接触表面积，并在机械性能方面产生了一些有趣的改进。然而，这也是一条改善房地产的途径，在这种情况下，成本/性能平衡并不具有吸引力，尽管地毯行业使用这些配置来提高弹性，甚至产生某些光学效果。

但即使在典型的材料复合领域内，重要的是要理解，尽管本体成分很重要，但材料的组装和相互连接方式对性能，尤其是长期性能有着重大影响。随着汽车行业最近对在保持性能的同时减轻重量的关注，这是一个必须记住的原则。

关于作者

Michael Sepe是一名独立材料和加工顾问，总部位于亚利桑那州塞多纳，客户遍及北美、欧洲和亚洲。他在塑料行业拥有超过35年的经验，协助客户进行材料选择、可制造性设计、工艺优化、故障排除和故障分析。联系人：（928）203-0408•mike@thematerialanalyst.com.