、簡介在聚合物工業(yè)領(lǐng)域，為提高本體聚合物的強度和硬度，纖維增強體被廣泛的用來結(jié)構(gòu)性增強聚合物。但由于增強纖維與基體一般為兩種不同組分的材料，如玻璃纖維增強尼龍，這使得材料的回收再利用很困難；同時由于增強體與基體間包括表面能在內(nèi)的物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，使得在二者間直接形成良好界面作用來有效傳遞應(yīng)力也較為困難。隨著聚合物纖維工業(yè)的發(fā)展，各種高性能的聚合物纖維相繼出現(xiàn)，科學(xué)家開始創(chuàng)新性的研究利用聚合物纖維來增強同一組分的聚合物基體(例如超高分子量聚乙烯纖維增強高密度聚乙烯)，從而使得該復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)、可熱變形和熔融即可回收的優(yōu)點，可更好適應(yīng)現(xiàn)代社會對材料回收再利用的環(huán)保要求，且纖維與基體間化學(xué)組成、物理結(jié)構(gòu)的相同有利于直接形成有效黏結(jié)。圖1,已經(jīng)商業(yè)化用途的自增強產(chǎn)品英國的Leeds大學(xué)的研究人員在1975年以高密度聚乙烯體系為基礎(chǔ)第一次提出了單一聚合物復(fù)合材料(singlepolymercomposites,SPC)的概念 基體和增強體是由同種聚合物的不同形態(tài)所構(gòu)成，國內(nèi)很多人稱為自增強聚合物。他們對SPC的特點進行了概括：纖維與基體間熔點的差異是制備SPC的關(guān)鍵；纖維的高表面能表面能夠促進成核，基體熔體在纖維表面外延取向晶體生長而形成橫晶，從而提供足夠的界面黏結(jié)強度。SPC材料最早由Amoco公司以Curv?商標(biāo)實施產(chǎn)業(yè)化，主要用作車底護板、旅行箱、運動器材、防護用品、頭盔等。目前，國內(nèi)也有這方面的研究，例如尼龍6自增強材料。該材料主要通過兩種途徑制造。一種是熱壓的方式，控制熱壓的溫度使尼龍纖維表面熔融加壓變形，使纖維間的空隙充滿熔融的樹脂；另一種方法是原位澆鑄的方法，即將尼龍6纖維預(yù)先鋪放在模具中，將反應(yīng)單體通過真空輔助RTM的工藝澆鑄到模具中，然后控制反應(yīng)溫度使單體聚合得到自增強尼龍6復(fù)合材料。單一聚合物自增強復(fù)合材料同其他復(fù)合材料相比具有如下優(yōu)勢：密度低，與樹脂的密度接近。例如Curv的密度僅為0.92g/cm3完全回收。由于材料中沒有第二組分，實現(xiàn)100%的回收；

低壓熱成型；超優(yōu)異的沖擊性能;優(yōu)異的耐刮擦性能。F表為典型的自增強聚丙烯（Curv）的典型性能與其他材料性能的比較:ab車同壇強材料的F?片材性能比較材料SR-PF^nU片材GMT片材梓0%璇纖/PP）密廈920900nas5.C1123.5-S8拉伸強度（Mpa）iao27.099缺口冷擊強風(fēng)咖）20C200&7240C7500易浙鞋劇斷裂二、制備方法薄膜疊層法、粉末浸漬法和溶液浸漬法研究者將傳統(tǒng)的制備纖維增強聚合物復(fù)合材料的方法成功應(yīng)用到SPC的制備，包括薄膜疊層法、粉末浸漬法和溶液浸漬法。這三種方法使用不同初始分散狀態(tài)的基體（分別為薄膜、粉末和溶液），但是均需要聚合物纖維具有高于聚合物基體的熔融溫度。薄膜疊層法的簡單示意圖如圖2所示，聚合物纖維均勻纏繞在一金屬框上，再鋪入基體薄膜，上下加以金屬板施壓，在纖維和基體二者熔融溫度間的合適溫度使得聚合物基體發(fā)生熔融并浸漬聚合物纖維,在隨后的冷卻過程中基體結(jié)晶并將分散的纖維粘結(jié)在一起而形成高性能的復(fù)合材料。為使相同化學(xué)成分的纖維和基體具有不同的熔融溫度，通?？墒苟呔哂胁煌肿恿?、不同結(jié)晶度或不同取向度，也可采用共聚方法來降低基體的熔點。但是由于熱塑性聚合物在熔融狀態(tài)下的高粘度使得基體對纖維難以形成完美的浸潤、體系中的氣泡無法完全排出，從而會在一定程度上影響復(fù)合材料的整體性能；為滿足基體和纖維熔點的差別，二者往往由兩種級別的聚合物構(gòu)成，這給界面結(jié)合的優(yōu)化及材料回收增加了難度。

金H金H略圖2.薄膜疊層法示意圖熱壓法為解決上述問題，僅使用聚合物纖維的創(chuàng)新性的熱壓法(如圖3所示)被提出：聚合物纖維在一定壓力的限制下，在處于其熔融范圍的溫度作用下，纖維表面發(fā)生選擇性的適量熔融來填滿纖維間的空隙,同時纖維的大部分高取向得以保留，這樣基體在纖維表面原地生成、省卻了困難的浸潤過程，而且纖維僅損失了小部分的高取向態(tài)，從而可獲得高纖維含量的復(fù)合材料。但是由于需要精確控制纖維熔融部分的比例,該方法的工藝溫度范圍極窄(1—2°C),這一點限制了其工藝上的應(yīng)用。OOOOOOOOOO圖3.聚合物纖維熱壓工藝過程示意圖共擠出法為獲得較寬的工藝溫度范圍，一種利用在線共擠出來獲得具有較大熔點差別“殼■芯”

結(jié)構(gòu)共擠出帶的方法(如圖4所示)被利用來制備SPC：首先通過共擠出法得到由兩種不同

熔點PP組成的PP帶，熔點較高的PP位于帶的中間層(B)，熔點較低的PP共聚物充當(dāng)表

面層(A)，表面層的質(zhì)量百分比一般控制在10%以下；將得到的共擠出PP帶在一定的條件下通過兩步的拉伸取向得到高強度、高模量的PP帶，再經(jīng)過熱壓制得復(fù)合材料，熱壓的溫度低于作為增強體的高度取向的中間層PP的熔點，同時高于充當(dāng)黏合作用的表面層PP共聚物的熔點。通過共擠出技術(shù)，加工溫度范圍可以達(dá)到20—40°C；由于層與層間均有充當(dāng)黏結(jié)作用的表面層均勻地分布，基體材料不需要通過大范圍、長距離的流動來填充纖維之間的空隙，使得基體與纖維之間的黏結(jié)速度及黏結(jié)效率大大提高并且極大程度的減少了空隙含量;同時，纖維體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到80%以上。高熔點芯愜熔點殼高熔點芯愜熔點殼圖4?共擠出法示意圖三、 聚合物體系由于聚烯烴類非極性聚合物分子間作用力較弱，其纖維在經(jīng)過拉伸后可獲得極高的取向度,高的取向度使纖維可獲得極高的力學(xué)性能：聚乙烯纖維的理論強度可高達(dá)250GPa，聚丙烯也達(dá)到43GPa。在商業(yè)化的聚烯烴纖維中，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維以其優(yōu)異的性能(強度可達(dá)3GPa，模量〉150GPa)脫穎而出，因此較多的研究者使用UHMWPE纖維作為增強體來制備SPC。但是聚乙烯相對較低的熔融溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度限制了聚乙烯(PE)類SPC的應(yīng)用范圍，然而聚丙烯(PP)的使用溫度要高于聚乙烯且具有較低的密度，因此研究者采用PP纖維或共擠出PP帶(PURE?Sneek,,TheNetherlands)制備了PP類SPC。由于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)優(yōu)異的生物相容性，經(jīng)常被用來作為關(guān)節(jié)修復(fù)手術(shù)中骨水泥,但是其本身較低的力學(xué)性能限制了長期使用性能。為此，研究者采用PMMA纖維增強PMMA基體，從而獲得了遠(yuǎn)咼于基體性能的復(fù)合材料。用于制備SPC的聚合物還包括聚對苯二甲酸已二酯、聚酰胺、液晶、聚乳酸以及生物纖維素。四、 應(yīng)用纖維增強聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能在很大程度上決定于纖維的原有性能以及纖維/聚合物的界面強度。對于SPC來說，纖維與基體相同的化學(xué)成分有利于形成強而穩(wěn)定的界面結(jié)合，因此SPC的力學(xué)性能主要受聚合物纖維本身性能的限制。正是因為低密度、高性能UHMWPE纖維的出現(xiàn)，PE類的SPC才有了較大的發(fā)展，其性能可與碳纖維或芳綸纖維增強復(fù)合材料相比較，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用在防彈頭盔、防彈衣和體育器材上。源于熱壓法的PP類SPC板

材（CurveTM已經(jīng)商業(yè)化，可用來成型汽車的底盤、直升機的雷達(dá)罩、足球護腿板和揚