SpinCom丝：从增强纤维到功能纤维

N. Wiegand，E. Mäder，2

1. 德累斯顿莱布尼茨高分子研究所(德国)2. 德累斯顿工业大学 材料科学研究所(德国)

纺纱

SpinCom丝：从增强纤维到功能纤维

N. Wiegand1，E. Mäder1，2

1. 德累斯顿莱布尼茨高分子研究所(德国)2. 德累斯顿工业大学 材料科学研究所(德国)

纺制了由玻璃长丝(GF)与4种不同聚合物基质——聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚乳酸(PLA)组成的混合纱线。新的加工路线通过同时纺制GF和不同聚合物基质长丝(SpinCom)，生产出的单向复合材料具有高的力学性能，展示了该技术生产次要和主要结构件的潜力。采用定制的浆料对单向复合材料进行整理，并对比了其与商品化产品的力学性能。研究结果表明，玻璃纤维与基质间黏合的特定界面的作用，显著提高了GF/聚合物复合材料界面的黏附强度。

SpinCom丝； 单向复合材料； 玻璃长丝； 聚合物基质； 浆料

1 SpinCom丝的加工过程

热塑性聚合物基体复合材料因具有生产周期短的优势，使得其大规模生产成为可能。与热固性聚合物复合材料相比，热塑性聚合物复合材料展示出更好的抗冲击性能、更高的韧性和更好的再循环能力，在含有聚乳酸(PLA)成分的情况下，甚至还具有生物降解能力。但纤维的浸渍也会因热塑性基质的高熔融黏度而更加困难。目前已有多种不同的混合技术，其中最有价值的是由SpinCom丝提供的技术，它基于熔融纺丝过程中连续的基体长丝与增强玻璃长丝(GF)均匀分散的原理。相比其他的混合技术，如空气喷射变形，该混合过程中增强纤维不受损伤。尤其是SpinCom丝中纤维/基体分散均匀，使其浸渍过程短、孔隙率低，从而获得的热塑性复合材料表现出高的力学性能。根据SpinCom丝加工原理(图1)，在莱布尼茨高分子研究所(IPF)建立了一个中试装置。

图1 SpinCom丝加工原理

除了加工简单的SpinCom丝外，通过对上浆工艺的开发也为增加复合材料的附加功能(如导电性)提供了可能。这既可以通过改性基体长丝获得，又可通过玻璃纤维表面改性获得。本文旨在开发能够在

长丝纺制过程中与聚合物基体相容的浆料，提高纤维与基质间的黏附强度。传统的上浆体系通常通过加入纳米颗粒，如碳纳米管(CNTs)生产具有附加功能的复合材料。采用CNTs可获得导电的中间相，导电性取决于材料所受的力学应变和热应力。复合材料导电性的变化可用于结构健康监测(SHM)。

生物可降解的聚合物(如PLA)常用于特殊的非承重的生物医学领域，如组织工程或活性成分的靶向释放。为了在矫正术中采用PLA固定骨骼，可将其与硅胶基生物玻璃长丝混合纺制成一种在线混合纱线，以获得所需的高抗张强度和刚性。为此，必须提高PLA与玻璃纤维间的黏附强度，以达到骨骼的性能，且在接近治愈时能适当降解。为实现这些挑战和能够生物相容，需采用一种合适的改性浆料。表1给出了基于聚酰胺(PA)、 PLA、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚丙烯(PP)聚合物基质的SpinCom丝所开发的成熟浆料的概览，以及所用玻璃纤维的平均体积分数。

表1 浆料配方及玻璃纤维体积分数

2 浆料对复合材料力学性能的影响

采用金刚石锯从单向板上截取用于力学测试的试样，然后分别进行压剪试验(CST)、拉伸试验(ISO 527-5)、横向抗拉试验(ISO 527-4)和4点弯曲试验(DIN ISO 14125)。

对于GF/PLA复合材料而言，采用环氧树脂成膜剂(S1)与壳聚糖成膜剂基浆料(S3)的复合材料的界面强度显著增加，从而使复合材料横向到纤维长度方向的力学性能，如横向抗拉强度与压剪强度增加[图2(a)]。尤其是生物可降解的壳聚糖基浆料S3，因而将被选择用于进一步的组分设计和应用。由基于S0和S2浆料的GF/PLA复合材料的应力-应变曲线可知，其断裂强度和断裂应变明显降低，表明复合材料界面间的应力转移较弱。

对于GF/PA 66复合材料而言，横向抗拉强度和压剪强度受浆料的影响更加明显[图2(b)]，横向抗拉强度最小为3 MPa(V5)，最大为73 MPa(V7)。这一结构也可通过应力-应变曲线(本文未给出)体现，表现为当使用聚氨酯/聚丙烯酸酯成膜剂(V3)时，较小的界面强度非常容易导致其断裂，而当界面间相互作用提高时，断裂应力和断裂应变同时增加。采用含3-氨基丙基三乙氧基硅烷不含成膜剂浆料(V7)的GF/PA 66复合材料表现出最好的横向抗拉强度。这表明用作浆料配方的成膜剂在一定程度上降低了GF/PA 66复合材料的拉伸强度，且对提高韧性没有贡献。但为了确保可加工性和避免纤维断裂，必须采用成膜剂。为揭示其纳米级界面性能对力学性能的影响，进一步的研究很有必要。

(a) 采用S1～S4浆料

(b) 采用V1～V7浆料图2 采用不同浆料的GF/PA 66复合材料的力学性能

3 复合材料中纤维体积分数的影响

本文在纤维体积分数变化的情况下，在温度为225 ℃、压力为1.5 MPa下采用加热的压板式挤压机对复合材料等温固化14 min。由试验可知，复合材料中纤维/基质的分散均匀性非常好，不受纤维体积分数变化的影响。SpinCom丝的纤维体积分数可以在聚合物长丝纺制过程中通过纺丝泵预先设置。因此，对其杨氏模量进行设计成为可能，从而可在单方向(纵向或横向)上优化复合材料主要的力学性能(图3)。

(a) 纵向拉伸

(b) 横向拉伸图3 杨氏模量、拉伸强度和断裂应变与纤维体积分数的关系

4 采用导电SpinCom丝进行结构健康监测

为研究嵌入CNTs改性SpinCom丝的单向复合材料的主要性能，对该单向复合材料进行了纵向和横向拉伸试验。图4给出了典型的应力-应变曲线和相关电阻变化信号。可以看出，沿着纤维轴向，直至材 料断裂，应力-应变曲线几乎呈线性。在材料断裂前出现的边缘缺陷，归因于单根纤维的断裂。应力-应变曲线不能给出结构健康的可靠信息。在低的应变水平下，电阻的变化相当小。随着应变增大至第一根纤维出现断裂，电阻变化曲线的斜率增大，之后，电阻急剧变化直至复合材料整体断裂。电阻变化信号可直观地反映单向GF/PP复合材料中玻璃长丝断裂时的界面应变和界面失效。垂直于纤维轴向的应力-应变曲线与沿着纤维轴向的应力-应变曲线不同。垂直于纤维轴向，应力-应变曲线在材料最终断裂前斜率有所降低，这主要归因于基体的屈服而非纤维的断裂。基体的屈服和界面强度可由电阻变化信号反映。从开始拉伸至材料断裂，电阻变化接近线性，并且与沿纤维轴向的拉伸相比，电阻变化率约低两个数量级。3种不同传感器纱线的电阻变化率-应变曲线类似。最终断裂的位置是沿着试样长度方向的某一位置，并且不在导电SpinCom丝内部或周边。因此仅基体屈服可由电阻变化信号反映。

(a) 沿纤维轴向

(b) 垂直于纤维轴向图4 含导电SpinCom丝的单向复合材料的应力-应变曲线与电阻变化率-应变曲线

5 与商业混合丝的对比研究

图5给出了由商业购买的混合丝与由IPF制造的SpinCom丝制成的复合材料的力学性能对比。在纤维体积分数相同的情况下，IPF丝的横向抗拉性能最好，其次为美国玻璃纤维公司生产的复合材料Twintex 80。尽管在固化过程中，与IPF丝和Twintex 80丝相比，中国浙江巨石集团生产的Compofil丝的模压压力增加了，但其横向抗拉强度最小。IPF丝横向抗拉强度的增加可归因于纤维/基体的分散均匀性的提高，以及通过特定浆料配方获得的优化界面。

图5 由商业购买的混合丝和由IPF丝制成的不同纤维体积分数的GF/PP复合材料的力学性能

孙 虹 译 王依民 校

NiclasWiegand1，EdithMäder1，2

1.Leibniz-InstitutfürPolymerforschungDresden，Dresden/Germany2.InstituteofMaterialsScience，TechnischeUniversitätDresden，Dresden/Germany

Online hybrid yarns were spun consisting of glass filaments(GF) and filaments of 4 different polymeric matrices，namely polypropylene(PP)，polyamide(PA)，polybutyleneterephthalate(PBT) and polylactic acid(PLA). The new processing route by simultaneous spinning of GF and polymer filament(SpinCom) of different matrix polymers and the high mechanical properties of the resulting unidirectional composites demonstrate the potential of this technology for the manufacturing of secondary and primary structural components. Tailored sizings were applied and the resulting mechanical performance of unidirectional composites was evaluated and compared to commercial products. Especially the influence of tailored interphases onto the bonding between glass fiber and matrix was shown to significantly improve the interphase adhesion strength of the GF/polymer composites.

SpinCom yarn； unidirectional composite； glass filament； polymeric matrice； sizing