《Development of recyclable, lightweight polypropylene-based single polymer composites with amorphous poly-alpha-olefin matrices》学术报告

作者及机构
本研究由匈牙利布达佩斯技术与经济大学（Budapest University of Technology and Economics）机械工程学院聚合物工程系的László József Varga和Tamás Bárány合作完成，发表于期刊Composites Science and Technology（2021年，卷201，文章编号108535）。

学术背景
本研究属于聚合物基复合材料（Polymer-Matrix Composites, PMCs）领域，聚焦于单一聚合物复合材料（Single-Polymer Composites, SPCs）的开发。SPCs是一种由同一聚合物家族成员分别作为基体和增强材料的全热塑性复合材料，兼具可回收性、轻量化和优异的力学性能。然而，传统SPCs的加工温度窗口狭窄（通常仅15–20°C），限制了其工业化应用。

本研究提出以无规聚α-烯烃（Amorphous Poly-Alpha-Olefins, APAOs）作为基体材料，利用APAOs的低熔点特性（如VP792的熔点为74.3°C）拓宽加工窗口，同时保持聚丙烯（PP）纤维的增强效果。研究目标包括：
1. 验证APAOs作为SPCs基体的可行性；
2. 评估不同APAOs（VP708、VP750、VP792、VP888）对复合材料性能的影响；
3. 优化加工温度（120°C、140°C、160°C）以平衡材料性能与纤维松弛问题。

研究流程与方法
1. 材料制备
- 增强材料：两种平纹编织PP织物（Fabric 1为高拉伸PP带，Fabric 2为高强度PP复丝）。
- 基体材料：四种APAOs（VP708、VP750、VP792、VP888），通过差示扫描量热法（DSC）测定其熔点和玻璃化转变温度（Tg）。
- 创新设备：设计织物涂覆装置（图2），将APAOs直接挤出涂覆于织物表面，解决了传统薄膜堆叠法中APAOs粘性导致的厚度不均问题。

1. 复合材料成型

   • 采用双带压机（Double-Belt Press, DBP）在0.6 MPa压力下成型，温度梯度为120°C、140°C、160°C。
     
   • 每块复合材料由4层涂覆织物和1层未涂覆织物对称堆叠而成，纤维含量目标为75 wt%。
     

2. 性能表征

   • 力学测试：静态拉伸测试（室温、-40°C、80°C）和动态落锤冲击测试（Instrumented Falling Weight Impact, IFWI）。
     
   • 结构分析：通过光学显微镜和扫描电镜（SEM）观察断面形貌，测量纤维松弛程度（表4）。
     
   • 热学性能：DSC和动态力学分析（DMA）测定基体与纤维的熔融行为及剪切模量。
     

主要结果
1. 加工窗口拓宽
- APAOs基体的低熔点（如VP792为74.3°C）与PP纤维的高熔点（170°C）形成30–50°C的加工窗口，显著优于传统SPCs。
- VP792在140°C下表现出最佳综合性能（拉伸强度提升，纤维松弛可控）。

1. 力学性能

   • 拉伸强度：VP792/Fabric 2复合材料达到99.4 MPa，接近商用SPCs（如Curv® 120 MPa）。
     
   • 冲击性能：APAOs基SPCs的穿孔能量（Perforation Energy）优于传统材料（图11），尤其在-40°C下因基体脆性断裂而表现出更高能量吸收。
     

2. 结构-性能关系

   • 提高加工温度（120°C→160°C）可减少孔隙率（密度从0.71 g/cm³升至0.79 g/cm³），但纤维松弛加剧（表5中纤维宽度从2454 μm降至2181 μm）。
     
   • VP888因高粘度导致浸润不良，剥离强度（Peel Strength）仅为0.53 N/mm（VP792为2.44 N/mm）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次将APAOs作为SPCs基体，通过熔融行为差异拓宽加工窗口，为SPCs设计提供新思路。
- 揭示了加工温度-纤维松弛-力学性能的定量关系（如140°C为VP792的最佳平衡点）。

1. 应用价值
   
   • 轻量化且可回收的APAOs基SPCs适用于汽车工业（如内饰件），减少碳排放。
     
   • 开发的织物涂覆装置可推广至其他粘性聚合物基复合材料的连续化生产。
     

研究亮点
1. 创新材料体系：APAOs基SPCs兼具宽加工窗口与优异冲击性能。
2. 工艺突破：自研涂覆装置解决APAOs加工难题，实现纤维含量精准控制（偏差%）。
3. 多尺度表征：结合DSC、DMA、SEM和力学测试，全面解析材料性能的微观机制。

其他发现
- VP888因含异构PP链段（DSC双熔融峰）需180°C加工，但其高粘度限制了实际应用。
- Fabric 2的高强度复丝可进一步提升复合材料性能，但需优化压力以减少纤维松弛。

（全文约2000字）