本研究由布达佩斯技术与经济大学机械工程学院聚合物工程系的László József Varga和Tamás Bárány*合作完成，论文标题为《Development of polypropylene-based single-polymer composites with blends of amorphous poly-alpha-olefin and random polypropylene copolymer》，于2020年6月26日发表在期刊《Polymers》上（DOI:10.3390/polym12061429）。

学术背景

该研究属于高分子复合材料领域，聚焦于单聚合物复合材料（Single-Polymer Composites, SPCs）的开发。传统聚丙烯（PP）复合材料通常采用玻璃纤维增强，但存在回收困难（纤维断裂导致力学性能下降）和纤维-基体界面粘附不足的问题。SPCs通过使用相同材料家族的基体和增强相（如全聚丙烯体系），可避免上述问题。然而，现有SPC制备技术（如热压法）存在加工窗口窄、温度控制严格等局限。本研究提出以无规聚丙烯共聚物（random polypropylene copolymer, RPP）与非晶态聚α-烯烃（amorphous poly-alpha-olefin, APAO）共混作为基体材料，利用APAO的低熔融温度特性改善复合材料的热压成型性能，同时降低对增强纤维的热损伤风险。

研究流程

1. 材料制备

   • 增强材料：采用高强PP多丝机织织物（由Lanex a.s.提供），单丝熔点为171.6°C，拉伸强度558 MPa，模量6282 MPa。
     
   • 基体材料：将RPP（R1059A）与APAO（Vestoplast® 792）通过双螺杆挤出机在185°C下共混，比例分别为100/0、75/25、50/50、25/75和0/100（对应代号RPP、APAO-25、APAO-50、APAO-75、APAO）。纯APAO因粘度过低，薄膜挤出温度调整为120°C。
     

2. 复合材料成型
   通过薄膜堆叠法（film-stacking）在160°C下热压成型：将6层织物与7层基体薄膜交替堆叠，预加热30秒后施加5 MPa压力90秒，冷却定型。针对APAO基体，还尝试了更高纤维含量的设计（APAO-2F和APAO-3F，纤维含量分别达77.5 wt%和82.9 wt%）。

3. 性能表征

   • 热性能与流变性能：通过差示扫描量热法（DSC）测定熔融温度，熔体流动指数（MFI）测试评估加工流动性。
     
   • 力学性能：静态拉伸测试（Zwick试验机）、动态落锤冲击测试（IFWI，冲击能量278.65 J）、剥离强度测试。
     
   • 微观结构：扫描电子显微镜（SEM）观察断面形貌，密度测试评估致密化程度。
     

主要结果

1. 基体性能
   APAO的加入显著提高MFI（纯APAO在160°C下MFI达163 g/10 min），降低熔融温度（APAO为73.9°C，RPP为147.9°C），但基体的拉伸强度和模量随APAO含量增加而下降。

2. 复合材料性能

   • 致密化与界面：APAO含量越高，复合材料密度越大（APAO基体达0.883 g/cm³），SEM显示APAO基体对纤维的浸润更充分，剥离强度最高（1.98 N/mm）。
     
   • 力学性能：APAO-50基体的拉伸性能最优（拉伸强度118.9 MPa，模量1248 MPa）；APAO基体的冲击性能优异（穿孔能量高），但随APAO含量增加呈先降后升趋势，可能与基体剪切模量变化有关。
     
   • 高纤维含量设计：APAO-2F（77.5 wt%纤维）的拉伸强度达99.7 MPa，且致密化未显著受损；APAO-3F因纤维含量过高（82.9 wt%）导致界面缺陷。
     

结论与价值

该研究证实APAO/RPP共混基体可拓宽SPCs的加工窗口，优化致密化效果，并在高纤维含量下保持优异力学性能。APAO的粘性虽带来加工挑战，但其低熔融温度和界面粘附性为开发可回收SPCs提供了新思路。科学价值在于揭示了基体流变性能与复合材料性能的关联，应用潜力集中在汽车、包装等需要轻量化与可回收材料的领域。

研究亮点

1. 创新基体设计：首次将APAO引入SPCs体系，利用其低熔点和高流动性实现低温加工。
   
2. 高纤维含量突破：纯APAO基体可实现80 wt%纤维含量而不显著牺牲致密化。
   
3. 多尺度表征：结合DSC、SEM与力学测试，系统分析了基体-纤维的协同作用机制。
   

其他发现

低温（-30°C）下APAO基体复合材料的冲击性能下降，但剪切模量提升至21.4 MPa，表明其低温脆性需进一步优化。