1自增强型热塑性材料
自增强型热塑性材料[5]以聚丙烯（PP）为基体，通过调节加工工艺来精确控制分子结构，提高聚合物分子的取向程度，使内部分子保留纤维结构，从而极大提高了材料的性能。这种起增强作用的纤维结构呈双向排列，主要用于机械设备外壳、汽车零部件、电线保护层套、人体防护产品及运动器材。自增强型热塑性塑料有如下优点：①力学性能好。与标准品级的PP相比，自增强型PP在相同的密度条件下，拉伸强度、弹性模量及耐热性都提高了几倍，与传统的天然纤维增强PP和玻璃纤维增强PP相比，自增强型PP的冲击强度、抗低温性等主要性能均更优良；②易回收。自增强型热塑性塑料密度较低，由一种材料构成，易于回收，可重复使用，不存在环境污染问题；③节能、制件密度较低、生产过程中能耗低、设备模具投资成本低。
2弹性体增强型热塑性材料
弹性体主要包括热塑性弹性体和橡胶弹性体[6]。常用的热塑性弹性体包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三元嵌段共聚物(SBS)、乙烯-辛烯共聚物(POE)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、氢化SBS(SEBS)等。常用的橡胶弹性体包括丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)、二元乙丙橡胶(EPM)、三元乙丙橡胶(EPDM)等，使用最多的是EPDM。弹性体必须先经接枝改性才能有效地起到增韧作用，如EPDM-g-MA(EPDM接枝马来酸酐)、POE-g-MA，弹性体还可以作为界面改性剂使用，同时改善挤出加工工艺以及成型工艺，降低成本。RGallego等[7]以EPDM接枝马来酸酐(EP-DM-g-MA)为相容剂，用挤出和密炼两种方法，分别制备了PA6与EPDM的共混物。研究显示，经过接枝的EPDM对共混物EPDM/PA6起到了很好的增容作用，当EPDM-g-MA质量分数达到20%时，由挤出法制得的EPDM/PA6共混物室温下冲击强度增大了10倍，由未添加时5.1kJ/m2增加到54.9kJ/m2。黄荣福等[8]以POE和MA接枝POE(POE-g-MA)并用，制备了PA66/POE/POE-g-MA合金。结果显示，POE-g-MA的加入改善了PA66/POE/POE-g-MA合金的形态结构，弹性体分散相粒径细化且分布均匀，极大提高了冲击强度。
3纳米材料增强型热塑性材料
MStankowski等[9]研究发现，聚氨酯热塑性弹性（PA6/TPU）在使用纳米蒙脱土（MMT）改性以后，弹性、韧性、屈服应力和热稳定性显著增加。PolyOne公司使用纳米粘土制成了复合材料，其韧性和硬度比传统的矿物填料复合材料高，而质量却比玻纤复合材料轻。纳米复合材料可用于生产汽车内饰件和外饰件、空气调节系统、成套设备以及一些工业零配件。在这些工程应用中，纳米复合材料完全不低于玻纤增强塑料。GMKim等[10]研究发现，采用纳米级层状硅酸盐填充PA12，由于层状硅酸盐内部形成了大量表面相连的微孔，使微孔的尺寸不能进一步增长，从而较大程度地阻止了材料的断裂，显著提高了材料的刚性、强度、韧性。在增强塑料中，碳纳米管（CNT）材料的应用逐渐增多。碳纳米管是一种导电石墨中空管，其尺寸比碳纤维小数千倍，能使材料在较低的添加量下获得较好的增强作用。RTP公司的碳纳米管具有更均一的表面传导性能，经碳纳米管增强的复合材料可在低温下薄壁成型，从而减轻制品的质量。
4合金增强型热塑性材料
两种不同性能的热塑性塑料通过相容剂的作用融合在一起，成为热塑性塑料合金，从而具有两种塑料的优点。4.1PA6/ABS合金LaiSM等[11]研究发现，POE-g-MA（乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐）是有效的冲击强度改性剂，在PA6/ABS合金中添加POE-g-MA，可以使PA6/ABS分散相粒径减小，体系粘度增加，能较大的提高冲击强度和综合力学性能。4.2聚酰胺/聚苯醚（PA/PPO）合金DuLibo等[12]用原位阴离子活性聚合法在PA6的主链上接枝了苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)，形成了SMA-g-PA6共聚物。SMA-g-PA6与PPO相容，可反应形成PA6-g-PPO共聚物，这种共聚物位于界面上，降低了界面张力，增大了两相的相容性。与未接枝的PA6试样相比，其冲击强度等得到大幅度提高。
5纤维增强型热塑性材料
纤维增强热塑性材料包括天然纤维增强、碳纤维增强、玻璃纤维增强热塑性材料等。纤维增强热塑性塑料（FRTP）因其抗冲击性和抗疲劳韧性好、质量轻、成型周期短、可循环利用等诸多优点，近年来得到稳步发展。5.1天然纤维增强热塑性材料近年来，增强PP的焦点从玻璃纤维转移到几种天然纤维[13]，虽然这些纤维的比强度只有玻璃纤维的50%~80%，但比模量却优于玻璃纤维。它还具有低成本、低密度、可再生和生物可降解等优点。此外，在加工时对机器的磨损较小，也不会像玻纤那样给工人的健康带来危害。研究数据表明，亚麻、竹纤维增强的PP强度不低于玻纤增强的PP[14]。5.2碳纤维增强热塑性材料[15]德国宝马汽车公司率先将碳纤维增强塑料规模应用于汽车制造，这不仅将改变汽车类型格局，而且将颠覆汽车制造流程。生产过程将看不到将钢板压制成车壳的大型冲压机，没有车体喷漆、防锈等工序，零部件和车体不用螺丝钉焊接而用强力胶粘接。碳纤维增强热塑性材料主要用于电动汽车外壳，比传统同类型汽车的质量减轻250~350kg，碳纤维增强塑料模块被设计成蜂窝状，具有质量轻、强度高、防腐蚀、抗振动等特点，还具有较强的抗撞击性。95%的汽车部件使用后可回收再利用。5.3长纤维增强热塑性材料为克服短纤维增强热塑性塑料中的纤维长度缺陷，近年来长纤维增强热塑性塑料（LFT或LFRT）获得了蓬勃发展。全球工业分析师公司发布的一份报告预测，到2017年全球LFT的销量将达到31.34万吨，而未来5年亚太地区的LFT将以约11%的复合年均增长率增长。LFT（Long-FiberReinforceThermoplastic）一般是指长度超过10mm的增强纤维和热塑性聚合物进行混合并生产而成的制品。LFT与短纤维增强热塑性复合材料相比有以下优点：①纤维长度较长，可明显提高制品的力学性能。②比刚度和比强度高，抗冲击性能好，特别适合汽车部件的应用。③耐蠕变性能提高，尺寸稳定性好，部件成型精度高。④耐疲劳性能优良。⑤在高温和潮湿环境中的稳定性更好。⑥成型过程中纤维可以在成型模具中相对移动，纤维损伤小。LFT按成型工艺可分为LFT-G和LFT-D两类。5.3.1LFT-GLFT-G（Long-FiberReinforceThermoplasticGranules）称为长纤维增强热塑性塑料粒料，是短玻纤热塑性颗粒材料（FRTP）的改进产品。制造工艺是将连续纤维无捻粗纱与热塑性塑料通过挤出、造粒或制片方法制成粒料半成品，再经注射或模压成型为制品。LFT-G粒料的直径大约为3mm，长度有12mm和25mm两种，其中12mm左右长度的粒料主要用于注塑成型，25mm左右长度的粒料主要用于压塑成型。在LFT-G粒料注塑成型过程中，尽管注塑成型机经过改良，但限于注塑工艺原因，在最后的制成品中纤维仅能达到3.2～6.4mm长，但短玻纤热塑性颗粒材料的制品中纤维长度不到1mm。LFT-G长纤维在制品内形成了“骨架结构”，制品的冲击强度比短玻纤制品高出1倍，具有更好的力学性能，其高比强度和低蠕变性使制品能够在长时间内承受重荷载，即使在极限温度下也是如此。而短玻纤热塑性颗粒材料中1mm的长度玻纤仅能作为填充剂增加制品的刚性，而对拉伸强度、抗冲击性能的提高十分有限。LFT-G粒料使用的增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或不锈钢纤维等，纤维含量为20%～60%，一般为40%和50%，一些超浓度粒料中玻纤含量甚至高达75%或80%。5.3.2LFT-D（或D-LFT）LFT-D（Long-FiberReinforceThermoplasticDirect）称为直接成型LFT或长纤维增强热塑性塑料在线模压，是长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺技术。其工艺过程是聚合物基体颗粒和添加剂被输送到重量分析给料单元组合中，该单元根据部件的力学性能要求确保适度的混合。经混合后的原料进入双螺杆挤塑机塑化，其熔融化合物通过一个薄膜模头形成类似瀑布的聚合物薄膜，直接进入双螺杆混炼挤塑机的开口处。而玻璃纤维粗纱则通过特别设计的粗纱架，经过预热、分散等程序被引入到聚合物薄膜的顶端，与薄膜汇合一同进入到双螺杆挤塑机中，由螺杆切割粗纱，并将它们柔和地混合到预熔的聚合物当中，然后直接送入压制模具中成型。与LFT-G技术相比，LFT-D省去了半成品的加工、储存、运输步骤，纤维和塑料在生产线上复合挤出后直接注塑、压塑或挤塑得到最终制品，具有很大的发展潜力。使用的聚合物包括聚丙烯、聚酰胺、热塑性聚氨酯、PBT等，增强纤维有E玻璃纤维、S玻璃纤维、碳纤维等。LFT-D制品的冲击强度比一般制品高出2倍。5.3.3LFT-D与LFT-G工艺对比与LFT-G技术相比，LFT-D工艺具有以下优势：①成本低。由于是直接一步法生产，减少了半成品的制造成本及物流成本，由LFT-D生产的大型结构部件比两步法生产的LFT-G压制部件的成本低20%～50%；②制品的综合性能优异。LFT-D压制成型制品的纤维比LFT-G成型制品的纤维长很多，且低的塑化要求改善了纤维被剪断的可能性，因此其抗冲击性能明显比LFT-G高。另外，大量研究表明，LFT-D注塑的生产效率比LFT-G粒料的生产效率高，对于一般成型周期超过1min的部件，用LFT-D注塑设备在30s内就能完成。此外，LFT-D还具有以下特点：①聚合物只有一次加热过程，降低了能耗；②流动性能优越、纤维分布均匀；③可快速调整材料及配方；④可在线回收。5.3.4LFT工艺技术进展纤维增强热塑性塑料获得越来越广泛的应用，其工艺技术的发展更是日新月异，尤其是LFT、LFT-D，国外已从原材料、装备、模具等诸方面形成了完整的产业链，技术日趋成熟。为了适应LFT、LFT-D工艺和制品性能要求，国外推出了多个满足要求的玻璃纤维长纱产品以及树脂与玻璃纤维间的浸润剂。2010年7月，上海耀华大中新材料有限公司从德国迪芬巴赫公司(Dieffenbacher)引进的LFT-D在线模压生产线正式投产，这是目前国内最先进、效率最高的复合材料汽车零部件全自动生产线。5.3.5纤维增强新型热塑性塑料[16]环状齐聚酯(CBT)是一种新型热塑性树脂，由不同低分子量的环状齐聚酯组成的混合物，该树脂由美国Cyclics公司生产。加工时需加入锡催化剂，在适当的温度下开环聚合成线性聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），其相对分子量是常用PBT的2倍。由于CBT是一种低分子混合物，粘度极低，可快速、极佳地润湿纤维增强材料，在锡催化剂作用下能快速聚合，在很低的压力下成型，成型方式可采用注射成型、传递成型和模压成型，而常用PBT的成型方式较为单一。CBT聚合后成为热塑性PBT树脂，因此具有重复加工的特性，其制品可回收重复使用。
6结束语
国内外增强型热塑性材料的研究取得了较大的进展，特别是长玻纤增强型热塑性材料，从树脂、长玻纤、浸润剂、加工工艺诸多方面均取得了长足进步，大大推进了增强型热塑性材料在汽车工业上的应用。相比国外的技术进步，国内在增强型热塑性材料的研究及应用仍待加强。
作者：陈武荣 钟立松 王明军 孙瑛 刘鑫雨 蒋耿杰 单位：桂林电器科学科研究院有限公司
