热塑性复合材料的树脂基体涉及通用和特种工程塑料，而PPS是特种工程塑料较为典型的代表，俗称“塑料黄金”。性能优势包含以下几方面：优异的耐热性能、良好的力学性能、耐腐蚀、自阻燃性达UL94 V–0级。由于PPS具有以上性能优势，且相较于其它高性能热塑性工程塑料又具有易加工、成本低的特点，因此成为制造复合材料的优良树脂基体。
玻纤
PPS加短玻纤（SGF）复合材料具有强度高、耐热高、阻燃、易加工、成本低等优点，在汽车、电子、电气、机械、仪器、航空、航天、军事等领域取得了应用。
PPS加长玻纤（LGF）复合材料具有高韧性、低翘曲、耐疲劳、良好的制品外观等优点，可用于热水器的叶轮、泵壳、接头、阀门、化工泵叶轮与外壳、冷却水叶轮与外壳、家电零部件等。
那么短玻纤（SGF）和长玻纤（LGF）增强PPS的复合材料的性能具体有何差异呢？
本文将PPS/SGF（短玻纤）复合材料和PPS/LGF（长玻纤）复合材料的综合性能进行对比，其中PPS/LGF复合材料采用熔融浸渍工艺制备及PPS/SGF复合材料采用熔融共混双螺杆造粒工艺制备，采用熔融浸渍工艺的原因在于浸渍模具内实现纤维束的浸渍，并且对纤维不造成损伤。最后，通过两者力学性能的数据对比，为应用端科技人员在选择材料时提供技术支撑。
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力学性能分析
树脂基体中增加的增强纤维可形成支撑骨架，当复合材料受到外力作用时，增强纤维可以有效地承担外界载荷的作用；同时可以通过断裂、变形等方式吸收能量，提高树脂的力学性能。下图分别是不同玻纤含量的PPS/SGF和PPS/LGF复合材料的拉伸性能和弯曲性能。
PPS/SGF和PPS/LGF复合材料的拉伸性能
PPS/SGF和PPS/LGF复合材料的弯曲性能
可以看到，提高玻纤的加入量，复合材料的拉伸强度和弯曲强度都逐步地增加。主要原因在于玻纤含量增加时，复合材料中有更多的玻纤承受外力的作用，同时由于玻纤数量的增加，使得玻纤之间的树脂基体变薄，更有利于玻纤增强框架的搭建；因此，玻纤含量提升使得复合材料在受到外加载荷情况下，应力更多的由树脂传递至玻纤，有效地提高了复合材料的拉伸和弯曲性能。
PPS/LGF复合材料的拉伸和弯曲性能比PPS/SGF复合材料均更高，在玻纤质量分数为30%时，PPS/SGF和PPS/LGF复合材料的拉伸强度分别为110MPa和122MPa；弯曲强度分别为175MPa和208MPa；弯曲弹性模量分别为8GPa和9GPa。
PPS/LGF复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲弹性模量比PPS/SGF复合材料分别提高了11.0%，18.9%和11.3%。PPS/LGF复合材料中玻纤的长度保留率更高，在同样玻纤含量条件下，复合材料的抗载荷能力更强，力学性能更佳。
下图为PPS/LGF和PPS/SGF复合材料的缺口冲击强度和无缺口冲击强度。
PPS/SGF和PPS/LGF复合材料冲击性能
可见，在玻纤含量较低时，复合材料的冲击强度降低，主要原因是较低的玻纤含量无法在复合材料中形成较好的应力传递网络，使得玻纤在复合材料受到冲击载荷下以缺陷的形式存在，导致复合材料的整体冲击强度降低。
上述缺陷是指玻纤尖端或者裂纹尖端；热塑性复合材料的失效的诱发点是玻纤尖端或者裂纹尖端，从此点开始蔓延至复合材料完全被破坏。玻纤质含量较少时，复合材料中增加了玻纤尖端，此时由于玻纤尖端引起复合材料断裂的作用要大于玻纤增强的作用，所以冲击性能会有一定程度的下降。
随着玻纤含量的增加，复合材料中玻纤可以形成有效的空间网络，且增强作用大于玻纤尖端的作用，在受到外加载荷作用下更好地将外加载荷传递给增强纤维，进而提升复合材料的整体性能，而在PPS/LGF体系中玻纤的长度更长，空间网络更为密实，增强玻纤承载能力更强，其冲击强度也更佳。玻纤质量分数为30%时PPS/LGF比PPS/SGF的冲击强度提高19.4%，从31kJ/m2提升至37kJ/m2，缺口冲击强度提高54.5%(从7.7kJ/m2提高至11.9kJ/m2)。
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PPS/SGF和PPS/LGF复合材料热性能分析
下图为PPS/SGF和PPS/LGF复合材料的热变形温度。
PPS/SGF和PPS/LGF复合材料的热变形温度
结果显示，玻纤的引入大幅度地提高复合材料的耐热性能，其中玻纤质量分数为30%时，PPS/SGF复合材料和PPS/LGF复合材料的热变形温度分别达到250℃和275℃，PPS/LGF复合材料的热变形温度比PPS/SGF复合材料的高10%。主要原因是玻纤的引入使复合材料内部形成增强纤维的网络骨架，极大地提高复合材料的耐热性能，PPS/LGF中玻纤尺寸更长，耐热性能提高优势更加明显。
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PPS/SGF和PPS/LGF复合材料断面分析
下图为PPS/SGF和PPS/LGF复合材料冲击断面的SEM照片。
PPS/SGF和PPS/LGF复合材料断面
可见，玻纤在树脂中较好的分散，随着玻纤含量的增加，复合材料内部增强纤维网络的构建更加完善；这也是复合材料整体力学性能随着玻纤含量增加而提升的主要原因。对比PPS/SGF和PPS/LGF复合材料，PPS/LGF复合材料中的玻纤保留率更高，这也是PPS/LGF复合材料力学性能更为优异的主要原因。
综上，PPS/LGF复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量、缺口冲击强度和无缺口冲击强度比PPS/SGF复合材料均有提升。30%玻纤增强的PPS/SGF复合材料的热变形温度达到250℃，PPS/LGF复合材料的热变形温度达到275℃。
参考资料：GF 增强 PPS 复合材料的制备及性能，江苏集萃、南京特塑、四川大学等。
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原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：长/短玻纤增强PPS复合材料的性能对比
