近些年，随着全球节能环保意识的逐步增强，塑料制品以其质轻、耐用等性能优势在汽车工业、电子电器等领域广泛应用。由于塑料制件逐渐向轻量化和薄壁化方向快速发展，对材料的性能提出较高的要求。玻纤增强聚丙烯(GFRPP)复合材料是一种“以塑代钢”的重要材料，具有较高的刚性与模量、良好的尺寸稳定性、耐热性、耐候性，并且成本低、容易加工成型[1-3]，在航空航天、船舶、汽车、电子电器等领域应用较多[4-6]。然而，GFRPP复合材料的制品（尤其是薄壁注塑制件）表面经常出现“浮纤”（即GF外露现象），不仅严重影响制品的外观质量，而且影响其使用性能。本研究综述近些年GFRPP制品表面“浮纤”的研究现状，对“浮纤”的形成原因进行探讨。从优化成型加工技术和改性复合材料等方面对“浮纤”的解决方法进行分析，简要探讨当前存在的挑战以及未来的发展趋势，以期对优化GFRPP复合材料提供思路。1“浮纤”形成的原因“浮纤”是一种GF外露现象，在纤维增强聚合物（如GFRPP）复合材料的制品中普遍存在。例如，注塑成型的过程中，少量GF暴露在制品的表面形成白色的痕迹，当制件颜色较深时痕迹更明显，对制品的外观质量产生严重影响。“浮纤”的成因较复杂，涉及聚合物基体的流动性、基体与纤维之间的界面结合力以及复合材料成型加工工艺（如料筒温度、模具温度、注射压力、注射速率、浇口及流道设计）等方面。杨军等[7]认为“浮纤”形成的原因主要包括：（1）在熔体流动过程中，由于GF与PP基体的流动性与密度之间存在较大差异，使二者在相互作用下具有分离的趋势。当分离力大于界面黏结力导致二者脱离，造成GF外露问题。（2）PP熔体在流动过程中，受来自螺杆、喷嘴、流道以及浇口的摩擦剪切作用，使熔体局部的黏度发生变化，对GF与PP基体之间的界面层造成破坏，使二者之间的黏结力减弱，产生“浮纤”。（3）PP熔体在注塑过程中可能产生“喷泉”效应，使GF逐步向制品表面扩散、并与型腔表面接触。此时，由于模具壁温度较低，GF不能及时被PP熔体充分包裹，从而被快速冻结凝固在制品表面，形成“浮纤”。GFRPP复合材料注塑制品的皮层中GF含量均明显小于芯层中的含量。GF在注塑过程中更倾向于向芯层扩散、而不是向皮层浮动，由此说明“浮纤”的产生不是由GF向制品表面扩散造成的，而是与GF在体系中的分散分布状态、取向程度密切相关。Ryu等[8]认为，GF在注塑制件中的分散、分布和取向状态，与聚合物熔体在充模流动过程中产生的“喷泉流”密切相关。在熔体充模成型过程中，模具表面温度较低，与模具表面接触的熔体温度低、黏度大、流动速度慢；而远离模具表面的芯层熔体温度高、流动速度快。由于流动速度梯度的存在，快速流动的熔体到达前锋附近时，流动速度降低，熔体转而向模具表面补充流动，从而形成较强的横流，即出现向模具表面流动的“喷泉流”。研究认为，长径比较大的GF在流动过程中容易在“喷泉流”产生的横向力作用下，出现翻滚、打转等现象，导致GF外露增多，造成“浮纤”的产生[9-10]。因此，对于纤维增强聚合物复合材料，提高基体流动性和增强界面结合力均有利于抑制“浮纤”。2“浮纤”的解决方法为了解决“浮纤”问题，学术界和工业界开展大量研究工作，提出的解决方法可分为成型加工技术和工艺的优化以及复合材料的改性两大类。2.1优化成型加工技术和工艺2.1.1提高料筒温度在加工成型过程中，料筒温度直接影响料筒内塑料颗粒的塑化状态和熔融均匀程度，从而影响制品的质量。蒋炳炎等[11]研究料筒温度对超声塑化微制件充填质量的影响，采用瞬态热分析法研究不同料筒温度下，超声塑化过程中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)温度场升温特性，并结合单因素实验研究料筒温度对超声塑化微拉伸试验件充填率、充填长度、溢料现象的影响规律。研究表明：料筒温度的升高可以明显缩短聚合物达到黏流态所需要的时间，提高聚合物熔体的最高温度。料筒温度的提高可以使GF增强热塑性聚合物熔体的黏度降低、流动性提高，既避免填充、熔接不良，也有利于对外露GF的包覆[12-13]。但是过高的料筒温度使物料发生氧化、降解，严重影响制品的性能，所以需要选择适当的料筒温度。2.1.2提高模具温度成型加工过程中的模具温度对聚合物熔体黏度、复合材料的流动行为以及结晶行为具有直接影响。Li等[14]研究表明，当模具温度升高，一方面使熔体黏度降低，聚合物基体和GF的流动性提高；另一方面使熔体与模腔之间的温差减小，在充模过程中与模具壁接触的熔体流动时间延长，使纤维具有更多的时间松弛并沿流动方向取向。GF可以被聚合物基体完全覆盖，即减少表面的浮纤、提高光洁度。随着模具温度的升高，熔体与模具表面之间的表面张力随着熔体黏度的降低而降低，聚合物基体可以浸入模具型腔表面的微小气孔，更好地包裹在制品表面，减少GF外露。图1为不同模具温度制品表面粗糙度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.022.F001图1不同模具温度制品表面粗糙度Fig.1Surface roughness of products at different mold temperatures从图1可以看出其表面粗糙度随模具温度的升高而明显下降，表明提高模具温度有利于提高制品的表面质量。然而模具温度过高对成型加工造成不利的影响：（1）制件脱模后容易出现收缩、变形，导致尺寸和形状发生变化，使制件的尺寸精度下降。（2）制件脱模困难，使制件出现擦伤、损坏。（3）制件冷却速度降低、延长生产周期，导致生产效率下降。快速热循环注塑技术(RHCM)能够较好地解决成型加工问题。RHCM是动态的模具温度控制方法，在熔体进入模具前快速加热模具，使熔体能够在较高的模具温度下充模，再快速冷却模具，以提高制件质量且缩短成型周期[15-16]。何泽鸿等[17]采用自主设计的单层石墨烯镀层快速热循环模具，在成型过程中对模具型腔温度进行实时调节，可以有效提高制品表面质量。当模具型腔温度达到120 ℃，能够完全消除GFRPP的表面“浮纤”。但是目前关于RHCM的成型机理、工艺控制理论与技术、三维复杂形状产品的RHCM工艺、模具疲劳寿命控制等方面的研究尚有不足。2.1.3提高注射压力与注射速率注射压力对制品成型影响较大，较高的注射压力有利于聚合物熔体充模，提高GF的分散性。钟明强等[18]研究表明：提高注射压力使GF在沿熔体流动方向上的取向度提高，而GF在聚合物基体中的取向对制品的表面“浮纤”具有重要影响。此外，较快的注射速率也可以改善制品表面的“浮纤”现象。提高注射速率使GF在沿熔体流动方向上，进行快速轴向运动，有利于GF的分散，提高制品表面质量。但是过快的注射速率容易引起“喷射”现象，即熔体以较高的速率通过（例如喷嘴、流道、浇口等）狭窄的区域，再进入宽广的区域，熔体呈现蛇形的流动方式，较高温度的熔体与较低温度的模具表面接触，快速冷却。由于较高温度的熔体不能与后进入型腔的熔体较好地融合，容易在制品上产生明显的喷射痕。喷射痕在多数情况下对制件的外观甚至力学性能产生不良影响[19-21]。2.1.4优化浇口及流道设计合理的浇口及流道设计可以改善制品表面“浮纤”。一般情况下此类模具适宜采用短而粗的流道，浇口尺寸应取制品壁厚的0.3~0.6倍[22]，也可以采用多浇口的形式。因为GF增强复合材料的流动性较差，流道和浇口偏小不利于熔料充模，采用短而粗的流道既可以使熔体快速的充填型腔，又可以使GF更均匀地分散在体系中，有效避免因GF淤积、分层而形成“浮纤”。由于浇口和流道的设计较复杂，通过调控料筒温度、模具温度、注射压力以及注射速率等加工参数，以改善制品表面“浮纤”是当前制品加工成型过程中常用的手段。因此，探究合理的成型加工参数、研究更高效可控的成型加工设备是未来需要努力的方向。2.2对复合材料进行改性2.2.1提高GF与PP基体之间的界面结合力PP与GF之间的相容性差，界面间的相互作用弱。GF与PP之间良好的界面间相互作用，可以有效防止加工剪切作用对界面层的破坏，保证PP熔体对GF具有包覆作用[23-24]。提高GF与PP之间的界面强度的方式较多，其中利用偶联剂将PP和GF结合，是一种有效提升界面黏结强度的方式[25]。国内广泛使用KH-550和KH570等硅烷偶联剂对GF进行处理，但是硅烷偶联剂通常为液体，在基体中难以分散，并且容易使料斗中的物料结成团块，导致喂料不均，影响制件的力学性能。采用纳米二氧化硅、氧化石墨烯等对GF表面进行修饰[26-29]，再结合硅烷偶联剂，能够提高PP基体与GF界面间的相互作用。但是这些方式相对复杂，并且也存在填料难以分散的问题。此外，采用马来酸酐(MAH)对PP进行接枝交联，提高聚合物基体的极性及其与GF之间的相容性，从而提高GF与基体之间的相互作用[30-31]。但是加入MAH容易产生刺激性的气味，影响制品的使用。硅酮粉与GF和处理GF的硅烷偶联剂都含有硅氧键(Si—O)，因此能够改善GF的分散性，并且使GF和聚合物之间具有更好的界面黏接强度，此外硅酮粉的加入还能够提高体系的流动性，从而更有助于提高制品表面质量，减少表面“浮纤”[32]。王晓群等[33]研究硅酮母粒对GF增强PP的抗“浮纤”效果，发现当硅酮母粒质量分数为0.5%~1%，其对GF含量为20%的PP复合材料的力学性能影响小，并且明显提高注塑制件的光泽度，减少“浮纤”。但是硅酮母粒的使用在实际生产中可能存在的问题包括：（1）不同批次的母粒中硅酮粉的含量可能有所不同，造成硅酮实际含量不同。（2）混料过程中的静电吸附作用导致硅酮粉在体系中分散不均匀。此外，硅酮粉的成本较高，也增加生产成本。2.2.2提高PP的熔体流动性向GFRPP复合材料中加入小分子量润滑剂以改善其熔体流动性，是改善制品表面“浮纤”的一种最常用且有效的方法。潘燕等[34]通过向GFRPP复合材料中加入石蜡，成功改善GFRPP复合材料的“浮纤”，复合材料注塑制品表面基本没有GF外露现象。沈旭渠等[35]通过向GFRPP复合材料中加入润滑剂PE蜡、硅酮母粒、填充物滑石粉，提高流动性，改善制品表面“浮纤”。由于低分子量石蜡的加入，显著提高基体的流动性，并且石蜡在加工过程中易于向制品表面迁移，使“浮纤”现象得到明显改善。此方法实施简单，显著提高共混物的流动性，并且可以提高制品表面的耐刮擦性。但是石蜡等小分子量润滑剂在使用过程中容易造成制品表面出现发白发黏的问题，影响制品的使用性能。同时大量小分子石蜡的引入使材料的力学性能明显下降。Xu等[36]采用包覆工艺制备聚丁烯-1/玻璃纤维(PB-1/GF)母粒，与PP熔融共混制备低“浮纤”的GFRPP复合材料。由于剪应力的存在，PB-1/GF母粒表面的一部分PB-1被剥离，剥离的PB-1恰好用来包覆新添加的GF。此外，PB-1是一种假塑性流体，对剪切作用较敏感，可以在加工过程中向制品表面迁移，在制品表面包覆一层较薄的树脂从而阻止GF外露。同时PB-1也使复合材料在较低的温度下冷却结晶，使PP基体在达到模具表面温度时仍能够流动，有利于提高制品表面质量。图2为不同制备方法以及不同PB-1含量的样品的表面形貌。图2a是将30%的GF和10%的PB-1与PP通过双辊挤出机共混注塑制成，图2b~图2f是采用6%~20%的PB-1通过包覆方法制备。从图2可以看出，这一方法可以有效降低制品表面“浮纤”。PB-1的引入显著提高共混物在高剪切速率下的流动性，有利于制品成型加工。但是这一方法在工艺上较复杂，并且也使复合材料的力学性能下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.022.F002图2制品表面的SEM照片Fig.2SEM images of the surface of the product通过将低熔体流动速率(MFR)的长玻纤聚丙烯复合母粒(L-PP/LGF)，与少量高MFR的聚丙烯颗粒(H-PP)进行物理混合，可有效改善注塑制品表面的“浮纤”，且制品的拉伸强度和弯曲强度基本保持不变，即成功制备高性能、低浮纤的LGFR-PP复合材料[37]。因为高MFR的PP组分在注塑成型过程中优先向制品表面迁移，靠近模具区域的剪切速率更高，高MFR组分受剪切力作用时可能更倾向于流向高剪切速率区[38]，使外露GF数量的大幅减少。此解决方法工艺简单，适合企业大规模生产。2.2.3改善GF充模过程中的不稳定流动行为由“喷泉流”所造成的GF在充模过程中的翻滚、打转现象是导致制品表面出现“浮纤”的重要原因。通过改善GF的不稳定流动行为，提高GF在熔体流动方向上的取向程度，可大幅度提高制品表面质量，降低制品表面“浮纤”。中空玻璃微珠(HGB)是一种用途广泛的无机填料，直径为10~250 μm，其化学成分与GF相同，具有导热系数低、化学稳定性好等优点。并且由于HGB是圆球外观，具有较好的流动性和分散性[39-41]。此外，HGB存在滚珠轴承效应，在熔体充模的过程中能够有效改善GF不稳定流动行为，提高GF在熔体流动方向上的取向程度，从而减少GF外露。刘素侠[42]采用熔融挤出法制备了PA6/GF/实心玻璃微珠(GB)复合材料，并探究GB的添加量对于材料流动性、表面光泽度以及力学性能的影响，图3为复合材料SEM照片。从图3可以看出，少量GB的加入可以在保持材料性能的情况下，明显改善制品表面“浮纤”。当采用HGB，在复合材料内部填充少量氮气，材料真实密度在0.2~0.6 g/cm3之间，可以在改善制品表面“浮纤”的同时实现材料的轻量化。但是GB或HGB的填充含量均不宜过高，因为随着GB、HGB含量增加，使材料内的孔隙率增加，导致复合材料的力学性能下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.05.022.F003图3不同GB含量的PA6/GF/GB复合材料表面的SEM照片Fig.3SEM images of the surface of the PA6/GF/GB composites with different GB contents3结论GFRPP复合材料注塑制品（尤其是薄壁注塑制品）中，“浮纤”现象是一种较常见的表面质量问题，严重影响制品的外观质量和使用性能。制品表面“浮纤”的形成原因复杂，涉及材料本身、配方以及成型加工过程等方面。目前研究工作缺乏系统的理论研究。采用硅烷偶联剂、MAH等提高GF与PP聚合物基体之间的界面强度，以减少制品表面“浮纤”。采用小分子量的石蜡或者具有明显剪切变稀行为的聚合物（如PB-1）改善体系的流动性以提高制品的表面质量。通过调整成型加工工艺，如提高模具温度，适当提高注射压力、注射速率等方式解决制品表面“浮纤”。然而，目前抗“浮纤”解决方案还存在通用性不强、效果不理想、力学强度降低等问题。未来发展绿色、高效的“抗浮纤剂”是主要的发展方向。