丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)具有较高的耐冲击韧度、表面光泽度好、易于加工、成本低等特征，被广泛应用于汽车工业、电子电器工业、建筑业、运动装备等领域[1-5]。共聚聚丙烯的综合性能虽然不及ABS树脂，但是其耐热性和流动性均优于ABS，并且共聚聚丙烯与ABS共混可以实现性能优势互补，有效降低注塑工艺难度。然而，ABS作为头盔外壳材料其刚度、强度等力学性能仍有较大的提升空间。已有研究表明：采用碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)等组分可提升ABS材料的强度、刚度，但材料的耐冲击韧度和断裂伸长率显著下降[6-7]。CF具有较高刚度和强度，被广泛应用于航空航天等高端装备的结构研发。GF具有韧度高、成本低的优点，在民用装备领域广泛应用。CF和GF具有较高的比强度、比模量，可作为热塑性复合材料增强相有效提升复合材料的强度和模量。杨莺等[8]采用不同长度的GF对聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PC/ABS)合金材料进行改性研究。结果表明：随着GF长度的增加，复合材料的强度和模量均有所提升，且增幅与GF长度呈线性关系。仇永宏[9]以聚丙烯作为基体树脂，聚丙烯接枝马来酸酐作为相容剂，GF为增强材料，采用熔体浸渍工艺制备了长玻纤(LGF)增强聚丙烯复合材料。结果表明：更长的预浸料切粒有利于提升复合材料的纤维保留长度和力学性能。Hisakura等[10]采用纤维直接喂入注塑成型技术(DFFIM)法，制备GF、CF混合增强ABS复合材料，低含量的CF更有助于提升ABS/CF/GF复合材料的力学性能。然而，此类纤维增强组分的引入仍然降低基体材料的耐冲击韧度[11-12]。目前，维持ABS材料高耐冲击韧度的同时提升材料的刚度和强度，成为纤维增强复合材料在高端防护头盔外壳材料设计的挑战。本实验以ABS树脂为基体材料，使用LGF、CF、弹性体以及增韧剂、促进剂等辅助材料，制备不同组分配比的纤维增强ABS复合材料，通过场发射电镜分析、拉伸试验、弯曲试验以及缺口冲击试验等手段，研究不同纤维增强热塑性复合材料的力学性能。探索兼具高刚度、高强度、高耐冲击断裂韧度和低成本的工程塑料体系，以期应用于以滑雪头盔为代表的民用个体防护装备。1实验部分1.1主要原料丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)树脂，PA-709，密度为1.05 g/cm3，奇美化工公司；长玻璃纤维(LGF)，988A，直径为13 μm，长度为6~15 mm，密度为2.2 g/cm3，中国巨石股份有限公司；碳纤维(CF)，KDPG-600-PU/PA，密度为1.8 g/cm3，进藤新材料科技（上海）有限公司；共聚聚丙烯(PP)，5090T，密度为0.9 g/cm3，台湾台塑集团；增韧剂，乙烯-丙烯酸甲酯共聚物(EMA)，AX 8900，韩国SK综合化学公司；促进剂，道康宁6011，美国道康宁公司；熟化剂，二丁基锡二月桂酸酯，D100274，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；抗氧剂，1010，德国巴斯夫公司；润滑剂，A-C295A，美国霍尼韦尔公司。1.2仪器与设备双螺杆挤出机，TSE-52，南京瑞亚挤出机械制造有限公司；微型注射机，SZS-20，武汉瑞鸣实验仪器制造有限公司；万能试验机，WDW-50E，济南时代试金试验机有限公司；简支梁冲击试验机，SM-8215，东莞市力测电子科技有限公司；场发射扫描电镜(SEM)，NOVA Nano SEM 450，美国FEI公司。1.3样品制备除纯ABS以外，以PP、CF、LGF为变量，以复合材料拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量、耐冲击韧度等整体力学性能为指标，优选4种具有代表性的配比。表1为ABS及纤维增强ABS复合材料配方。按表1质量比将原料在静态混合器中混合均匀，通过双螺杆挤出机进行挤出，主机螺杆转速为200 r/min，螺杆长径比为40∶1，一区~六区温度分别为200、205、210、215、220、225 ℃。为了避免LGF在共混过程中发生断裂，采用熔融浸渍法[13-14]制备LGF增强ABS复合材料，LGF进入特殊的浸渍口模（浸渍口温度为250 ℃），在浸渍口模内完成ABS对LGF的浸渍；CF增强ABS复合材料可以直接按质量比进行共混，经风冷、切粒得到粒料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.006.T001表1ABS及纤维增强ABS复合材料配方Tab.1Formula of ABS and fiber reinforced ABS composites样品m（ABS）∶m（PP）∶m（CF）∶m（LGF）∶m（助剂）纯ABS100∶0∶0∶0∶0ABS/15PP/30CF40∶15∶30∶0∶15ABS/35PP/10CF40∶35∶10∶0∶15ABS/5PP/5CF/35LGF40∶5∶5∶35∶15ABS/5PP/40LGF40∶5∶0∶40∶151.4性能测试与表征密度测试：室温条件下，按ISO 1183-1—2019测试纯ABS及纤维增强ABS复合材料的密度。硬度测试：使用数显邵氏硬度计（D型）测量纯ABS及纤维增强ABS复合材料的硬度，每个样品测量四个位置，取平均值。力学性能测试：室温条件下，拉伸性能按ISO 527-2—2012进行测试，1A型试样，拉伸速率10 mm/min；弯曲性能按ISO 178—2019进行测试，测试速率2 mm/min；简支梁缺口冲击性能按ISO 179-1—2010进行测试，1型试样。SEM分析：对材料表面喷涂5 nm厚的金属颗粒，观察样品表面形貌。2结果与讨论2.1纤维增强ABS复合材料基本物理性能表2为纯ABS及纤维增强ABS复合材料的密度和硬度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.006.T002表2纯ABS及纤维增强ABS复合材料的密度和硬度Tab.2Density and hardness of pure ABS and fiber reinforced ABS composites样品密度/（g·cm-3）邵氏硬度纯ABS1.05070.000ABS/15PP/30CF1.13075.000ABS/35PP/10CF1.09076.375ABS/5PP/5CF/35LGF1.16076.625ABS/5PP/40LGF1.18077.750从表2可以看出，纤维增强ABS复合材料的密度较纯ABS有所提升，这是由于复合材料组分中CF及LGF的密度高于纯ABS。添加纤维的复合材料邵氏硬度基本一致，且高于纯ABS。由于PP作为一种半结晶相材料，通常具有较高的刚度和硬度，将结晶性材料与ABS材料共混能够有效提升复合材料的硬度，同时纤维组分的加入也能够有效提升复合材料的硬度。2.2纤维增强ABS复合材料的力学性能图1为纯ABS和纤维增强ABS复合材料力学性能。从图1可以看出，与纯ABS相比，CF和LGF的加入均有效提高了复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及弯曲模量，降低了复合材料的断裂伸长率。ABS/5PP/5CF/35LGF和ABS/5PP/40LGF复合材料的弯曲强度较纯ABS提升了227.5%和225.9%，其拉伸强度较纯ABS提升了237.5%和225.0%。这是因为LGF在基体中发生断裂的概率更大，且LGF在基体中发生相互缠绕，使纤维在断裂或与基体发生剥离时需要消耗更大的能量，从而提升复合材料的刚度。然而，纤维增强相的加入显著降低复合材料的断裂伸长率，是由于纤维断裂取决于大分子的相对滑移和分子链的断裂，大分子的结合力越大发生相对滑移的可能性越小，纤维的强度越高断裂伸长率越小。与纯ABS比较，ABS/5PP/5CF/35LGF与ABS/5PP/40LGF的刚度与强度得到大幅度提升。图1纯ABS和纤维增强ABS复合材料的力学性能Fig.1Mechanical properties of pure ABS and fiber reinforced ABS composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.006.F1a1(a)拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.006.F1a2(b)断裂伸长率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.006.F1a3(c)弯曲强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.006.F1a4(d)弯曲模量图2为纯ABS和纤维增强ABS复合材料耐冲击韧度。从图2可以看出，ABS/15PP/30CF复合材料的耐冲击韧度较纯ABS降低约73.7%。当CF含量降至10%，ABS/35PP/10CF耐冲击韧度相较纯ABS下降60.5%。仅由CF增强的ABS复合材料的耐冲击韧度与纯ABS仍有较大差距，无法满足滑雪头盔等耐冲击体育器材的要求(EN 1077)。当CF（含量5%）和LGF（含量35%）同时作为增强材料组分，ABS/5PP/5CF/35LGF复合材料耐冲击韧度与纯ABS几乎相同。仅由LGF增强，LGF含量为40%时，ABS/5PP/40LGF复合材料的耐冲击断裂韧度较纯ABS提升13.2%。这与已报道的LGF增强其他弹性体的结论相似[15-16]。纤维增强复合材料主要通过纤维断裂、纤维拔出和基体裂纹扩展三种机制达到耗散冲击能量的效果[17]。在纤维增强复合材料中，纤维增强相引入了大量的几何属性与材料属性不连续区域[18]，纤维周边由于塑性区累计易出现微观裂纹。当损伤累计达到一定程度时，微观裂纹开始迅速扩展，材料整体发生断裂失效。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.006.F002图2纯ABS和纤维增强ABS复合材料耐冲击韧度Fig.2Impact toughness of pure ABS and fiber reinforced ABS composites2.3ABS复合材料破坏机理增强纤维与基体之间的界面结合度是衡量复合材料缺口耐冲击韧度的重要因素。为了分析LGF增强相对ABS复合材料的增韧机理，使用SEM对断裂ABS复合材料进行冲击断口分析。图3为纯ABS和纤维增强ABS复合材料冲击断口SEM照片。从图3a~图3f可以看出，CF在ABS基体中分布较均匀。受到冲击载荷时，纤维出现两种不同形态的破坏形式：一种是纤维脆断，另一种是纤拔出。CF含量较多时，CF的拔出量也较大，被拔出的CF表面光滑，是由于CF表面惰性大、黏结性弱、润湿性差，其与ABS基体之间的界面结合性差，存在较大的空隙；同时由于CF纤维长度较短，在受到冲击载荷时，纤维更容易与基体发生脱离，导致CF增强ABS复合材料的耐冲击韧度较低。从图3g~图3l可以看出，ABS/5PP/5CF/35LGF复合材料断口截面存在大量的孔洞。这是由于材料受到冲击载荷时，CF发生典型的纤维拔出现象。ABS/5PP/40LGF中被拔出的LGF表面附着大量的ABS基体，说明断裂主要发生在基体相中，而不是在增强纤维与基体之间，说明基体和纤维之间实现高水平结合。这是由于EMA中乙烯基与ABS中丁二烯结构相似，有利于提高二者之间的相容性[19]，且增韧剂EMA与玻璃之间的附着性较好，可将ABS与LGF有效结合，提高二者之间的界面性能，有效提高ABS/5PP/40LGF的耐冲击韧度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.006.F003图3纯ABS和纤维增强ABS复合材料的冲击断口SEM照片Fig.3SEM images of impact fracture of pure ABS and fiber reinforced ABS composites3结论（1）纤维的加入一定程度上提升ABS复合材料的密度，有效提升ABS复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及弯曲模量。与纯ABS相比，ABS/5PP/40LGF复合材料的拉伸强度提高225.0%，弯曲强度提高225.9%，弯曲模量提高316.7%。（2）LGF含量为40%时，ABS/5PP/40LGF复合材料拉伸性能和弯曲性能得到提高，且维持较高的耐冲击断裂韧度(43 kJ/m2)，较纯ABS材料提升13.2%。（3）增韧剂EMA与ABS基体有效相容的同时可以与LGF之间产生较好的黏结性，有效提高ABS与LGF之间的界面性能，使得ABS/5PP/40LGF复合材料具有高耐冲击韧度。本实验提出的热塑性纤维增强复合材料高韧度改性机理，为其他领域内高耐冲击防护装备的基础材料研发提供了新的思路。