聚乙烯（PE）与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）综合性能优异、应用广泛，但二者耐热性差、易燃烧，单一材料无法兼顾轻量化与安全性能。PE/ABS属于不相容共混体系，界面结合薄弱，复合材料力学、耐热及阻燃抗滴落性能受限，而碳纤维（CF）可在热塑性树脂内部构建支撑骨架与传热网络，改善基材力学性能并辅助抑烟防熔滴，但其导热特性会影响燃烧行为。

现有研究多聚焦单相树脂/碳纤维体系，缺少CF在PE/ABS共混体系下界面、力学与阻燃耦合机制研究。本文向PE/ABS基体添加不同含量CF，并搭配反应型相容剂聚烯烃接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯（POE-g-GMA）优化界面结合，探究纤维含量对相形态、力学传递、结晶流变行为及阻燃特性的作用规律，阐明CF调控炭层结构与热质传递的内在机理。

PE/ABS复合材料配方设计

PE/ABS复合材料的配方如表1所示。

表1 PE/ABS复合材料的配方  单位：100%

PE/ABS复合材料的力学性能

图1显示，随CF质量分数由0增至20%，PE/ABS复合材料拉伸、弯曲强度与模量持续近似线性上升。反应型相容剂（POE-g-GMA）与ABS相（SAN）极性基团的界面反应，结合侧喂与低比能双螺杆工艺保留纤维有效长度与取向，载荷传递效率提升；弯曲性能对CF更为敏感，CF沿注塑流向形成半连续承载骨架且界面强度充足时可有效承担拉压应力，促使强度与模量同步提升。由图2可知，随CF含量提高，材料断裂伸长率持续降低；缺口冲击强度先增后降，在CF质量分数达到10%时达到峰值，较基体提高约38%，这种“冲击峰值-延性衰减”的协同演化可归因于竞争机制。

图1 PE/ABS复合材料的拉伸性能和弯曲性能

图2 PE/ABS复合材料的断裂伸长率及缺口冲击强度

PE/ABS复合材料的微观形貌

由图3可见，CF-5样品断口中可观察到较长且完整的纤维，纤维表面基本未被基体覆盖，并伴随清晰的拔出孔洞，表明纤维-基体界面剪切强度偏低，受冲击载荷时以纤维直接拔出为主，韧性提升有限；CF质量分数为10%时纤维分散均匀且无明显团聚，纤维表面形成连续完整的树脂包覆层，界面结合显著改善，多重耗能机制协同作用，综合力学性能最优；CF质量分数提高至15%后纤维出现团聚、形成树脂贫化区，冲击韧性开始下降；质量分数进一步提高至20%时纤维严重团聚，基体连续性受损，裂纹易快速扩展，断裂伸长率与缺口冲击强度大幅降低。

图3 PE/ABS复合材料冲击断面的SEM照片

PE/ABS 复合材料的加工性能

由图4a可见，在190 ℃/2.16 kg与220 ℃/10.00 kg两种标准条件下，熔体流动速率（MFR）均随CF质量分数由0增至20%而单调下降，且在低温/低载荷条件下降幅更为显著。熔体网络增强，加工负荷增加，但是CF质量分数为10%~15%的复合材料仍有可以实现加工的窗口。热重结果（图4b）显示各配方样品主要失重区间集中在400~480 ℃，CF含量增加后，初始分解温度基本不变，CF含量越多，残炭率越大，较高的残炭率有利于在燃烧过程中形成连续致密的物理屏障层，为后续阻燃性能的提升提供热解层面的支撑。

图4 PE/ABS复合材料的MFR和TG曲线

PE/ABS复合材料的阻燃性能

由表2可见，随着CF质量分数从0增至20%，复合材料的LOI由18.5%提升至23.2%，UL-94垂直燃烧等级（3.2 mm）由HB级提升至V-1级，带火滴落次数显著减少。CF既可提升体系熔体黏弹性与结构黏度、构筑“纤维-炭相”复合骨架阻隔热-质传递，POE-g-GMA又能改善CF、PE与ABS之间的界面黏结，使热解炭层在受热条件下仍保持较好的连续性与黏附性，协同改善阻燃抑滴效果。由图5可见，CF质量分数由0增至20%时，PE/ABS复合材料烟密度峰值、总体烟释放量与燃烧速率均下降，表明CF具备抑烟、减缓燃烧的作用。在未引入专用阻燃剂的情况下，该体系尚难以满足UL-94 V-0等级要求，若要在10%~15%CF的加工性能平衡区间实现V-0等级，可优化CF上浆剂并调控POE-g-GMA用量，或引入少量无卤成炭协效组分。

表2 PE/ABS复合材料的阻燃性能参数

图5 PE/ABS复合材料的烟密度与燃烧速率

总结

以PE/ABS为基体，在0~20% CF范围内加入反应型相容剂（POE-g-GMA），通过侧喂工艺法使CF直接参与到体系中，实现CF与相容剂之间的界面反应相容和CF长度的有效保留。综合考虑力学、加工和阻燃性能因素，建议CF添加质量分数在10%~15%左右。若要达到V-0等级，需要在上述范围内加入少量无卤成炭、膨胀协同共剂，合理改进上浆配方和相容剂，在确保材料具有高强高刚性的基础上提高炭层完整性，抑制余焰。