基于极端反应性前驱体系统的在线杂化纤维生产用热塑性涂层研究

为解决玻璃纤维增强热塑性塑料(GFRP)机械性能不足的问题，研究人员开发了一种在线聚合涂层技术，通过高反应性丙烯酸单体共聚和软树脂掺入，实现了纤维-基体界面的优化。该研究成功制备出兼具高反应活性(<100 ms固化)和理想力学性能(弹性模量>1 GPa，损耗因子tan(δ)提升4-5倍)的涂层体系，为高性能GFRP的工业化生产提供了新思路。

　　

在轻量化设计领域，玻璃纤维增强塑料(GFRP)因其优异的力学性能和低成本备受青睐。然而传统热塑性GFRP存在致命缺陷——由于纤维与聚合物基体分步生产导致的浸润不良，使得复合材料微观结构存在缺陷，机械性能远低于理论值。这就像试图用松散堆积的钢筋和水泥建造摩天大楼，缺乏有效应力传递的界面必然导致结构脆弱。更棘手的是，现有改良技术如薄膜层压法或混合纱技术，要么依赖有机溶剂(产生纳米级薄涂层)，要么需要极低纺丝速度(导致频繁断纤)，始终难以兼顾效率与性能。

受自然界启发，龙虾壳和木材等生物材料通过自下而上的单纤维精准排列，实现了远超基础材料的力学性能。基于此，研究人员此前创新性地提出了纺丝过程中直接对单根玻璃纤维进行在线聚合涂层的技术。就像为每根钢筋现场浇筑定制化混凝土，这种方法可完美解决界面结合问题。虽然工艺验证成功，但早期使用的模型单体N-丙烯酰吗啉(ACMO)和羟乙基丙烯酸酯(HEA)分别产生过脆或过软的聚合物，如同选择不合适的混凝土标号，仍无法满足工程需求。

这项发表在《Polymer》的研究通过系统筛选高反应活性单体与软树脂，成功开发出满足工业化生产要求的涂层体系。研究人员采用差示扫描量热法(DSC)和动态机械分析(DMA)评估反应动力学与力学性能，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)监测双键转化率，并建立Friedman和Kissenger-Akahira-Sunose(KAS)模型计算活化能。

在反应动力学方面，研究发现ACMO具有惊人的反应活性——在100 ms紫外照射下即可实现>80%转化率，这相当于在500 m/min纺速下完成涂层固化。就像短跑选手的爆发力，其聚合起始温度比环状三羟甲基丙烷缩甲醛丙烯酸酯(CTFA)低15°C，峰值反应速率高达后者的1.8倍。但有趣的是，二氢二环戊二烯基丙烯酸酯(DCPA)虽然活化能与ACMO相当(约75 kJ/mol)，却表现出更温和的反应特性，这为工艺调控提供了窗口。

机械性能测试揭示了关键突破：纯P(ACMO)虽具有1.2 GPa的高储能模量(相当于优质工程塑料)，但损耗因子tan(δ)仅0.02，脆如玻璃。通过引入50 mol% CTFA共聚，材料获得了类似橡胶的阻尼特性(tan(δ)=0.15)，同时保持800 MPa的模量。这就像在混凝土中加入弹性纤维，既保持强度又获得抗冲击性。更巧妙的是，添加4.8 wt%单功能树脂Genomer 1122TF后，快速冷却的样品损耗模量提升3倍，相当于给材料装上"减震器"。

研究特别发现，树脂功能度与相分离存在精妙平衡：四功能树脂Genomer 3430虽能提高交联密度，却会因过度交联导致转化率下降5%。而双功能树脂Genomer 2235在快速冷却时能形成稳定微相分离结构，这为材料设计提供了重要启示——就像调制合金，需要精确控制"配方"与"淬火"工艺。

这项研究的意义不仅在于开发出满足工业化要求(纺速>500 m/min，固化时间<120 ms)的涂层体系，更开创了"纺丝-涂层-固化"一体化技术路线。相比传统工艺，这种方法省去了耗能的纤维-基体复合步骤，使热塑性GFRP生产成本降低30%的同时，有望实现机械性能翻倍。未来，该技术可拓展至碳纤维增强领域，或通过引入纳米填料进一步优化界面性能，为航空航天、新能源汽车等高端领域提供新一代轻量化解决方案。正如研究者Oliver Strube和Lea Senneka强调的，这项技术将生物启发的微观结构控制理念与工业化生产需求完美结合，打开了复合材料设计的新维度。