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          長玻纖增強熱塑的直接配混工藝及參數

          長玻纖增強熱塑性塑料的直接在線配混成型工藝,并將此工藝與GMT和LFT-G工藝進行了比較。由于長玻纖增強熱塑性塑料的直接在線配混工藝具有加工成本低、成型工藝簡單及可優化材料性能的特點,因而在汽車制造行業具有廣闊的應用前景。

          市場催生

          自20世紀90年代以來,長玻纖增強熱塑性塑料(Long-Fiber Reinforced Thermoplastic,簡稱“LFT”)在汽車工業領域所占據的市場份額不斷增加,這里因為,使用該類材料制造汽車結構零部件,具有比重小、剛性高、耐化學性好以及良好的阻尼特性、高抗振性及疲勞強度等優點。在長纖維增強熱塑性塑料領域中,使用的是半成品壓制成型技術。該工藝的首步是加工長玻纖增強熱塑性塑料片材或棒狀粒料半成品,即玻璃纖維氈增強熱塑性塑料(Glass-Mat Reinforced Thermoplastics,簡稱“LFT-GMT”)和長玻纖增強熱塑性塑料粒子(Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Granules,簡稱“LFT-G”),然后通過壓制過程把它們塑化成型為部件形狀。這種成型工藝現在在長纖維增強熱塑性塑料領域已成為常用既定的工藝。

          后來,由于供應廠商面臨著汽車工業不斷增加成本的壓力,促使長纖維增強熱塑性塑料的直接加工技術(Long-Fiber-Thermoplastic-Direct-In-Line-Compounding,簡稱“LFT-D-ILC”或“LFT-D”)在1996年誕生。在該種加工技術中,無需半成品加工的生產步驟,通過程序化控制的加工機械,直接用得到匹配的原材料即熱塑性塑料和增強纖維來生產部件。這也是直接加工技術從根本上與半成品加工工藝不同的地方。

          優越性

          不同LFT材料的比較

          表中對不同的LFT材料進行了比較??梢钥闯?,與GMT、LFT-G相比,LFT-D加工技術具有很大的成本優勢,這是其將半成品加工和部件成型兩個加工步驟合為一體直接成型的結果。此外,LFT-D還具有加工優越性,其中大的優越性是玻纖以及聚合物基體材料的自由選擇,這就意味著對市場上商品化的原材料可以進行佳選擇,當然終的選擇還要受限于當時材料的市場價格。

          使用LFT-D加工技術對廢舊回收部件進行直接加工,可帶來經濟性和生態優越性的雙重優勢。整個工藝過程包括廢舊部件的加工(被切碎并從金屬安裝件上分離),以及使用廢料生產材料。經切碎回收的材料直徑范圍為12~50mm?;厥詹南仍趯S玫膯温輻U回收料擠出機中熔融,然后直接被喂入雙螺桿裝置(ZSG)中。同時被喂入的還有長纖維,用以增加部件的剛性。對于尺寸范圍為8~12mm的回收料而言,可被直接喂入聚合物配混機中。

          需要注意的是,對于LFT-D加工來說,并不像GMT和LFT-G那樣,制品質量主要是由半成品性能來決定。其實,對材料性能具有深刻了解的操作者才是對加工控制起作用的主導因素,特別是對回收料的加工更是如此。

          設備技術

          利用長玻纖增強熱塑性塑料直接加工設備,可把增強纖維作為一種連續的粗紗加入到已熔融的聚合物中,然后使連續纖維分裂成長玻纖并在聚合物中浸漬、擴散和均勻化,后把產生的這種長玻纖配混料模制成部件。

          在此,介紹一下長玻纖增強熱塑性塑料直接加工設備。該設備的前端是一臺使基體聚合物塑化的雙螺桿擠出機。該擠出機的高剪切作用,使之具有很高的熔融能力。其擠出的聚合物熔體以聚合物膜的形式通過專門研制的縫口模頭,從而被傳遞到第二工位,即所謂的“雙螺桿裝置單元(ZSG)”。在此,預熱的連續纖維絲束與傳遞過來的基體一并被加入。該ZSG裝置由Leistritz公司專門設計制造,長徑比為13,由大氣或真空控制的通風系統進行通風。熱塑性塑料基體和玻纖的均勻化配混物從縫口模頭流出,通過一臺PAL輸送機被運走,然后被鍘刀式切斷機切成終部件。除上述裝置和工位外,該設備還具有用于熱塑性塑料及回收料配混的測重定量供料工位,此工位能按照配方對添加劑如顏料、抗氧劑、熱穩定劑及玻纖/基體偶聯劑測重并定量加料。

          使用這套設備加工長玻纖增強聚丙烯(PP),在螺桿轉速高達500r/min下,大可實現500~600kg/h的總擠出量。不過,這種產率能否達到,還要取決于擠出物中玻璃纖維的含量。

          影響材料特性的因素

          在對聚丙烯與玻璃纖維結合進行研究的基礎上,繪制出了影響長纖維增強塑料特性的因素圖由此可以得到影響材料特性的3個主要因素:玻璃纖維、纖維表面所涂膠料與纖維/基體樹脂偶聯劑,以及基體樹脂。

          影響長玻纖增強塑料特性的因素

          1、玻璃纖維

          玻纖在增強塑料中的主要功能是增強基體以提高其剛性和穩定性。玻纖具有更低的模量,并且更經濟、更易于加工。

          E或E-CR玻纖通常被看作經濟的玻纖增強材料。該玻纖高的拉伸屈服性與低的延伸性(3.5%)為其帶來了出色的拉伸、壓縮和沖擊性能,以及較高的拉伸和彎曲彈性模量。另外,玻纖還具有優良的耐侯性(高達650℃)且僅輕微吸濕。

          玻纖單絲的直徑為3~24mm。其生產過程是:從熔融的玻璃中抽出細絲,接著表面涂膠冷卻,噴出纖維,再束成粗紗,然后將其切割或者纏繞在線軸上。

          按照直徑及細絲數量,可將玻纖粗砂分為不同規格的粗紗。粗紗的重量在1000~4 800tex時可以應用,但還要取決于其在組分中所占的比例。粗紗線軸被放置在互不纏繞的裝置上,然后進行預熱。

          一條玻纖細絲與另一條玻纖細絲頂端的結合性,對LFT-D工藝過程有很大影響。單個纖維細絲在熔融狀態分散得越好,則玻纖增強塑料的均勻性就越好。然而,由于技術工藝限制,僅能得到有限分散的單絲。通常,單絲粗紗在LFT-D工藝中應用時,顯示了更好的加工能力。

          2、纖維表面所涂侵潤劑及纖維/基體樹脂偶聯劑

          通常,玻纖的未處理表面不表現或只表現與聚丙烯很低的結合性。因此,為了能夠充分利用纖維的增強效果,即提高二者之間的結合性,必須對玻纖表面涂膠以及在玻纖和基體樹脂間使用偶聯劑進行處理。

          在玻纖表面涂侵潤劑后,單絲和粗紗間的結合力得到提高,這樣玻纖就會順利地穿過設備中不同的繩股導向系統。

          由被加工的基體樹脂所決定。通常膠料的基體多為硅烷(SiH化合物),因為它與玻璃(硅酸鹽材料)親和。同時,由于其含有活性基團,可與纖維和基體樹脂間的偶聯劑發生反應。氨基硅烷通常用

          當纖維取向成直線態,垂直于纖維取向的基體樹脂的穩定性就會受到影響。而基體樹脂的改變會強烈影響纖維與基體樹脂的結合性。

          考慮到熔融工藝過程及基體材料的力學性能,有一個重要因素必須引起注意,那就是熔體流動速率(熔融粘度)。

          通過對30%玻纖增強具有不同熔體流動速率的耐沖擊聚丙烯共聚物的研究,以及對浸漬過程中能量消耗大值的比較可知,消耗能量隨MFR值的升高而降低。MFR為70g/10min時,共聚物能量消耗低。然而,由于MFR為70g/10min時共聚物分子鏈長度較短,所以其力學性能相對較低。經研究確定,MFR為44g/10min的PP樹脂作為LFT-D工藝生產用基體樹脂為適合。

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          此外,在LFT-D工藝中,纖維種類的拓展可使復合材料獲得更好的性能,如某些高強度纖維在提高力學性能的同時,還提高了耐溫性??傊?,LFT-D工藝技術因汽車工業的需求而興起,同時也會因汽車工業的發展而日趨成熟及完善。

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