玻璃纤维增强热塑性复合材料的增强方式及纤维长度控制

!!!!!!!! !!!!!!!! 工艺·设计 玻璃纤维增强热塑性复合材料的增强方式 及 纤 维 长 度 控 制 赵若飞 周晓东 戴干策 （华东理工大学，!""!#$） 摘 要 本文综述了玻璃纤维长度对力学性能的影响；玻璃纤维长度的表征方法；挤出和注塑过 程中玻璃纤维的断裂；并叙述了玻璃纤维增强热塑性复合材料的进展，提出了玻璃纤维增强热塑性 复合材料发展的方向。 关键词 玻璃纤维，纤维长度，增强方式，热塑性复合材料 !"#$%!&$ %&’()*+,+-.，’(--//-0’1/23,**/)4-.3-&2’(1&5-0(,&)0,3+.1+-.’)-*，23,**/)4-.3-&2’( 5-,*6.-5-&’,&7/)4-./.,0’6.-)&-8’.6*)1&,&7)&9-0’)1&:-.-.-;)-:-7<=(-7-;-31+5-&’1/23,**/)4-..-> )&/1.0-5-&’/,*()1&:,*+.-*-&’-7,&7,3*1’(-+-.*+-0’);-1/23,**/)4-..-)&/1.0-7’(-.51+3,*’)0*< ? 前 言 热塑性树脂经玻璃纤维增强后，强度、模量、 冲击性能和耐热性能都得以全面的提高，用途大大 拓宽，@"A的热塑性树脂复合材料含有玻璃纤维。 短玻纤增强是玻璃纤维增强热塑性复合材料的主要 增强方式，加工工艺是挤出机混合造粒，然后注塑 成型，在混合和注塑过程中玻璃纤维逐渐被剪碎， 最终制品中纤维长度在"［"’］研究 了玻纤含量分别为(%?和+%?（@<）的尼龙++在捏 合机中的混合过程，-.A4和;.2A［"!］用单螺杆挤出机 混合玻纤含量分别为"*?和,*?（@<）的聚丙烯， 647/［"(］用B0/C>5=>0塑化仪混合玻纤与聚丙烯，都得 出这样的结论。但是DE5FA0GED4H.和I0:45［",］用单 螺杆挤出机混合J;和玻纤，玻纤含量（KE8）在"?! ,%?之间时，玻纤含量对挤出粒料中的玻纤长度不存 在明显影响。以上这些研究表明，玻纤含量增加，纤 维／纤维之间的相互作用增加，使纤维的断裂程度增 加，但是玻纤含量并不是影响纤维断裂的主要因素， 在某些情况下影响程度较低或不明显。 短切玻纤可以切成各种长度与树脂挤出混合，玻 纤的初始长度对最终粒料中纤维的长度影响很小。 LA1 通过单螺杆挤出机混合，研究了玻纤在挤出机中的断 裂过程，玻纤在螺杆各段的纤维长度见表’。从中看 出，玻纤的断裂主要发生在挤出机的熔融段，在压缩 段和混合段也发生一定程度的断裂。 表’ 玻纤在挤出机螺杆各段的长度（!=） 压缩段 熔融段 混合段 % ’ & ( ? @ ’A’? ’&)) %?A? A?) ??) (’? 因此许多研究者指出，纤维／聚合物熔体之间的 相互作用是玻纤断裂的主要原因，聚合物熔体在流 动过程中对玻纤存在剪切力的作用，这种剪切力使 玻纤剧烈被剪断。!5.B$#和 C$#51［’%］提出了直的 纤维在聚合物熔体剪切作用下发生断裂的临界剪切 应力，D"是剪切速率，#是熔体粘度，;是玻纤的弯曲 模量，E／F是玻纤长径比。>$G"1$#和,"HH=$1［’’］用 玻纤通过实验证明了该公式的正确性。 D"#I ;［G1（’E／F）J%*A?］ ’（E／F）( 玻纤与树脂粉末或者树脂粒料经单螺杆挤出机 造粒后，纤维的长度存在差别，与粉末混合得到的玻 纤长度大于与树脂颗粒混合［’&］。这是由于玻纤与 颗粒混合，在挤出机熔融段树脂还未完全熔融时，螺 杆的剪切力较高，玻纤容易发生断裂。将玻纤在树 脂熔融后，直接加入到熔体中，这种玻纤进粒方式对 玻纤长度影响不大，这也是因为玻纤的断裂主要由 于聚合物熔体的剪切作用［’(］。提高螺杆转速，玻纤 的断裂略有增强，但影响不大［%&］。 短玻纤增强热塑性树脂经挤出机造粒后，通过注 塑机注塑成型，预浸带切粒也由注塑机注塑成型，在 注塑过程中玻维纤也发生断裂。-$"G0K的研究表 明［%%］：柱塞式或螺杆式注塑机对玻纤的断裂差别不 明显，对于螺杆式注塑机，背压和注射速度对玻纤的 断裂存在影响，背压低、注射速度慢有利于制品中纤 维长度的提高。另外在注塑过程中，玻纤含量对玻纤 断裂的影响比较复杂，短玻纤（>!6）和长玻纤（E!6） 增强热塑性树脂注塑后，制品中玻纤长度见表&。 短玻纤增强热塑性树脂在挤出机混合过程中纤 维被剪碎，得到的粒料中纤维的长度很小，在注塑过 程中纤维的长度略有下降，最终制品中的长度在 )*’$)*(==范围内。通过优化加工工艺和改善挤 出机螺杆结构，玻纤长度有一定程度的提高，但始终 不能超过%==。预浸带切粒在注塑过程中纤维长 度下降很多，纤维长度分布较宽，制品中的纤维数均 长度在%$&==范围内，重均长度在’$@==范围 内［%%］。本研究室通过流化床粉末浸渍工艺制成玻 纤增强聚丙烯预浸带，将预浸带切成各种长度的颗 粒，注塑成型，预浸带切粒的长度即是纤维的初始长 度，研究了预浸带的初始长度与制品中纤维长度的 关系，发现随预浸带颗粒长度的增加，制品力学性能 提高，制品中的纤维长度增加［’?，’@］。制品中玻璃纤 维的长度还与模具的模口大小有关，模口越大，纤维 长度越大。另外，纤维长度在注塑制品中是不均匀 的，在制品中心处的玻纤较长。 表& 玻纤增强热塑性树脂注塑后制品中的玻纤长度［%%］ L!（MHN） 树脂 玻纤长度（==） 数均长度 重均长度 &) 1KG51@*@ %*&+ ’*@O E!6 ?) 1KG51@*@ )*+) &*% () ,, ’*)’ &*A’ @) ,, ’*O@ ?*O+ >!6 &) 1KG51@*@ )*%A )*’% @) 1KG51@*@ )*%? )*’? ? 长玻纤增强热塑性复合 材料的进展 玻璃纤维增强热塑性复合材料根据玻璃纤维增 强方式的不同，分为短玻纤（>!6）、长玻纤（E!6）和 玻璃纤维毡（LC6）增强三种类型。>!6是玻纤增 强热塑性复合材料的主要品种，但是短纤维增强复 合材料不适用于对材料性能 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 更高的场合。 LC6是连续纤维或者长纤维增强热塑性复合材 料，E!6的玻纤长度也可控制在(==以上，这两者 在性能上比>!6有了很大进步，而且与玻纤增强热 固性复合材料相比（>CP、-CP），具有加工工艺简 单，无环境污染，可回收利用等特点，因此E!6和 LC6越来越受到人们重视。目前，E!6和LC6是 玻纤增强热塑性复合材料研究和发展的两个主要方 向，力求材料性能提高，成本降低。 ?*% E!6加工工艺的进展 传统的E!6工艺是预浸带工艺，包括熔融浸 渍、溶液浸渍和粉末浸渍等。预浸带工艺复杂，而且 成本较高，限制了E!6的应用。有研究者提出了直 %’%期 赵若飞等：玻璃纤维增强热塑性复合材料的增强方式及纤维长度控制 万方数据 接注塑法生产!"#制品，即将干混的玻纤与热塑性 树脂直接通过注塑机注塑成制品，这样就不需要预 浸带工艺了。 #$%&’()*+,,($和"$-./［01］直接将连续无捻粗纱 引入一台普通注塑机，在注塑机上安装了一个塑化 单元，直接注塑成型的玻纤增强)2,3)454的制品中 纤维长度与预浸带切粒注塑制品相近，制品力学性 能也基本一致。#6’(78-93$-:6’-［0;］用短切玻纤与 )2,3)454直接注塑，所用注塑机的螺杆和料筒是特 殊设计的，螺杆由三部分组成：进料段、塑化段、计量 段。塑化段的螺杆是多螺槽的，而在料筒内壁开有 四个平行的槽，这种结构的注塑机有利于纤维与聚 合物熔体的混合，并降低混合过程中纤维的断裂。 研究结果表明：玻纤含量<=:.>时，直接注塑的制 品拉伸强度比短玻纤增强)2,3)454提高了0=>，制 品中玻纤长度明显高于短玻纤增强的。直接注塑 !"#工艺在工业上还没有应用。 本研究室对挤出模塑工艺进行了研究，短切玻 纤与聚丙烯通过单螺杆挤出机挤出，不通过模口造 粒，而是使熔体直接进入模具模塑成型，避免了在注 塑成型过程中纤维的进一步断裂，模塑制品中的纤 维长度比注塑制品有了一定程度的提高［0<，04］。 目前，已有新的!"#工艺在工业上应用，基本上 都是采用挤出机制取!"#材料［?=］。@$%AAB($)($ CDE,(-F($($（@BD）公司［0G］采用两台挤出机和一个特 殊设计的浸渍混合头，生产的玻纤增强材料，纤维长 度在H!I**之间，平均长度为05<**。制品性能与 预浸带制品性能相近，但成本大大下降。J-(EE()K6&8L ($公司［0G］也发明了一种先进的长纤维增强热塑性复 合材料的生产加工技术，其工艺过程是，通过一独特 的挤出体系将粗纱和热塑性树脂塑炼，熔体混合物由 挤出体系挤出后直接进入模具压缩模塑成型，此种材 料称为9M9，9M9的性能与N9#相近。9M9材 料是一步直接加工成型，该工艺过程易于控制，而且 可以添加各种添加剂，成型压力很低，工艺成本降低。 在德国已有两条采用该工艺的生产线建成并投入使 用，每年生产?==，===个OB车的前脸，第三条生产 线计划在HGGG年内建成。 另外P:()7M3$)-)Q和JR9合作［0G］，用挤出 机通过传统的电缆包覆工艺制造预浸带，预浸带切 成H=**的粒子用于注塑成型。该技术的创新在 于，预浸带切粒注塑成型的产品玻纤长度可以保持 在H=**，这说明该工艺所用的注塑机与传统的相 比，在降低纤维的断裂程度方面取得了一大突破。 <50 N9#材料的进展 玻璃纤维毡增强热塑性复合材料（N9#），是一 种以热塑性树脂为基体，长玻璃纤维或连续玻璃纤维 毡为增强材料的复合材料，力学性能优良，尤其是具 有突出的耐冲击性能，而且加工周期短，制品可通过 压缩模塑一步成型。目前世界上生产N9#的厂家 已超过H;家，主要集中在美国和欧州，近年来亚洲的 日本和韩国进口了N9#的成套设备，国内在HGG; 年，华东理工大学聚合物加工室研究成功了年产H<= 吨DDSN9#的双钢压机熔融浸渍生产装置。 N9#主要用在汽车制造业的次结构部件，发展 较快的汽车零件有以下几种：发动机罩、前脸、椅背骨 架、仪表盘和保险杠。G=年代以来DDSN9#的年产 量大幅度上升，HGG1!0==0年欧洲市场对N9#的需 求量平均年增长率为H<>，预计到0==0年欧洲市场 需求量为I4，===吨［?=］。同时N9#材料的性能有了 很大进步，在汽车中的应用进一步拓宽。TUJV!公 司开发出新的N9#［?=］：无机填料填充的长玻纤 N9#材料，具有高刚性和高韧性，吸收冲击能量的能 力优良，在美国和欧洲都开始采用这种材料做保险 杠；高流动性、材料均匀性优良N9#材料，TUJV!公 司通过造纸工艺制备出长H0**的玻纤N9#，材料 性能非常均匀，制品性能可预测，重复性良好，而且加 工流动性明显高于传统的N9#，可以在低压（!，?84/10+2=@A:B11-BC874+D08/7@A0-E014C71HB8C>，(OOQ，!S>：!QQ S T0;+91>@>I2G+C， 24/M49B+，(OSP，!)" O RM0-B10+JR，V807+7W0;<*2@A0-E014C71，(OOP，!Q>：))) (X =;D4::7++;B:A0+D787+/7，(",> (P Y8B+_‘+$，K:B10+A，K;.aCJ，A0-E014C71，(OSO，!X（(）：P) (Q 24:7W1]4J3@H0:F-@,H:B1C@R7/M+0:@?+9，(OQ#，"（(）：(X( (S ICB<7K@H0:F-@?+9@I/4，(OQQ，(Q（(）：)X (O AM4;*@,T，IMF;V,’@J@>EE:@H0:F-@I/4，(OSQ，"#：(O#" !X V;ECB3$，24CCB:\K，IMB8-BHK@H0:F-@A0-E01，(OSO，(X（(）：S !( Y089B/1b，2B10+I@J@A0::04，H4CC-B+J@H0:F-@?+9@I/4，(OS(，!(：!" !" $499’2@H0:F-@A0-E01，(OS)，P（(）：!X !# =;+CJ2，IM08CB::J$，H:B1C4/1\;..78：H80/711，(OSX，)（!）："Q !) 张翼@玻璃纤维增强聚丙烯成型工艺与力学性能研究@华东理 工大学学士学位论文，(OOO !P 汪钧@短切玻纤增强聚丙烯模压成型及力学性能研究@华东理 工大学学士学位论文，(OOO !Q R8;/]7+-c::78YB+(OOP，!Q>："QO !O \74+D08/7 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 2007(5) 7.张宁.李忠恒.陶宇.赖铭.陶国良 长纤维增强聚乙烯复合材料的研究[期刊论文]-工程塑料应用 2007(1) 8.王秋峰 长纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能[学位论文]硕士 2007 9.刘正军.韩克清.周洪梅.杜秉公.余木火 长玻璃纤维增强尼龙6的力学性能研究[期刊论文]-工程塑料应用 2005(5) 10.韩俐伟 长玻纤填充尼龙6复合材料研究[期刊论文]-化学工程师 2004(8) 11.钟世云.梁昊 影响长纤维增强热塑性塑料注塑制品中纤维长度的主要因素[期刊论文]-合成材料老化与应用 2004(1) 12.张士华.熊党生.崔崇 国内尼龙6增强改性研究进展[期刊论文]-塑料科技 2003(4) 13.王国超.廖林清.邓国红 特殊环境用通风机玻纤增强尼龙叶轮的研制[期刊论文]-工程塑料应用 2001(11) 14.高志秋.陶炜.金文兰.张福军.张淑伟 长玻纤增强尼龙6复合材料研究[期刊论文]-工程塑料应用 2001(7) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xwfhcl200001006.aspx