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海源机械:长纤维增强塑料的三大制造工艺揭秘!
一、什么是LFT?


1、LFT的定义

LFT是英文Long-Fiber Reinforce Thermoplastic的简称,中文译为长纤维增强热塑性塑料或习惯称之为长纤维增强热塑性复合材料。

LFT是一个广义的塑料专用词汇,在汽车复合材料工业中有一个非正式但却约定俗成的定义,即指长度超过10mm的增强纤维和热塑性聚合物进行混合并生产而成的制品。



图一:LFT主要构成形式示意图

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2、长纤维的四种定义

• 纤维的长度>0.5mm

• 纤维的长径比L/Ф>100

• 纤维的长度为5-25mm

• 纤维的长度>10mm


图二:玻纤长度对LFT机械性能的影响



3、LFT的优点:

• 纤维长度较长,明显提高制品的力学性能。

• 比刚度和比强度高,抗冲击性能好,特别适合汽车部件的应用。

• 耐蠕变性能提高,尺寸稳定性好,部件成型精度高。

• 耐疲劳性能优良。

• 在高温和潮湿环境中的稳定性更好。

• 成型过程中纤维可以在成型模具中相对移动,纤维损伤小。


二、LFT的应用有哪些?



图三:LFT在欧洲乘用车上的应用部位


三、LFT材料的三种工艺


1、目前市面上常见的LFT材料可分为三类:

①GMT(Glass-Mat Reinforce Thermoplastic)

②LFT-G(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Granules)

③LFT-D(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct)

以上三者皆属于LFT范畴,具有低密度、高比强度、高比模量和抗冲击性强等特性。



2、GMT工艺特点

2.1、GMT(Glass-Mat Reinforce Thermoplastic)

GMT片材是指以连续玻璃纤维毡或短切玻纤毡和热塑性树脂(大多是PP树脂)复合而成的一种片状模塑料,通常是两层玻璃纤维毡复合三层热塑性树脂薄膜层。回复“PP”查看更多

采用不同类型的玻璃纤维毡和不同品种的热塑性树脂做基体,就可以得到多种多样的GMT材料。

GMT复合材料制品的生产需要两个成熟的加工技术:片材(预浸渍)的成型和制品的压塑成型。

2.2、GMT工艺流程:


2.3、GMT产品特点:

GMT产品具有很多优异的性能,如耐化学性好,强度/重量比大,在高、低温环境中的抗冲击性能优良等。

GMT的最大单项用途是汽车前端模块框架,其次为座椅骨架、吸能内保险杠等。


图四:GMT工艺生产现场


3、LFT-G工艺

3.1、LFT-G(Long-Fiber Reinforce ThermoplasticGranules)

LFT-G是短玻纤热塑性颗粒材料(FRTP)技术创新的成果。

早期的FRTP粒料长度虽然可达5~6mm,但经过混炼、切粒、塑化、注塑等工艺流程后,在制品中纤维的最终长度往往小于1mm,仅能作为填充剂增加制品的刚性,而对拉伸强度、抗冲击性能的提高十分有限。因此,在当时FRTP并非主流的复合材料。


图五:RANGER公司新开发的用GMT生产的2005 蓝旗亚 Y-Epsilon车门中间板骨架



LFT-G制品生产的工艺与GMT相似,也需要两个成熟的工艺,即长颗粒的成型和制品的注塑成型或压塑成型。


图六:LFT-G粒料


3.2、LFT-G工艺特点

LFT-G粒料的直径大约为3mm,长度有12mm和25mm两种,其中12mm左右长度的粒料主要用于注塑成型,而25mm左右长度的粒料主要用于压塑成型。在LFT-G粒料注塑成型过程中,尽管注塑成型机经过很多改良,但限于注塑工艺原因,在最后的制成品中纤维只能达到3.2~6.4mm。

虽然这个长度比FRTP注塑成型的纤维长,产品的抗冲击性能也明显提高,但是比LFT-D注塑或者压塑成型的纤维要短,强度和抗冲击性也比LFT-D差。


图七:LFT-G工艺流程




图八:LFT-G生产的2004起亚Cerato混合结构前端框架


3、LFT-D工艺特点

3.1、LFT-D(Long-Fiber Reinforce ThermoplasticDirect)

1)LFT-D是长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺技术,它区别于GMT和LFT-G的关键因素是半成品步骤被省去了,在材料的选择上也更加灵活。在LFT-D技术中,不仅纤维的含量和长度,而且连其基体聚合物也可以直接调整到最终部件的要求。回复“玻纤”查看更多

2)通过添加剂的用量多少可以改变和影响制品的机械性能和特殊应用材料的特性,如热稳定性、着色性、紫外稳定性以及纤维与基体的粘结特性等,这也意味着每一种特殊应用都可以通过LFT-D获得其独特的材料配方。


图九:LFT-D制品成型生产线现场



3.2、LFT-D典型的工艺

LFT-D典型的工艺是聚合物基体颗粒和添加剂被输送到重量分析给料单元组合中,该单元根据部件的机械性能要求确保适度的混合。经混合后的原料进入双螺杆挤塑机塑化,其熔融化合物通过一个薄膜模头形成类似瀑布的聚合物薄膜,直接进入双螺杆混炼挤塑机的开口处。

而玻璃纤维粗纱则通过特别设计的粗纱架,经过预热、分散等程序被引入到聚合物薄膜的顶端,与薄膜汇合一同进入到双螺杆挤塑机中,由螺杆切割粗纱,并把它们柔和地混合到预熔的聚合物当中,然后直接送入压制模具中成型。



图十、十一:LFT-D生产工艺



3.3、LFT-D的应用


图十二:用LFT-D生产的2003 大众 Golf V前端框架


四、GMT、LFT-G、LFT-D生产工艺比较



图十三:GMT、LFT-G、LFT-D在生产工艺上的区别示意图



生产原料

半成品材料

工艺设备

         GMT

PP+纤维+添加剂

板材

板材·加热+压机

LFT-G

PP+纤维+添加剂

粒料

①单螺杆挤出机+压机

②注塑成型

LFT-D

PP+纤维+添加剂

①双螺杆挤出机+压机

②单螺杆挤出机+注塑成型

表一:GMT、LFT-G、LFT-D在生产工艺过程上的区别

与另外两种工艺相比LFT-D主要有两个优点,七个特点:

1、两个优点:

1)成本低。由于是直接一步法生产,因此由LFT-D生产的大型结构部件比两步法生产的GMT或LFT-G压制部件的成本低20%~50%;

2)制品的综合性能优异。LFT-D压制成型制品的抗冲击性能比GMT稍低一些,但由于比LFT-G成型后的纤维长很多,因此其抗冲击性能明显比LFT-G高得多。另外,大量的研究表明,LFT-D注塑的生产效率比采用标准LFT-G粒料的生产效率高,因为LFT-D低的塑化要求改善了纤维被剪断的可能性。对于成型周期超过1min的部件,用LFT-D注塑设备在30s内就能完成

2、七个特点:

1)减少了半成品的制造成本及物流成本

2)显著降低了能耗                            

3)可在线回收

4)聚合物只有一次加热过程

5)快速调整材料及配方                

6)保留纤维长度

7)优越的流动性能、均匀的纤维分布


五、LFT-D的发展趋势


LFT-D成型技术是继GMT和LFT-G之后又一种新的长纤维增强热塑性复合材料工艺技术,是近年来汽车复合材料行业中最受关注和市场成长最快的一种崭新的成型工艺技术。在LFT-D技术中,不仅纤维的含量和长度,而且连其基体聚合物也可以直接调整到最终部件的要求。


图十四:欧洲LFT应用示意图




图十五:2003-2006年欧洲各类热塑性复合材料应用概况


1、从欧洲近年来的发展情况分析:LFT-D的发展情况和发展潜力远远大于GMT和LFT-G,是未来汽车轻量化发展趋势的主力军!

2、国内LFT-D从目前来看:LFT-D产品在国内尚未普及。但未来随着业内对LFT-D认知度的不断提高,以及汽车行业节能减排要求的日益严苛,该技术在国内的应用将逐渐增多。

3、以LFT-D为代表的连续长纤维增强热塑性汽车复合材料成型工艺技术将会得到强劲的发展,尤其在乘用车轻量化过程中替代金属结构件、半结构件中将发挥重要的作用!




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