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如何成型长纤维增强热塑性塑料

纤维增强热塑性塑料(LFRT)正在被用于高机械性能的注塑成型应用。虽然LFRT技术能够提供良好的强度、刚度和冲击性能,但这种材料的加工方法对于确定最后部件能达到怎样的性能起着重要的作用。

为了成功地成型LFRT,对它们一些独有的特点进行了解十分必要。了解LFRT与常规增强热塑性塑料之间的差异推动了设备、设计和加工技术的发展,以发挥LFRT的最大价值和潜力。

LFRT和传统短切、短玻璃纤维增强复合物的区别在于纤维的长度。在LFRT中,纤维的长度和粒料的长度相同。这是由于大多数LFRT是通过拉挤成型工艺而不是剪切型配混来生产的。在LFRT制造中,玻璃纤维无捻粗纱的连续丝束先被拉入一个模头中进行涂层和浸渍树脂,从模头出来后,这种连续的增强塑料条被短切或造粒,通常切至10~12mm的长度。相比之下,传统的短玻纤复合物只包含长3~4mm的短切纤维,在剪切型挤出机中其长度会进一步减少至通常2mm不到。


图 LFRT通常通过一种拉挤工艺制备,用树脂浸渍连续玻璃纤维束,然后把它们切割成长的粒料。玻纤长度等于粒料的长度


LFRT粒料中的纤维长度有助于改进LFRT的机械性能——抗冲击性或韧性增加,同时保持刚度。只要纤维在成型过程中保持长度,它们就会形成一个“内部骨架”,提供超高的机械性能。然而,一个糟糕的成型过程会把长纤维产品变成短纤维材料。如果纤维的长度在成型过程中受到损害,则不可能获得所需要的性能水平。 


图 热分解前后的注射成型件。浅色是树脂燃烧掉后由长纤维形成的内部骨架,该骨架保留了部件的形状


为了在LFRT成型过程中保持纤维的长度,有三个重要方面需要考虑:注塑机、部件和模具设计以及加工条件。



一、设备注意事项

经常被问到的一个有关LFRT加工的问题是:我们是否有可能利用现有的注塑设备来成型这些材料。在绝大多数的情况下,用于成型短纤维复合物的设备也可用于成型LFRT。虽然典型的短纤维成型设备对于大多数的LFRT部件和产品是满足要求的,但对设备做一些改造可以更好帮助保持纤维的长度。

一根具有典型“进料—压缩—计量”段的通用螺杆非常适用于该过程,而且通过降低计量段的压缩比可以减少纤维破坏性的剪切。大约为2:1的计量段压缩比对于LFRT产品是最佳的。用特殊金属合金制造螺杆、机筒和其他部件没有必要,因为LFRT的磨损没有传统的短切玻璃纤维增强热塑性塑料大。

另一件可能从设计审查中受益的设备是喷嘴尖梢。一些热塑性材料用一种反向锥形喷嘴尖梢加工更容易,它可以在材料注入到模具型腔中时形成一种高度剪切。然而这种喷嘴尖梢会显著降低长纤维复合材料的纤维长度。因此推荐使用一种100%“自由流动”设计的槽形喷嘴尖梢/阀组件,它使长纤维容易通过喷嘴进入部件中。此外,喷嘴和浇口孔的直径应该有5.5mm(0.250in)或以上的宽松尺寸,并且没有锋利的边缘。重要的是要了解物料如何流过注塑设备,并确定剪切会使纤维破碎的地方。


图 采用“100%自由流动”设计的三件式螺杆尖梢和环形阀,可最大限度地减少长纤维的断裂


二、部件与模具设计

好的部件和模具设计对保持LFRT的纤维长度也大有裨益。消除部分边缘(包括肋线、凸台和其他特征)周围的尖角,可避免成型部件中不必要的应力,并减少纤维磨损。

部件应采用壁厚均匀一致的标称壁设计。壁厚上较大的变化会导致部件中不一致的填充和不需要的纤维取向。在必须较厚或较薄的地方,要避免壁厚的突然变化,以避免形成可能损坏纤维的高剪切区域,并成为应力集中的源头。通常试着把浇口开在较厚的壁中,并流向薄的部分,使填充末端保持在薄的部分。

通用的好的塑料设计原则建议,保持壁厚低于4mm(0.160in)将促进良好均匀的流动并减少凹陷和空隙的可能性。对于LFRT复合物,最佳的壁厚通常为3mm(0.120in)左右,最小的厚度为2mm(0.080in)。壁厚小于2mm时,材料在进入模具后其纤维断裂的概率增加。

部件只是设计中的一个方面,考虑材料如何进入模具也很重要。当流道和浇口引导物料进入型腔时,如果没有正确的设计,大量的纤维破坏会发生在这些区域中。 

当设计一个成型LFRT复合物的模具时,全圆角的流道是最佳的,它的最小直径为5.5mm(0.250in)。除了全圆角流道,任何其他形式的流道都会有尖角,它们在成型过程中会增加应力而破坏玻璃纤维的增强效果。具有开放浇道的热流道系统是可以接受的。 

浇口的最小厚度应该有2mm(0.080in)。如果可能的话,沿着一条不阻碍物料流入型腔的边缘定位浇口。部件表面的浇口将需要进行90°的转动,以防止引发纤维断裂而降低机械性能。 

最后,要注意的熔合线的位置,并知道它们如何影响部件使用时承受载荷(或应力)的区域。应通过浇口的合理布局将熔合线移至应力水平预计较低的区域。 

计算机充模分析可以帮助确定这些熔合线将定位的地方。结构有限元分析(FEA)可以用来对比高应力的位置和在充模分析中确定的汇合线位置。 

应该指出的是,这些部件和模具设计仅仅是建议。有很多部件的例子,它们具有薄壁、壁厚变化和精致或精细特征,利用LFRT复合物实现了良好的性能。然而,偏离这些建议越远,就要花更多的时间和精力来确保实现长纤维技术的全部好处。


三、加工条件

加工条件是LFRT成功的关键。只要采用了正确的加工条件,就有可能使用通用注塑机和正确设计的模具制备好的LFRT部件。换句话说,即使有适当的设备和模具设计,如果采用较差的加工条件,纤维长度也可能会受损。这就需要了解纤维在成型过程时将会遇到的情况,并且确定会引起纤维过度剪切的区域。

首先,要监控背压。高背压引入对物料产生的巨大剪切力,将会降低纤维长度。考虑从零背压开始并且仅使它增加至使螺杆在喂料过程中均匀退回,采用1.5~2.5bar(20~50psi)的背压通常足以获得一致的喂料。 

高的螺杆转速也有不利的影响。螺杆旋转越快,固体和未熔材料就越可能进入螺杆压缩段造成纤维损伤。类似于针对背压的建议,应尽量保持转速在稳定填充螺杆所要求的最低水平。在成型LFRT复合物时,30~70r/min的螺杆速度是常见的。 

在注射成型过程中,熔融通过两个共同作用的因素发生:剪切和热。因为目的是在LFRT中通过减少剪切来保护纤维的长度,因此将需要更多的热量。根据树脂体系,加工LFRT复合物的温度通常会比常规的成型复合物高10~30℃。

然而,在简单地全面提高机筒温度之前,要注意机筒温度分布的反置。通常情况下,当物料从料斗移动到喷嘴时,机筒温度上升;但对于LFRT,推荐在料斗处的温度更高。反置温度分布会使LFRT粒料在进入高剪切螺杆压缩段之前软化和熔化,从而有利于纤维长度的保持。 

有关加工的最后一项注意涉及回用料的利用。研磨成型部件或水口通常会导致更低的纤维长度,因此,回用料的添加会影响整体的纤维长度。为了不明显降低力学性能,建议回用料的最大用量是5%。更高的回用料用量会对冲击强度等力学性能产生负面影响。


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