車用纖維增強(qiáng)熱塑性塑料技術(shù)進(jìn)展

【亞洲注塑網(wǎng)】隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的需求大幅增長(zhǎng)，其制造工藝技術(shù)也進(jìn)入了快速發(fā)展期。諸如直接(在線)配料長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(D-LFT)、為改進(jìn)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(LFT)模制品表面質(zhì)量而采取的模具型腔感應(yīng)加熱、LFT母粒、基于環(huán)狀齊聚酯原位聚合的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、LFT專用玻璃纖維與表面浸潤(rùn)劑等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。對(duì)這些最新的工藝技術(shù)進(jìn)展作一綜述，為開發(fā)車用纖維增強(qiáng)熱塑性塑料提供參考。

車用纖維

纖維增強(qiáng)塑料(FRP)隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而得到了快速的發(fā)展。尤其是纖維增強(qiáng)熱塑性塑料，因其再生性好，便于回收利用、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，成為車用塑料發(fā)展的重點(diǎn)與方向。而在纖維增強(qiáng)熱塑性塑料中，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(LFT)的發(fā)展最引人注目。在LFT需求快速增長(zhǎng)的同時(shí)，車用纖維增強(qiáng)熱塑性塑料工藝技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

從已經(jīng)占有優(yōu)勢(shì)的纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合片材(GMT)與LFT進(jìn)一步發(fā)展了直接(在線)配料LFT(D-LFT)工藝技術(shù)、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)母粒技術(shù)、改進(jìn)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料模制工藝的快速變換模具表面溫度技術(shù)、基于環(huán)狀齊聚酯的纖維增強(qiáng)熱塑性塑料基體的原位聚合工藝技術(shù)、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料專用玻纖與表面處理技術(shù)等。

1D-LFT工藝技術(shù)

與使用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料粒料(LFT-G)相比，D-LFT工藝具有幾方面突出的優(yōu)點(diǎn)：

使配料與成型一體化，省去預(yù)浸料的制備，大大節(jié)省人力;

受熱次數(shù)少，沒有二次熔融塑化，節(jié)能降耗;

避免二次熔融塑化過程對(duì)樹脂和長(zhǎng)纖維造成的影響，不過度損傷加入的纖維，樹脂基體的性能與纖維長(zhǎng)度可比LFT-G成型有更高的保留率，平均纖維長(zhǎng)度比用LFT-G成型的高出15%-20%，具有高品質(zhì)的制品性能，通過制品與模具設(shè)計(jì)和工藝條件的優(yōu)化，制品的力學(xué)性能可以接近GMT制品;

工藝過程及生產(chǎn)周期縮短，提高生產(chǎn)效率生產(chǎn)成本低，相對(duì)于長(zhǎng)纖維粒料，產(chǎn)品成本可以減少約40%。

D-LFT工藝由WoodshedTechnologies公司首創(chuàng)。2005年P(guān)lasticComp獲得其Pushtrusion生產(chǎn)技術(shù)許可。近年來，Pushtrusion得到不斷發(fā)展與完善。

而其基本工藝原理是：通過擠出機(jī)向包覆浸漬模供給熱塑性樹脂熔體，然后利用高壓熔體包覆長(zhǎng)纖維并將其拖向浸漬模末端的切刀，切刀根據(jù)事先設(shè)定的長(zhǎng)度將包覆在熔體中的長(zhǎng)纖維切斷，而后熔體進(jìn)人注塑機(jī)內(nèi)注射成型。

PlasticComp還在PushtrusionD-LFT的基礎(chǔ)上，發(fā)展了直接在線配料模壓成型工藝，將制得的長(zhǎng)纖維與熔融樹脂復(fù)合物直接移入模壓成型機(jī)內(nèi)壓制成最終產(chǎn)品，而無需使用預(yù)制的GMT片材，故也稱之為PushtrusionD-GMT。PushtrusionD-GMT為加工者生產(chǎn)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料制品提供很大的靈活性，尤其是樹脂與纖維品種、顏料與其他添加劑等配方組成上，不再受供應(yīng)商的制約。

Engel公司與KraussMaffei公司采用同向雙螺桿擠出機(jī)與注塑機(jī)的組合，將連續(xù)擠出與注塑循環(huán)結(jié)合在一起，形成高效率的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料在線配料注射成型系統(tǒng)。必要時(shí)，該系統(tǒng)也可各自獨(dú)立運(yùn)行。

Husky公司以特殊構(gòu)型的單螺配料桿擠出機(jī)與注塑機(jī)組成在線配料注射成型系統(tǒng)。在擠出機(jī)的低壓排氣區(qū)與纖維入口處拽引夾送區(qū)，裝有刮擦器。其對(duì)螺桿的刮擦運(yùn)動(dòng)改進(jìn)了擠出機(jī)中這些低壓區(qū)的熔體輸送。

Dow公司利用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行在線配料，熱塑性樹脂與添加劑經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)熔融混煉塑化，連續(xù)纖維紗在雙螺桿擠出機(jī)的下游引入，復(fù)合物經(jīng)擠出機(jī)頭形成特定形狀的連續(xù)擠出物，再由切割器切割成型坯，然后直接送入成型機(jī)中成型為制品。

2模具型腔表面溫度快速變換技術(shù)

為了拓展纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的應(yīng)用范圍，使其適應(yīng)表面質(zhì)量要求高的汽車外裝件用途，在注料期間，使與熔料接觸的模具表面溫度保持在基體樹脂的玻璃化溫度以上甚至接近熔料溫度，顯然就易于獲得高表面質(zhì)量的制品。

然而，熱塑性塑料制品又必須冷卻至熱變形溫度以下脫模，通常的模具冷卻仍然是必需的。為了改善纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的模塑工藝，快速變換模具型腔表面溫度便成為問題解決的關(guān)鍵。最新的模具感應(yīng)加熱技術(shù)則滿足了這一快速變換要求。

為了實(shí)現(xiàn)模具型腔表面溫度的快速變換，Roc-tool公司對(duì)此提出了模具感應(yīng)加熱的解決方案。以電磁感應(yīng)技術(shù)，通過迅速加熱模具表面至接近注射塑料熔體的溫度，從而獲得理想的熔料流變條件。樹脂與模具表面處于相近的溫度，流動(dòng)也就十分容易。

為了能夠更加廣泛地用于各種不同場(chǎng)合，Roc-tool在其模具型腔感應(yīng)加熱技術(shù)中，還結(jié)合了其合作伙伴WittmannBattenfeld公司的Indumold技術(shù)，從而推出了2類模具感應(yīng)加熱系統(tǒng)，即籠式系統(tǒng)與集成在模具內(nèi)部的內(nèi)置感應(yīng)器。成功地將感應(yīng)加熱技術(shù)用于LFT塑料注塑與模壓成型模具，生產(chǎn)具有A級(jí)表面的大型汽車部件。Roc-tool公司所采用的專利方法，僅對(duì)模具型腔表面進(jìn)行加熱與冷卻，其周期時(shí)間與傳統(tǒng)方法相比，要快得多。接通感應(yīng)器電源，僅需幾秒到幾十秒加熱即可，加熱深度只在模具表面以下0.2mm范圍的表面層，模具總體的99.9%并不處于加熱狀態(tài)。

Roc-tool公司還能設(shè)計(jì)不同導(dǎo)電性的材料作模具表面層，使模具某些部位的溫度較其他部位高些，從而可以使制品僅在某一區(qū)域達(dá)到A級(jí)表面要求。

3長(zhǎng)纖維母粒

為了更加方便、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)LFT制品，并有效地提高LFT制品的性能。RTP公司，Dow公司等相繼開發(fā)了長(zhǎng)纖維母粒，使產(chǎn)品制造企業(yè)可以靈活地適應(yīng)LFT制品的生產(chǎn)需求。

RTP公司的長(zhǎng)纖維母粒，玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%-75%，在成型時(shí)按需要比例用純樹脂稀釋即可使用。該母粒纖維長(zhǎng)度12mm，也可在8-25mm范圍內(nèi)定制。

Dow公司開發(fā)的長(zhǎng)纖維母粒是通過兩步配制完成的。即先配制添加劑母粒，其組成(質(zhì)量份，下同)為聚丙烯(BorflowHL504FB)70份，炭黑15份，168抗氧劑6.7份，1010抗氧劑3.3份，PS802抗氧劑5.0份。然后將添加劑母粒與聚丙烯載體、分散劑、改性劑等一起經(jīng)擠出機(jī)擠出并通過浸漬模具浸漬連續(xù)玻璃纖維，經(jīng)拉擠、冷卻、切粒得到長(zhǎng)纖維母粒。

該母粒的組成為聚丙烯(H734-52RNA)32.4份，聚丙烯(BorflowHL504FB)4.0份，添加劑母粒2.1份，玻璃纖維60.0份，高分子偶聯(lián)劑1.5份。

在這里，商品牌號(hào)為BorflowHL504FB聚丙烯的熔體流動(dòng)速率為450g/10min，而商品牌號(hào)為H734-52RNA聚丙烯的熔體流動(dòng)速率為52g/10min。后者為流動(dòng)性高且物理性能之間有良好平衡性的注塑級(jí)材料，而前者具有很低的黏度，有利于基體樹脂良好地浸潤(rùn)玻璃纖維。

4新的原材料技術(shù)

在車用纖維增強(qiáng)熱塑性塑料方面，最具革命性的是基于環(huán)狀齊聚酯(CBT)原位聚合制造的纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。

CBT是美國(guó)Cyclics專利生產(chǎn)的具有大環(huán)結(jié)構(gòu)的、不同低相對(duì)分子質(zhì)量齊聚酯的混合物。CBT在加工過程中加入錫催化劑，于適當(dāng)?shù)臏囟认麻_環(huán)聚合成線性聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，相對(duì)分子質(zhì)量是通用PBT樹脂的2倍。具有突出的加工優(yōu)點(diǎn)，極低的黏度使其能快速、極佳地潤(rùn)濕纖維增強(qiáng)材料，且可以在很低的壓力下成型，能快速聚合;幾乎可以用所有的熱塑性和熱固性樹脂的纖維復(fù)合材料方式進(jìn)行成型加工(而通常方法較單一)。此外，聚合后的材料又具有通常PBT樹脂的可重復(fù)加工的熱塑性特征。

此外，為了滿足LFT用玻璃纖維紗使用工藝和制品性能要求，以及解決長(zhǎng)纖維表面的浸潤(rùn)性問題，美國(guó)OCV公司、PPG工業(yè)公司、法國(guó)的Saint-Gobain公司等均從事專用浸潤(rùn)劑的開發(fā)。PPG工業(yè)公司以馬來酸酐、聚乙二醇或聚丙二醇、脂肪酸縮水甘油酯與松香樹脂進(jìn)行分步反應(yīng)，制得改性松香，再與A174、A187、A1100偶聯(lián)劑，以及PH調(diào)節(jié)劑、潤(rùn)滑劑、消泡劑、水等制成浸潤(rùn)劑。該浸潤(rùn)劑具有的突出優(yōu)點(diǎn)是：纖維生產(chǎn)中表現(xiàn)出良好的原絲集束性，并改善纖維的摩擦性能，減少玻璃纖維原絲生產(chǎn)過程中的單絲斷裂，有利于保持產(chǎn)品的一致性，并降低纖維原絲生產(chǎn)成本，改善在后續(xù)加工過程中的耐擦傷性，減少后續(xù)工序中單絲的斷裂，提高后續(xù)工序的生產(chǎn)效率;對(duì)多種樹脂、多種增強(qiáng)塑料制造工藝的適應(yīng)性好等。

5結(jié)語(yǔ)

纖維增強(qiáng)熱塑性塑料正在汽車工業(yè)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用，其工藝技術(shù)的發(fā)展更是日新月異，尤其是LFT，D-LFT，國(guó)外已從原材料、裝備、模具等諸多方面，形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，技術(shù)日趨成熟。

而國(guó)內(nèi)的這些方面工作才剛剛起步，尚缺乏深入的研究與開發(fā)，希望能引起國(guó)內(nèi)同行重視，加強(qiáng)車用纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的工藝技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)汽車工業(yè)與塑料工業(yè)的共同發(fā)展。