前言
復(fù)合材料根據(jù)樹(shù)脂基體材料不同，分為金屬基復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料和樹(shù)脂基復(fù)合材料三大類(lèi)。樹(shù)脂基復(fù)合材料又分為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料（FRTP）兩類(lèi)。熱塑性復(fù)合材料是指以熱塑性樹(shù)脂為基體，以各種纖維為增強(qiáng)材料而制成的復(fù)合材料。如PP、PA66、PA6、PBT等都屬于熱塑性樹(shù)脂。
玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（熱塑性玻璃鋼）作為FRTP中的一大類(lèi)，具有密度小、強(qiáng)度高，熱塑性好，耐化學(xué)腐蝕，電性能優(yōu)異，加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要用于航天航空、汽車(chē)制造工業(yè)、船舶工業(yè)、化工防腐、電子工業(yè)及建筑工程等。而短切玻璃纖維增強(qiáng)FRTP作為熱塑性玻璃鋼中的一大類(lèi)，得到了很快的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。
1 生產(chǎn)工藝
短切纖維增強(qiáng)FRTP是將玻璃纖維（長(zhǎng)0.2~7mm）均勻地分布在熱塑性樹(shù)脂基體中的一種復(fù)合材料，其生產(chǎn)工藝一般都要經(jīng)過(guò)造粒和成型兩個(gè)過(guò)程。
1.1 粒料生產(chǎn)工藝
粒料生產(chǎn)方法有三種，分別是短切纖維原絲單螺桿擠出法、單螺桿排氣式擠出機(jī)回?cái)D造粒法、排氣式雙螺桿擠出機(jī)造粒法。本文主要介紹第三種方法。
粒料生產(chǎn)方法有三種，分別是短切纖維原絲單螺桿擠出法、單螺桿排氣式擠出機(jī)回?cái)D造粒法、排氣式雙螺桿擠出機(jī)造粒法。本文主要介紹第三種方法。
排氣式雙螺桿擠出機(jī)造粒法根據(jù)加料方式的不同，可分為兩種造粒法。一種是將樹(shù)脂和短切后的玻璃纖維分別加入排氣式雙螺桿擠出機(jī)的兩個(gè)加料漏斗，通過(guò)送料螺桿將樹(shù)脂和纖維一起送入料筒內(nèi)，在料筒內(nèi)纖維和樹(shù)脂混合均勻，經(jīng)過(guò)排氣段除去混料中的揮發(fā)性物質(zhì)，進(jìn)一步塑煉后經(jīng)口模擠出料條，再經(jīng)冷卻、干燥，然后切成粒料，俗稱(chēng)為短纖法。
另一種方法是將樹(shù)脂和纖維（常為合股紗）分別加入排氣式雙螺桿擠出機(jī)的樹(shù)脂加料漏斗和進(jìn)絲口，玻璃纖維被左旋螺桿及捏合裝置所破碎，后面的工藝與短切法相同，俗稱(chēng)為長(zhǎng)纖法。粒料中的玻纖含量，前一種方法可由送料螺桿的轉(zhuǎn)速來(lái)控制；后一種方法可由調(diào)整送入擠出機(jī)的玻纖股數(shù)和料筒內(nèi)的螺桿轉(zhuǎn)速來(lái)控制。雙螺桿擠出機(jī)能有效地使樹(shù)脂充分塑化，并與纖維均勻復(fù)合。其工藝如下圖1—1和圖1—2。
1.2 注射成型工藝
注射成型是樹(shù)脂基復(fù)合材料生產(chǎn)中的一種重要成
型方法，它適用于熱塑性和熱固性復(fù)合材料，但以熱塑性復(fù)合材料最廣。FRTP的注射成型過(guò)程主要產(chǎn)生物理變化。增強(qiáng)粒料在注射機(jī)的料筒內(nèi)加熱熔化至粘流態(tài)，以高壓迅速注入溫度較低的閉合模內(nèi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間冷卻，使物料在保持模腔形狀的情況下恢復(fù)到玻璃態(tài)，然后開(kāi)模取出制品。這一過(guò)程主要是加熱、冷卻過(guò)程，物料不發(fā)生化學(xué)變化。
注射成型周期短，熱耗量少，產(chǎn)品質(zhì)量好，可使形狀復(fù)雜的產(chǎn)品一次成型，而且生產(chǎn)效率高，成本低，只是對(duì)模具的要求高，也不能用于長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的產(chǎn)品。
型方法，它適用于熱塑性和熱固性復(fù)合材料，但以熱塑性復(fù)合材料最廣。FRTP的注射成型過(guò)程主要產(chǎn)生物理變化。增強(qiáng)粒料在注射機(jī)的料筒內(nèi)加熱熔化至粘流態(tài)，以高壓迅速注入溫度較低的閉合模內(nèi)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間冷卻，使物料在保持模腔形狀的情況下恢復(fù)到玻璃態(tài)，然后開(kāi)模取出制品。這一過(guò)程主要是加熱、冷卻過(guò)程，物料不發(fā)生化學(xué)變化。
注射成型過(guò)程如圖1-3所示。
注射成型周期短，熱耗量少，產(chǎn)品質(zhì)量好，可使形狀復(fù)雜的產(chǎn)品一次成型，而且生產(chǎn)效率高，成本低，只是對(duì)模具的要求高，也不能用于長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的產(chǎn)品。
2 影響成型制品性能的因素
短切玻纖增強(qiáng)FRTP的性能與許多因素有關(guān)。
以下主要介紹幾種常見(jiàn)的影響因素對(duì)其力學(xué)性能的影響。
2.1 纖維含量的影響
各種樹(shù)脂品種對(duì)短切玻纖增強(qiáng)FRTP的最佳纖維含量是不同的，增強(qiáng)尼龍的最佳含量為30%左右，增強(qiáng)聚甲醛的最佳玻纖含量則為20%左右。表2-1為玻璃纖維含量對(duì)增強(qiáng)PA66性能的影響。從表中看出，玻璃纖維含量從20%增大到55%，力學(xué)性能都在不斷的增加。玻纖含量在40%~55%之間時(shí)，力學(xué)性能變化很緩慢。當(dāng)玻纖含量超過(guò)60%時(shí)，力學(xué)性能反而降低，這是因?yàn)楹窟^(guò)多，成型過(guò)程中纖維磨損嚴(yán)重，反而會(huì)導(dǎo)致纖維喪失增強(qiáng)作用。當(dāng)纖維含量過(guò)少時(shí)，其拉伸強(qiáng)度和沖擊
強(qiáng)度都會(huì)下將。
玻璃纖維直徑對(duì)短切纖維增強(qiáng)FRTP的性能影響是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，表2-2為纖維直徑對(duì)尼龍復(fù)合材料的影響。一般來(lái)講，纖維直徑越細(xì)，強(qiáng)度越高。但是若纖維直徑太小，將會(huì)增加生產(chǎn)的難度，而且細(xì)纖維用在復(fù)合材料中，弱界面也會(huì)隨之增加，加工過(guò)程中的纖維磨損嚴(yán)重，強(qiáng)度損失也較大。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常有7μm、10μm、10.5μm、13μm。
關(guān)系著纖維與樹(shù)脂的結(jié)合，進(jìn)而大大地影響了FRTP的力學(xué)性能。表2-3是玻璃纖維經(jīng)不同浸潤(rùn)劑處理后增強(qiáng)同一種樹(shù)脂后的力學(xué)性能。
各種樹(shù)脂品種對(duì)短切玻纖增強(qiáng)FRTP的最佳纖維含量是不同的，增強(qiáng)尼龍的最佳含量為30%左右，增強(qiáng)聚甲醛的最佳玻纖含量則為20%左右。表2-1為玻璃纖維含量對(duì)增強(qiáng)PA66性能的影響。從表中看出，玻璃纖維含量從20%增大到55%，力學(xué)性能都在不斷的增加。玻纖含量在40%~55%之間時(shí)，力學(xué)性能變化很緩慢。當(dāng)玻纖含量超過(guò)60%時(shí)，力學(xué)性能反而降低，這是因?yàn)楹窟^(guò)多，成型過(guò)程中纖維磨損嚴(yán)重，反而會(huì)導(dǎo)致纖維喪失增強(qiáng)作用。當(dāng)纖維含量過(guò)少時(shí)，其拉伸強(qiáng)度和沖擊
強(qiáng)度都會(huì)下將。
表2-1 同一種短切纖維ECS301HP-3增強(qiáng)尼龍66時(shí)纖維含量對(duì)力學(xué)性能的影響
|
測(cè)試項(xiàng)目
|
20%
|
30%
|
40%
|
45%
|
50%
|
55%
|
60%
|
65%
|
|
拉伸強(qiáng)度/MPa
|
138.70
|
189.99
|
200.11
|
225.81
|
228.26
|
246.25
|
242
|
222.71
|
|
伸長(zhǎng)率(%)
|
15.04
|
11.53
|
15.30
|
14.52
|
15.75
|
14.30
|
18.59
|
14.00
|
|
彎曲強(qiáng)度/MPa
|
206.37
|
286.53
|
293.89
|
336.70
|
334.48
|
363.91
|
349.26
|
319.71
|
|
彎曲模量/GPa
|
5.06
|
7.13
|
8.17
|
10.38
|
11.63
|
13.63
|
13.63
|
15.75
|
|
缺口沖擊KJ/M2
|
9.24
|
16.74
|
16.17
|
21,87
|
18.03
|
20.22
|
19.75
|
22.02
|
|
無(wú)缺口沖擊KJ/ M2
|
48
|
85.75
|
101.75
|
107.50
|
100.5
|
105.75
|
94.75
|
70.25
|
2.1 纖維質(zhì)量的影響
2.2.1 纖維直徑對(duì)性能的影響
2-2 不同纖維直徑對(duì)尼龍玻璃鋼性能的影響
|
纖維名稱(chēng)
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
|
直徑/μm
|
10.5
|
11
|
13
|
15
|
17
|
|
GF(%)
|
31.69
|
32.31
|
33.09
|
33.04
|
30.89
|
|
拉伸強(qiáng)度/MPa
|
172.75
|
178.09
|
176.62
|
169.59
|
163.28
|
|
伸長(zhǎng)率(%)
|
10.14
|
11.26
|
11.32
|
10.73
|
10.68
|
|
彎曲強(qiáng)度/ MPa
|
265.01
|
249.78
|
251.65
|
236.83
|
238.85
|
|
彎曲模量/GPa
|
7.60
|
6.71
|
6.86
|
6.82
|
6.80
|
|
缺口沖擊/KJ/M2
|
18.46
|
16.88
|
18.61
|
17.59
|
18.03
|
|
無(wú)缺口沖擊KJ/M2
|
93.000
|
82.25
|
82
|
63.75
|
54.5
|
|
綜合比較（以10.5un為基準(zhǔn)）
|
100
|
94.30
|
96.54
|
87.84
|
85.22
|
2.2.2 纖維長(zhǎng)度和分散狀態(tài)對(duì)性能的影響
纖維長(zhǎng)度對(duì)FRTP性能影響很大，在保證纖維均勻分布的前提下，一般規(guī)律是纖維越長(zhǎng)，制成的制品強(qiáng)度越高。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)玻璃纖維長(zhǎng)度小于0.04mm時(shí)，纖維不起增強(qiáng)作用。相反，如果FRTP內(nèi)纖維長(zhǎng)度太長(zhǎng)，樹(shù)脂與纖維的結(jié)合將會(huì)受到影響，從而影響FRTP的強(qiáng)度。
纖維在制品中的分散狀況對(duì)制品性能的影響用不同的浸潤(rùn)劑對(duì)玻璃纖維進(jìn)行處理（通過(guò)在拉絲過(guò)程中進(jìn)行涂覆）。浸潤(rùn)劑在玻璃纖維表面形成一層保護(hù)膜，它影響著纖維在樹(shù)脂中的分散狀況，也很大。一般來(lái)講，纖維分散越均勻，機(jī)械強(qiáng)度就越好，彈性模量也有明顯的增加。
2.2.3 玻璃纖維表面處理對(duì)FRTP性能的影響
玻璃纖維表面處理情況直接關(guān)系著FRTP的外觀和力學(xué)性能。處理纖維表面用浸潤(rùn)劑中包括偶聯(lián)劑、成膜劑、潤(rùn)滑劑、潤(rùn)濕劑、抗靜電劑、消泡劑等。根據(jù)玻璃纖維用以增強(qiáng)不同的樹(shù)脂關(guān)系著纖維與樹(shù)脂的結(jié)合，進(jìn)而大大地影響了FRTP的力學(xué)性能。表2-3是玻璃纖維經(jīng)不同浸潤(rùn)劑處理后增強(qiáng)同一種樹(shù)脂后的力學(xué)性能。
表2-3 增強(qiáng)尼龍66后的性能對(duì)比
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項(xiàng)目
|
ECS301HP-3
|
ECS301CL-3
|
ECS306-3
|
|
GF(%)
|
33.02
|
33.22
|
33.35
|
|
拉伸強(qiáng)度/MPa
|
206.25
|
204.55
|
186.08
|
|
伸長(zhǎng)率(%)
|
17.36
|
14.99
|
12.55
|
|
彎曲強(qiáng)度/MPa
|
289.69
|
295.23
|
253.56
|
|
彎曲模量/GPa
|
7.84
|
8.06
|
6.94
|
|
缺口沖擊/ KJ/M2
|
12.87
|
15.33
|
19.20
|
|
無(wú)缺口沖擊/ KJ/M2
|
82.25
|
85.00
|
98.25
|
3 結(jié)束語(yǔ)
短切玻璃纖維增強(qiáng)FRTP作為玻纖行業(yè)下游企業(yè)的一大方向，在材料體系中是不可替代的一個(gè)重要組成部分，因此掌握該類(lèi)材料的成型工藝及其影響質(zhì)量的有關(guān)因素是非常重要的。
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