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行业分析

纤维增强热塑性复合材料最新工艺技术综述
来源:复材应用技术  2017-04-24 17:22:18
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=4703       随着汽车工业的发展,纤维增强热塑性复合材料的需求大幅增长,其制造工艺技术也进入了快速发展期。诸如直接(在线)配料长纤维增强热塑性复合材料(D-LFT)、为改进长纤维增强热塑性复合材料(LFT)模制品表面质量而采取的模具型腔感应加热、LFT母粒、基于环状齐聚酯原位聚合的纤维增强复合材料、LFT专用玻璃纤维与表面浸润剂等新技术不断涌现。下面,将对这些最新的工艺技术进展作一综述,为开发车用纤维增强热塑性塑料提供参考。

       纤维增强热塑性复合材料,因再生性好、便于回收利用,成为车用复合材料发展的重点与方向。而在纤维增强热塑性复合材料中,长纤维增强热塑性复合材料(LFT)的发展最引人注目。在LFT需求快速增长的同时,车用纤维增强热塑性复合材料的成型工艺技术也有了长足的进步。从已经占有优势的纤维毡增强热塑性复合片材(GMT)与LFT进一步发展了直接(在线)配料LFT(D-LFT)工艺技术、长纤维增强母粒技术、改进长纤维增强热塑性复合材料模压工艺的快速变换模具表面温度技术、基于环状齐聚酯的纤维增强热塑性复合材料基体的原位聚合工艺技术、长纤维增强热塑性复合材料专用玻纤与表面处理技术等。

D-LFT工艺技术


       与使用长纤维增强热塑性塑料粒料(LFT-G)相比,D-LFT工艺具有几方面突出的优点:

        1、使配料与成型一体化,省去预浸料的制备,大大节省人力;

        2、受热次数少,没有二次熔融塑化,节能降耗;

        3、避免二次熔融塑化过程对树脂和长纤维造成的影响,不过度损伤加入的纤维,树脂基体的性能与纤维长度可比LFT-G成型有更高的保留率,平均纤维长度比用LFT-G成型的高出15%-20%,具有高品质的制品性能,通过制品与模具设计和工艺条件的优化,制品的力学性能可以接近GMT制品;

        4、工艺过程及生产周期缩短,提高生产效率生产成本低,相对于长纤维粒料,产品成本可以减少约40%。

       D-LFT工艺由Woodshed Technologies公司首创。2005年Plastic Comp获得其Pushtrusion生产技术许可。近年来, Pushtrusion得到不断发展与完善。

       而其基本工艺原理是:通过挤出机向包覆浸渍模供给热塑性树脂熔体,然后利用高压熔体包覆长纤维并将其拖向浸渍模末端的切刀,切刀根据事先设定的长度将包覆在熔体中的长纤维切断,而后熔体进人注塑机内注射成型。

       Plastic Comp还在Pushtrusion D-LFT的基础上,发展了直接在线配料模压成型工艺,将制得的长纤维与熔融树脂复合物直接移入模压成型机内压制成最终产品,而无需使用预制的GMT片材,故也称之为Pushtrusion D-GMT。Pushtrusion D-GMT为加工者生产长纤维增强复合材料制品提供很大的灵活性,尤其是树脂与纤维品种、颜料与其他添加剂等配方组成上,不再受供应商的制约。

       Engel 公司与Krauss Maffei公司采用同向双螺杆挤出机与注塑机的组合,将连续挤出与注塑循环结合在一起,形成高效率的长纤维增强热塑性塑料在线配料注射成型系统。必要时,该系统也可各自独立运行。

       Husky公司以特殊构型的单螺配料杆挤出机与注塑机组成在线配料注射成型系统。在挤出机的低压排气区与纤维入口处拽引夹送区,装有刮擦器。其对螺杆的刮擦运动改进了挤出机中这些低压区的熔体输送。

       Dow公司利用双螺杆挤出机进行在线配料,热塑性树脂与添加剂经双螺杆挤出机熔融混炼塑化,连续纤维纱在双螺杆挤出机的下游引入,复合物经挤出机头形成特定形状的连续挤出物,再由切割器切割成型坯,然后直接送入成型机中成型为制品。

  模具型腔表面温度快速变换技术

       为了拓展纤维增强热塑性复合材料的应用范围,使其适应表面质量要求高的汽车外装件用途,在注料期间,使与熔料接触的模具表面温度保持在基体树脂的玻璃化温度以上甚至接近熔料温度,显然就易于获得高表面质量的制品。

       然而,热塑性复合材料制品又必须冷却至热变形温度以下脱模,通常的模具冷却仍然是必需的。为了改善纤维增强热塑性复合材料的模塑工艺,快速变换模具型腔表面温度便成为问题解决的关键。最新的模具感应加热技术则满足了这一快速变换要求。

       为了实现模具型腔表面温度的快速变换,Roc-tool公司对此提出了模具感应加热的解决方案。以电磁感应技术,通过迅速加热模具表面至接近注射塑料熔体的温度,从而获得理想的熔料流变条件。树脂与模具表面处于相近的温度,流动也就十分容易。

       为了能够更加广泛地用于各种不同场合,Roc-tool在其模具型腔感应加热技术中,还结合了其合作伙伴Wittmann Battenfeld 公司的Indumold 技术,从而推出了2类模具感应加热系统,即笼式系统与集成在模具内部的内置感应器。成功地将感应加热技术用于LFT塑料注塑与模压成型模具,生产具有A级表面的大型汽车部件。Roc-tool公司所采用的专利方法,仅对模具型腔表面进行加热与冷却,其周期时间与传统方法相比,要快得多。接通感应器电源,仅需几秒到几十秒加热即可,加热深度只在模具表面以下0.2mm范围的表面层,模具总体的99.9%并不处于加热状态。

       Roc-tool公司还能设计不同导电性的材料作模具表面层,使模具某些部位的温度较其他部位高些,从而可以使制品仅在某一区域达到A级表面要求。

  长纤维母粒

       为了更加方便、经济地生产LFT制品,并有效地提高LFT制品的性能。RTP公司、Dow公司等相继开发了长纤维母粒,使产品制造企业可以灵活地适应LFT制品的生产需求。

       RTP公司的长纤维母粒,玻璃纤维的质量分数为60%-75%,在成型时按需要比例用纯树脂稀释即可使用。该母粒纤维长度12mm,也可在8-25mm范围内定制。

       Dow公司开发的长纤维母粒是通过两步配制完成的。即先配制添加剂母粒,其组成(质量份,下同)为聚丙烯(Borflow HL504FB)70份,炭黑15份,168抗氧剂6.7份,1010抗氧剂3.3份,PS802抗氧剂5.0份。然后将添加剂母粒与聚丙烯载体、分散剂、改性剂等一起经挤出机挤出并通过浸渍模具浸渍连续玻璃纤维,经拉挤、冷却、切粒得到长纤维母粒。

       该母粒的组成为聚丙烯(H734-52RNA)32.4份,聚丙烯(Borflow HL504FB)4.0份,添加剂母粒2.1份,玻璃纤维60.0份,高分子偶联剂1.5份。

       在这里,商品牌号为Borflow HL504FB聚丙烯的熔体流动速率为450g/10min,而商品牌号为H734-52RNA聚丙烯的熔体流动速率为52g/10min。后者为流动性高且物理性能之间有良好平衡性的注塑级材料,而前者具有很低的黏度,有利于基体树脂良好地浸润玻璃纤维。

  新的原材料技术

       在车用纤维增强热塑性复合材料方面,最具革命性的是基于环状齐聚酯(CBT)原位聚合制造的纤维增强热塑性复合材料。

       CBT是美国Cyclics专利生产的具有大环结构的、不同低相对分子质量齐聚酯的混合物。CBT在加工过程中加入锡催化剂,于适当的温度下开环聚合成线性聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT) ,相对分子质量是通用PBT树脂的2倍。具有突出的加工优点,极低的黏度使其能快速、极佳地润湿纤维增强材料,且可以在很低的压力下成型,能快速聚合;几乎可以用所有的热塑性和热固性树脂的纤维复合材料方式进行成型加工(而通常方法较单一)。此外,聚合后的材料又具有通常PBT树脂的可重复加工的热塑性特征。

       此外,为了满足LFT用玻璃纤维纱使用工艺和制品性能要求,以及解决长纤维表面的浸润性问题,美国OCV公司、PPG工业公司、法国的Saint-Gobain公司等均从事专用浸润剂的开发。PPG工业公司以马来酸酐、聚乙二醇或聚丙二醇、脂肪酸缩水甘油酯与松香树脂进行分步反应,制得改性松香,再与A174、A187、A1100偶联剂,以及PH调节剂、润滑剂、消泡剂、水等制成浸润剂。该浸润剂具有的突出优点是:纤维生产中表现出良好的原丝集束性,并改善纤维的摩擦性能,减少玻璃纤维原丝生产过程中的单丝断裂,有利于保持产品的一致性,并降低纤维原丝生产成本,改善在后续加工过程中的耐擦伤性,减少后续工序中单丝的断裂,提高后续工序的生产效率;对多种树脂、多种增强塑料制造工艺的适应性好等。

       纤维增强热塑性复合材料正在汽车工业领域获得越来越广泛的应用,其工艺技术的发展更是日新月异,尤其是LFT,D-LFT,国外已从原材料、装备、模具等诸多方面,形成了完整的产业链,技术日趋成熟。而国内的这些方面工作才刚刚起步,尚缺乏深入的研究与开发,希望能引起国内同行重视,加强车用纤维增强热塑性复合材料的工艺技术研发,促进汽车工业与塑料工业的共同发展。
  文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=4703