成型長纖維增強聚合物的實用技巧

文/ Avient公司 Gordy Nagle

本文將介紹加工長纖維增強聚合物的基本原理和最佳實踐，包括保持纖維長度的實用技巧和指南，以及如何為嚴(yán)格的終端應(yīng)用提供最佳優(yōu)勢。

無論向熱塑性基體材料中添加的是長纖維還是短纖維，是玻璃纖維還是碳纖維增強材料，目的基本上都是為了改善聚合物的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能。從如何與聚合物基體相結(jié)合，到所能提供的性能水平，這兩種用于增強注射成型用熱塑性塑料的主要方法存在著很多不同之處，就終端應(yīng)用而言，一種纖維形式可能比另一種更合適，但對于成型商而言，短纖維與長纖維的主要區(qū)別在于它們被加工的程度。

本文將介紹加工長纖維增強聚合物的基本原理和最佳實踐，包括保持纖維長度的實用技巧和指南，以及如何為嚴(yán)格的終端應(yīng)用提供最佳優(yōu)勢。

保持但不完美

加工長纖維增強熱塑性塑料的主要目標(biāo)是保持纖維的長度，這對于優(yōu)化強度和韌性至關(guān)重要。纖維斷裂對聚合物復(fù)合材料的性能會帶來負(fù)面影響，可能最終抵消了使用長纖維的好處。處理不當(dāng)以及工裝和部件設(shè)計有問題，或者使用未經(jīng)優(yōu)化的加工設(shè)備或設(shè)置，都有可能導(dǎo)致纖維斷裂。

與短切纖維增強塑料不同，長纖維增強材料通常是采用拉擠法來制造。這項工藝是通過特殊的浸漬模頭（以便樹脂能夠包裹并粘接纖維）來拉伸浸潤了熱塑性樹脂的連續(xù)纖維粗紗，然后將擠出的長條切成粒狀，粒料中的纖維通常有12 mm 長，全長以單向纖維增強為特色，這個長度對于使聚合物能夠有效地將應(yīng)力傳遞給較強的纖維至關(guān)重要。

當(dāng)這些粒料被用于注射成型時，長纖維排列并緊密纏繞，形成一個內(nèi)部骨架，以提供強度和韌性。相比短纖維填充的材料，采用長纖維增強的復(fù)合材料，無論是玻璃纖維還是碳纖維，都能提供更高的強度重量比、抗沖擊韌性、更長的循環(huán)疲勞壽命、較寬泛的耐熱性和更好的尺寸穩(wěn)定性。

這些耐用材料提供的結(jié)構(gòu)性能可與金屬相媲美，卻比金屬更輕，并能夠利用注射成型的加工效率優(yōu)勢。碳纖維復(fù)合材料作為金屬替代品特別具有價值，因為它們比鋼輕70%，比鋁輕40%，因此，長纖維增強復(fù)合材料可被用于制造汽車、體育用品、航空、消費品和工業(yè)設(shè)備中要求極高的部件。典型的基礎(chǔ)樹脂包括聚酰胺（PA 或尼龍）、聚丙烯（PP）、硬質(zhì)熱塑性聚氨酯（ETPU）以及耐高溫樹脂如聚醚醚酮（PEEK）、聚鄰苯二甲酰胺（PPA）和聚醚酰亞胺（PEI）等。雖然任何熱塑性塑料都可以用纖維增強，但只有一些能提供更高的性能，因為它們能更好地得到增強。更確切地說，半結(jié)晶樹脂比無定形樹脂能更好地得到纖維的增強，也就是說它們的剛度和強度會得到更大的提升。

通常，長玻璃纖維的含量（也用重量百分比表示）最高可達60%，長碳纖維的含量最高可達50%，這一百分含量適于PP、PA和ETPU，但一些耐高溫樹脂因成型性問題而將纖維含量限制在較低的水平。

長纖維增強材料的加工要點

與未改性的或粒狀的粉末填充的樹脂相比，成型長纖維增強復(fù)合材料對模具、澆口、成型設(shè)備和部件設(shè)計等都有一些要求。用于加工這些材料的工藝也與短纖維增強聚合物的有所不同。

如前所述，保持纖維的長度是成功的關(guān)鍵?？赡軐?dǎo)致纖維長度縮短的因素包括來自注射螺桿的高壓力和高剪切力，而模具和流道系統(tǒng)中的尖角也會導(dǎo)致這一問題。為保持纖維長度，需要注意3 個關(guān)鍵加工要點：

1.模具材料及設(shè)計

雖然長纖維對模具的磨損要比短纖維小，這是因為對模具有影響的針狀纖維末端較少，但同一種類型的模具鋼卻適用于長纖維和短纖維增強的聚合物，最常見的是P20 模具鋼，它能夠持續(xù)承受超過10 萬次的注射。如果需要更高的耐久性（高于10 萬次注射循環(huán)），H13 鉻鉬鋼或A9 空氣硬化鋼則是更好的選擇。通常，硬化模具是加工纖維增強熱塑性塑料的最佳選擇。對于磨損的模具，可以利用電鍍技術(shù)對其進行翻新。如果為了驗證設(shè)計而必須生產(chǎn)原型，甚至可以使用鋁模。

模具設(shè)計應(yīng)避免使用小直徑的澆口，以免引起剪切，導(dǎo)致纖維斷裂。由于纖維增強樹脂的粘度較高，建議采用寬敞的扇形澆口或全圓形澆口而不是針式澆口。采用全圓形流道可以消除死流區(qū)，在這些區(qū)域，塑料的固化層會阻止流動的充分性。除全圓形結(jié)構(gòu)以外的任何類型的流道都有尖角，可能導(dǎo)致剪切的增加從而損傷纖維。

長纖維增強復(fù)合材料需要排放的氣體量是非增強材料的兩倍。為提供額外的排氣，可以使用更大的開口。由于長纖維材料的粘度較高，不像未增強的樹脂那樣容易溢出，所以這樣的開口對于長纖維材料而言毫無問題。

2.成型設(shè)備

可以采用標(biāo)準(zhǔn)的注射成型設(shè)備來加工長纖維增強熱塑性塑料，只需作一些非永久性的改進就能保護纖維長度并適應(yīng)更高的粘度。推薦使用頂部允許自由流動的帶有止回環(huán)的低壓或通用型的螺桿?？梢允褂靡话阌猛镜膰娮?，但應(yīng)避免使用尼龍噴嘴，因為它們的沙漏形狀（為防止垂涎而設(shè)計）會限制流動，造成剪切，導(dǎo)致纖維磨損。另一個減少剪切的建議是避免倒錐形噴嘴的設(shè)計。一般來說，較大的噴嘴孔（最小5.6 mm）便于粘性的纖維增強樹脂的通過。

對于任何注射機來說，一個很好的經(jīng)驗法則是只注射60%～70%的量。過多的注射量會延長復(fù)位時間，而太少的注射量意味著材料在料筒中停留的時間較長，可能導(dǎo)致降解。

3.加工條件

就加工而言，重要的是要解決好兩個問題：翹曲和蠕變。通常，長纖維增強熱塑性塑料部件出現(xiàn)的翹曲要比短纖維材料的部件少，因為長絲的纏繞減少了差異性的收縮，但注射成型的長纖維部件仍然會變形，一個原因是纖維沿流動方向排列，雖然增強了部件強度，卻可能導(dǎo)致各向異性。為防止翹曲，可以使用其他澆口位置或部件設(shè)計，以避免過多的纖維排列在不需要高強度來承受結(jié)構(gòu)荷載的區(qū)域。

像翹曲一樣，與短纖維配混料相比，長纖維增強復(fù)合材料的蠕變變形不大，因為較長的纖維有助于在部件的較寬區(qū)域消散負(fù)荷。長纖維長絲之間的牢固結(jié)合允許聚合物基體將應(yīng)力傳遞給更強的纖維以減少蠕變，這是因為纖維類似于骨架結(jié)構(gòu)，不會像聚合物鏈那樣容易彎曲或滑動?？谷渥冃砸彩情L纖維高的長寬比的函數(shù)，更高的長寬比允許聚合物“抓住”更多的纖維表面積。

以下是加工長纖維增強復(fù)合材料的建議，記住，在重量百分比相同的情況下，碳纖維材料的粘性比玻璃纖維材料的更大，因為碳纖維更輕，體積更大。為達到與玻璃纖維復(fù)合材料相似的流速，碳纖維復(fù)合材料可能需要稍微更多一點的熱量。要考慮的因素包括：

（1）干燥：對長纖維增強復(fù)合材料粒料進行干燥時，應(yīng)采用除濕干燥機，并設(shè)置-40 ℃的露點。需要注意的是，即使是不吸濕的樹脂，表面也會有水分，為此，應(yīng)向供應(yīng)商咨詢對每一種樹脂類型所建議的干燥時間和溫度。

（2）送料：帶有過濾器的氣動系統(tǒng)更適合捕捉任何松散的纖維，防止它成塊進入成型過程，以避免堵塞供料系統(tǒng)，或者將瑕疵引入成型部件中。輸送線應(yīng)避免尖角和可能損壞粒料以及導(dǎo)致松散的纖維釋放的角度。

（3）成型：熔融的長纖維增強聚合物顆粒通常需要更多的熱量并減少對螺桿剪切的依賴，成型機的料筒應(yīng)采用平坦的或相反的溫度分布。應(yīng)盡量減小背壓，避免過度剪切。螺桿轉(zhuǎn)速應(yīng)放慢，以避免引入可能損壞纖維的固態(tài)、未熔化的材料。另一個風(fēng)險是使用含有破損纖維的粉碎回收料，它可能會影響材料的性能，所以應(yīng)盡量減少或避免使用粉碎后的回收料。長纖維的粉碎回收料實際上就是短纖維材料，因為纖維長度已經(jīng)變短。

在注射階段，應(yīng)將模具填滿95%～99%，剩下的在保壓階段填滿，這是因為長纖維增強復(fù)合材料的高粘度使其在保壓階段很難填充更高百分比的材料，這是在低于峰值填充壓力下完成的。在噴嘴凝固前，模具應(yīng)一直處于保壓狀態(tài)。

（4）注射速度和壓力：通常，低于25.4 mm/s 的速度能最大程度地減少剪切和纖維斷裂，雖然任何低于76.2 mm/s 的速度應(yīng)該是足夠的。另一方面，填充太慢可能導(dǎo)致澆口或薄壁部件的其他區(qū)域過早凝固，引起短射。

具體的注射速度很大程度上取決于材料的粘度。纖維含量低（如30%）的材料流動性較好，可以使用50.8～76.2 mm/s 這樣較快的注射速度；纖維含量達50%的材料粘性較大，可以采用25.4～50.8 mm/s 的較慢的注射速度。因此，材料供應(yīng)商建議的加工條件總是給出一定的范圍，應(yīng)根據(jù)具體情況進行調(diào)整，最好從任何給定范圍的中間開始，然后根據(jù)結(jié)果，再在這個范圍內(nèi)向某個方向進行調(diào)整。雖然每個加工商都希望盡可能縮短循環(huán)時間，但如果加工材料的方式會使材料退化（如纖維破損），成型的部件可能就不能滿足預(yù)期的性能要求。

部件設(shè)計

部件的設(shè)計應(yīng)能保護和維持纖維的長度，促使纖維沿材料流動的方向排列，以此來優(yōu)化強度和韌性。要力求壁厚均勻，避免厚度過大的區(qū)域（大于12.7 mm），這樣纖維才會沿流動方向排列。隨機的纖維取向或成球狀都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度的降低。

推薦的最小壁厚是1.524 mm，促進纖維排列的最佳壁厚是3.175 mm，壁厚大于5.08 mm 時纖維的排列開始減少，最大壁厚是12.7 mm。纖維增強材料不同于金屬，所以部件的變厚并不總是直接轉(zhuǎn)化為強度的增加，纖維不會隨著部件變得更厚而在整個厚度方向上排列。

要避免設(shè)計出無加強肋結(jié)構(gòu)的極長且平的流動長度，因為這更容易產(chǎn)生翹曲。而且，必須填充很長的部件時，長纖維增強復(fù)合材料的高粘度會導(dǎo)致材料的凝固。

當(dāng)流鋒只是相遇而沒有交叉或纖維混合從而形成一個結(jié)構(gòu)橋接時，可能會損失力學(xué)性能。要避免這一現(xiàn)象，重要的是要設(shè)置好熔接線。如果熔接線缺乏纖維的附加強度和韌性，而是完全依賴于基體樹脂的性能，這就是薄弱點。因此，熔接線應(yīng)遠(yuǎn)離關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域。

保持長纖維的優(yōu)勢

要成功地成型長纖維增強復(fù)合材料，需要對適用于非增強樹脂和短纖維配混料的設(shè)計指南和加工參數(shù)作一些修改。為充分發(fā)揮長纖維增強材料的價值（因為具有高性能，所以成本比未填充材料或短纖維增強材料更高），在整個加工過程中必須遵循最佳實踐。如果因不正確的處理、模具設(shè)計或設(shè)備設(shè)置而導(dǎo)致長纖維斷裂或不能對齊，它們的高強度和高韌性優(yōu)勢將會減弱甚至喪失。

總之，本文提供的建議可以幫助避免這些問題，從而生產(chǎn)出結(jié)實、抗沖擊且尺寸穩(wěn)定的部件。