纖維增強(qiáng)專題

纖維增強(qiáng)專題

編者按：進(jìn)入21世紀(jì)后，熱塑性塑料的應(yīng)用是再創(chuàng)新高，但某些熱塑性塑料用作結(jié)構(gòu)件等工程應(yīng)用中存在力學(xué)性能偏低等缺點(diǎn)，通過纖維增強(qiáng)不但可以提高熱塑性塑料的強(qiáng)度，還能提高其尺寸穩(wěn)定性、耐熱性和耐環(huán)境性能等。纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀(jì)50年代，最初出現(xiàn)的是短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，70年代初出現(xiàn)了長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，80年代初連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料取得了突破性進(jìn)展。我國熱塑性復(fù)合材料的研究開發(fā)工作起步較早，短纖維增強(qiáng)聚酰胺于1969年開始工業(yè)化生產(chǎn)，中長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料起步于80年代末，但與國外先進(jìn)材料相比，仍有很大差距。鑒于我國熱塑性復(fù)合材料的現(xiàn)狀，急需加大應(yīng)用技術(shù)研究，快速開拓其在我國的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在汽車工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。“中塑互聯(lián)”論壇里面的很多壇友對纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行了深入的討論，現(xiàn)將一部分帖子整理如下，供讀者參考。我刊今后將不定期將“中塑互聯(lián)，http：／／bbs.ourplas.cn”上優(yōu)秀的帖子整理刊發(fā)，敬請讀者關(guān)注。

1 玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

熱塑性塑料經(jīng)玻璃纖維（GF）增強(qiáng)后，拉伸強(qiáng)度、模量、沖擊性能和耐熱性能都可以得到提高，用途拓寬，目前市場上約50%的熱塑性復(fù)合材料都含有GF。GF增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料根據(jù)增強(qiáng)方式的不同，分為短玻纖（SFT）、長玻纖（IFR）和玻璃纖維氈（GMT）增強(qiáng)3種類型。SFT是GF增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的主要品種，但其不適用于對材料性能要求高的場合，GMT和LFT在性能上比SFT有很大進(jìn)步，具有加工工藝簡單、無環(huán)境污染、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，因此LFT和GMT越來越受到人們重視。目前，LFT和GMT是GF增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料研究和發(fā)展的兩個(gè)主要方向。

問：生產(chǎn)阻燃聚丙烯（PP）的配方為：共聚PP粉，十溴聯(lián)苯醚的含量為21份，三氧化二銻的含量為7份，GF和滑石粉的總含量為22份，接枝PP的含量為3份，黑色母含量為4份；此時(shí)，阻燃PP的UL－94級別達(dá)到V－2級，余灼時(shí)間超過30s；當(dāng)十溴聯(lián)苯醚和三氧化二銻的含量分別增加到24份和8份時(shí)，只有少量產(chǎn)品可以達(dá)到V－0級，部分產(chǎn)品的余灼時(shí)間還是會超過30s。擠出溫度為190～205℃。這是什么原因造成的？

答：可能的原因及解決方案有以下幾種：

（1）一般的黑色母均會填充碳酸鈣，故而可能是采用的黑色母中碳酸鈣的填充量太大，碳酸鈣跟溴系阻燃劑有對抗作用，這樣一來，加入的黑色母越多，產(chǎn)品的阻燃性能越差；

（2）可以采用炭黑代替色母，采用高純度的滑石粉；

（3）應(yīng)該將十溴聯(lián)苯醚的含量調(diào)整為19份，三氧化二銻的含量為6份；

（4）擠出溫度稍低，建議提高到240℃左右。

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問：最近生產(chǎn)的20%GF增強(qiáng)PP的拉伸強(qiáng)度為78MPa，斷裂伸長率為2.5%，彎曲強(qiáng)度為105MPa，沖擊強(qiáng)度為11kJ／m2。注塑產(chǎn)品無露纖，表面光滑。但是生產(chǎn)過程中老斷條，而且斷面有大量氣孔。請大家?guī)兔Ψ治鲆幌略颉?/p>

答：可能的原因及解決方案有以下幾種：

（1）斷面有大量氣孔，可能是真空壓力不夠；

（2）從性能上看斷條的原因應(yīng)該為GF太長，20% GF增強(qiáng)PP的拉伸強(qiáng)度達(dá)到60MPa就很不錯(cuò)了；

（3）斷條可能是擠出工藝的問題，適當(dāng)調(diào)整一下加工溫度；

（4）理論上GF的殘留長度比較長，會導(dǎo)致界面黏結(jié)問題，這樣的話，GF分布不均勻會導(dǎo)致PP熔體分布不均勻，在加工過程中使PP熔體在局部斷面充不滿口模，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)空洞；

（5）加強(qiáng)螺桿的剪切作用，多加2組45°螺桿組合元件。如果實(shí)在不行，在GF加入口和真空口之間增加一個(gè)反旋，也就是說整個(gè)過程中有3個(gè)反旋：GF加入口前面、GF加入口與真空口之間以及真空口前端。

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問：GF增強(qiáng)聚酰胺（PA）最容易出現(xiàn)浮纖的問題，特別是黑色的產(chǎn)品，更加明顯，請問有什么解決方法？

答：出現(xiàn)浮纖的原因主要為PA與GF的混合一般采取物理混合方法，GF會均勻分散在PA中，但在PA熔融后，二者的混合物會出現(xiàn)不同程度的分離（視GF含量和長短而定，還有原料的溫度也有一定程度的影響），GF相對于PA的流動性要差很多，而PA在模具中的流動是從夾層中間往前流，所以流動性最好的肯定是在最前面，而流動性不好的就會停留在模具表面，故而GF大量停留在模具表面，造成浮纖問題。

一般采取下述方法可以有效降低浮纖的比例：

（1）從材料方面來講，應(yīng)該使用短纖和低黏度的PA基材，短纖性能較長纖好，計(jì)量準(zhǔn)確，但需要有側(cè)向進(jìn)料系統(tǒng)和失重電子計(jì)量系統(tǒng)；

（2）增加熔體注射速度。雖然GF和PA存在著流動速度的不同，但相對于高的熔體注射速度而言，這一相對速度差的比例就很小了；

（3）提高模具溫度。可以減小GF和模具的接觸阻力，讓GF和PA的流動速度差盡量減小，并且讓PA流動時(shí)的中間層盡量變厚，兩邊的殼層盡量變薄；

（4）降低計(jì)量段的溫度，減少熔體量，使PA和GF分離的可能性盡量降低；

（5）適當(dāng)提高螺桿剪切力；

（6）整個(gè)螺桿回縮1～2mm，防止?jié)部诟±w；

（7）可以加入0.3%～0.6%的硅酮和0.5%～0.8%的表面活性劑；

（8）建議加入適量的偶聯(lián)劑。

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2 碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

碳纖維（CF）是一種兼具碳材料的高強(qiáng)度和纖維柔軟可加工性的新材料，是新一代的增強(qiáng)纖維。國外聚丙烯腈（PAN）基碳纖維的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，起初，CF主要用于軍工和航天航空領(lǐng)域。經(jīng)過近50年的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域正在向工業(yè)領(lǐng)域和普通民用領(lǐng)域擴(kuò)大。我國20世紀(jì)80年代開始研究CF，進(jìn)入21世紀(jì)以來發(fā)展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進(jìn)了200t／a的PAN基碳纖維生產(chǎn)裝置，使我國CF進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。

問：不阻燃的CF增強(qiáng)PA6復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為240MPa，阻燃級別為V－0級的CF增強(qiáng)PA6復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為220MPa。但采用同樣的CF增強(qiáng)PA66，其拉伸強(qiáng)度只有190MPa，彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度也比PA6差，請問這是什么原因造成的？

答：可能的原因及解決方案主要有以下幾種：

（1）調(diào)整一下螺桿組合，PA66對溫度比較敏感，在螺桿組合調(diào)整時(shí)需要注意這點(diǎn)，不要剪切過強(qiáng)；

（2）纖維類型（主要指浸潤劑）對產(chǎn)品性能也有一定的影響；

（3）注射成型的背壓不能太大；

（4）同樣的螺桿組合，CF相對GF更容易被剪斷，且PA66的黏度要比PA6高，所受到的剪切力也會提高，所以PA66的強(qiáng)度會差一點(diǎn)。

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問：在PP／滑石粉復(fù)合材料中，加入1%的短切CF，要求注射成型制品的表面均勻分布，CF如何加入才能實(shí)現(xiàn)？

答：（1）不能通過直接喂料口進(jìn)行喂料，必須采用側(cè)喂料的方式；

（2）螺桿設(shè)計(jì)上要進(jìn)行特殊處理，以解決團(tuán)聚的問題。

（問題和解決方案來自“中塑互聯(lián)，http：／／bbs.ourplas.cn”網(wǎng)友beyond、sxqqq、liuswu、xiuhu、thinkpad33、joker850203等）

問：采用雙螺桿擠出機(jī)制備PA6／CF復(fù)合材料時(shí)，一般會出現(xiàn)浮纖或力學(xué)性能不理想的問題，如何進(jìn)行改善？

答：需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）加工前，需要采用硅烷偶聯(lián)劑對CF進(jìn)行處理；

（2）雙螺桿擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速應(yīng)該在60r／min左右；轉(zhuǎn)速太快，剪切力大，雖然混料越均勻，但強(qiáng)剪切力對CF的長度破壞較大；CF越長，增強(qiáng)復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能越高；

（3）雙螺桿擠出機(jī)的加工溫度應(yīng)該在230～240℃；溫度過低，PA6無法被剪切熔融；溫度過高，則會使PA6變得太稀薄，不利于CF在復(fù)合材料中的分散；溫度繼續(xù)升高還可能會使PA6發(fā)生降解，進(jìn)而導(dǎo)致性能降低。

（問題和解決方案來自“中塑互聯(lián)，http：／／bbs.ourplas.cn”網(wǎng)友zgf＿freedom、光輝歲月、胡胡子、zfn320、liucilin、cxx19627、polygfz、hzwzw、alan、高山流水等）