短切纖維不同短切長度在熱塑性復(fù)合材料中應(yīng)用研究

周長汶，咸家玉，王培毅，楊 坤

（泰山玻璃纖維有限公司，泰安 271000）

0 前言

玻璃纖維具有高抗拉強(qiáng)度、電絕緣性優(yōu)良、成本低等特性，因而廣泛應(yīng)用于熱塑性樹脂的改性領(lǐng)域，賦予其高比強(qiáng)度、耐醇解等方面的優(yōu)異性能［1，2］。當(dāng)前玻纖改性熱塑性樹脂基體以PA、PP及熱塑性聚酯（PET、PBT）為主，玻纖用量一般在20%～50%左右。隨著應(yīng)用需求的不斷提高，已拓展至PEEK、LCP等特種樹脂領(lǐng)域［3-5］。

短切玻璃纖維對(duì)熱塑樹脂的增強(qiáng)機(jī)理，除玻纖-樹脂的界面結(jié)合性、樹脂中的玻纖保留長度、加工成型工藝外［6，7］，短切玻璃纖維使用時(shí)的喂料穩(wěn)定性亦為不可忽視的要素。喂料穩(wěn)定性對(duì)短切玻璃纖維集束性提出較高的要求，可歸結(jié)于配方設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程等因素；當(dāng)前行業(yè)內(nèi)各類短切玻纖的浸潤劑配方基本固定，配方的改進(jìn)研發(fā)可能因時(shí)耗長、涉及產(chǎn)品變化及供貨驗(yàn)證等環(huán)節(jié)而需謹(jǐn)慎進(jìn)行，因此重點(diǎn)關(guān)注短切玻璃纖維生產(chǎn)工藝改進(jìn)，可縮短改進(jìn)時(shí)耗、減少相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合短切玻璃纖維生產(chǎn)流程特性，設(shè)計(jì)不同長度的短切玻纖原絲，探究長度變化所帶來的短切玻纖工藝性、復(fù)合材料性能等影響，為短切玻纖產(chǎn)品優(yōu)化、改進(jìn)喂料穩(wěn)定性提供參考方案。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

PA66樹脂，EPR27型，河南神馬尼龍化工有限公司；

短切玻璃纖維T435N，纖維直徑10μm，泰山玻璃纖維有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：ZE25A-39D型，德國克勞斯瑪菲機(jī)械公司；

熔融指數(shù)測(cè)試儀：RL-Z1B1型，上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司；

注塑機(jī)：HTF86XB-YFT型，寧波海天注塑機(jī)械有限公司；

電子萬能試驗(yàn)機(jī)：E44.304型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：E21.251型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）公司。

1.3 試樣制備

將PA66、短切玻纖及其他助劑按比例加入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出造粒，然后用注塑機(jī)注射成樣條，具體工藝參數(shù)如表1所示：

表1 T435N/PA66復(fù)合材料試樣制備工藝條件

1.4 性能指標(biāo)測(cè)試

1.4.1 玻璃纖維指標(biāo)性能

容重：參考JC/7896-2002《玻璃纖維短切原絲》標(biāo)準(zhǔn)，將玻纖充滿已知體積的容器并稱重，用玻纖的質(zhì)量除以容器的體積即得容重，單位：g/cm3；

流動(dòng)性指數(shù)：將玻纖充滿固定容器中，玻纖從容器底部自然流出，記錄玻纖質(zhì)量及完全流出容器的時(shí)間，以玻纖質(zhì)量除以完全流出的時(shí)間即得流動(dòng)性指數(shù)，單位：kg/s；

細(xì)絲量、顆粒度：取一定質(zhì)量的玻纖置于帶有不同孔徑的組合標(biāo)準(zhǔn)篩中，在篩分機(jī)上震動(dòng)，固定時(shí)間后計(jì)算底盤、最大孔徑篩面上的纖維束含量稱為細(xì)絲量（纖維束寬度≤0.5 mm）、顆粒度，單位：%。

1.4.2 玻纖復(fù)合材料性能

拉伸強(qiáng)度：按照ASTM D638-14《塑料拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》檢測(cè)，每種試樣重復(fù)5次，取平均值；

彎曲強(qiáng)度：按照ASTM D790-17《未增強(qiáng)塑料和增強(qiáng)塑料及電絕緣材料彎曲性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》檢測(cè)，每種試樣重復(fù)5次，取平均值；

沖擊強(qiáng)度：按照ASTM D256-10《測(cè)定塑料抗懸臂梁擺錘沖擊強(qiáng)度的試驗(yàn)方法》檢測(cè)，每種試樣重復(fù)5次，取平均值；

熔融指數(shù)：按照ASTM D1238-10《用擠壓式塑性計(jì)測(cè)定熱塑塑料熔體流動(dòng)速率的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》檢測(cè)，每種試樣重復(fù)5次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同玻纖長度對(duì)T435N玻纖指標(biāo)的影響

由表2可知，T435N玻纖長度由3.0 mm增至4.5 mm時(shí)，其容重、流動(dòng)指數(shù)在0.72～0.75 g/cm3及0.90～0.97 kg/s之間，數(shù)據(jù)略有下降，但較穩(wěn)定；這是因?yàn)椴＠w長度增加，纖維束的間隙增加，流動(dòng)過程中出現(xiàn)“搭橋”的情況，堆積密實(shí)性降低，因此固定體積內(nèi)的填充量、玻纖流動(dòng)性降低；為增加短切的玻纖長度，會(huì)通過減少短切刀具的刀片數(shù)量以增加間隙，因此上述刀具在短切固定長度的連續(xù)原絲時(shí)，該段原絲的切割受力點(diǎn)會(huì)減少，即對(duì)原絲的破壞會(huì)降低，對(duì)應(yīng)最終的短切玻纖纖維束分叉少、完整性更好，最終體現(xiàn)在細(xì)絲量的降低。玻纖長度由4.5 mm增至6.0 mm時(shí)，玻纖自身細(xì)絲量由0.85%降低至0.15%，但對(duì)應(yīng)容重、流動(dòng)指數(shù)亦有13%、23%降幅，對(duì)于玻纖的使用過程的穩(wěn)定性可能產(chǎn)生影響。

表2 不同玻纖長度T435N玻纖指標(biāo)

因熱塑短切玻纖采取濕態(tài)連續(xù)原絲經(jīng)刀具短切、烘爐流化床烘干的生產(chǎn)模式，其中濕態(tài)短切玻纖在流化床表面震動(dòng)前進(jìn)，該過程中濕態(tài)玻纖存在相互疊加、碰撞，最終經(jīng)烘干、成膜后形成一定的纖維束粘連物。纖維束粘連物含量對(duì)玻纖喂料及在樹脂中的分散性也有一定影響，這里以篩分檢測(cè)時(shí)最小目數(shù)篩網(wǎng)收集的玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行表征（即顆粒度）。由圖1的顆粒度趨勢(shì)線可知：玻纖長度由3.0 mm增加至3.5 mm時(shí)，顆粒度波動(dòng)明顯穩(wěn)定，玻纖長度繼續(xù)增加至4.5 mm時(shí)，顆粒度整體變高但波動(dòng)性依舊較小；對(duì)上圖中比不同長度T435N玻纖狀態(tài)及最小目數(shù)篩網(wǎng)收集粘連物情況可發(fā)現(xiàn)：玻纖長度增加至3.5 mm/4.5 mm時(shí)，玻纖纖維束均勻性、纖維束間差異性明顯降低，對(duì)應(yīng)纖維束寬度、對(duì)應(yīng)粘連物增加；而玻纖長度由4.5 mm增至6.0 mm時(shí)，玻纖使用相同條件篩分，其最大孔徑篩網(wǎng)收集物與玻纖自身基本無差異且質(zhì)量分?jǐn)?shù)（80%～85%）明顯高于其他玻纖長度的玻纖，玻纖纖維束開叉進(jìn)一步減少，對(duì)應(yīng)集束性達(dá)到最好。

圖1 不同玻纖長度對(duì)T435N玻纖實(shí)物及顆粒度的影響

綜上所述，增加玻纖長度時(shí)在提高玻纖集束性的同時(shí)，其對(duì)應(yīng)容重、玻纖流動(dòng)性等指標(biāo)也會(huì)發(fā)生變化，可能對(duì)玻纖使用穩(wěn)定性造成一定影響。

2.2 玻纖長度對(duì)T435N/PA66復(fù)合材料性能影響

為驗(yàn)證玻纖長度變化對(duì)復(fù)合材料性能產(chǎn)生的影響，現(xiàn)選定玻纖長度、纖維用量為變量因素，探究T435N/PA66復(fù)合材料性能變化。結(jié)合文獻(xiàn)分析及行業(yè)內(nèi)PA類玻纖應(yīng)用情況，玻纖用量分別選擇30%、50%：

由圖2可知，30%纖維用量T435N/PA66復(fù)合材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度隨使用玻纖的長度增加，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分別在193～195 MPa及299～303 MPa之間，另外復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度、熔融指數(shù)（熔融指數(shù)測(cè)試條件2.16 kg載荷/275℃）分別在11～12 MPa、32～33 g /10 min，整體力學(xué)、熔體流動(dòng)性能無明顯變化，纖維用量50%的復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)亦有類似趨勢(shì)。除復(fù)合材料力學(xué)性能外，我們還對(duì)上述2組復(fù)合材料的纖維含量及纖維保留長度進(jìn)行分析：30%/50%玻纖用量復(fù)合材料纖維含量檢測(cè)值較穩(wěn)定（29%～30%、49%～50%），對(duì)應(yīng)纖維保留長度均在0.31～0.34 mm之間，與復(fù)合材料力學(xué)性能趨勢(shì)基本一致。

圖2 不同玻纖長度下T435N/PA66復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度（30%玻纖用量）

圖3 不同玻纖長度下T435N/PA66復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度及熔體流動(dòng)指數(shù)（30%玻纖用量）

圖4 不同玻纖長度下T435N/PA66復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度（50%玻纖用量）

圖5 不同玻纖長度下T435N/PA66復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度及熔體流動(dòng)指數(shù)（50%玻纖用量）

因此可以得出：當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室條件下，使用3.0～6.0 mm的T435N，其PA66復(fù)合材料性能并不受影響。

3 結(jié)論

（1）隨玻纖長度增加，T435N玻纖的細(xì)絲量降低，集束性逐步提高；當(dāng)玻纖長度由3.0 mm增加至4.5 mm時(shí)，其容重、流動(dòng)性指標(biāo)整體平穩(wěn)、略有下行，而玻纖長度繼續(xù)增加至6.0 mm時(shí)，其容重、流動(dòng)性指標(biāo)分別出現(xiàn)13%、23%的明顯降幅；

（2）當(dāng)前驗(yàn)證條件下，T435N玻纖長度變化并不影響其復(fù)合材料的性能，但結(jié)合玻纖長度增加帶來的玻纖自身性能的變化，我們認(rèn)為本次試驗(yàn)中玻纖長度增加至3.5～4.5 mm時(shí)，能使玻纖集束性及使用穩(wěn)定性達(dá)到最佳。