成型短纖維增強聚合物的實用技巧

文/Avient公司 Zachary Alderman

短纖維增強材料與非增強材料之間最顯著的區別主要體現在加工方面，這主要是由纖維引起的材料性能和成型行為的變化而導致的。本文將主要介紹成型短纖維增強聚合物時需要考慮的因素，以及一些實用技巧。

短玻璃纖維或碳纖維增強材料幾乎可用于任何基礎聚合物中，從而創造一種擁有更高強度/重量比和力學性能的配混料，如更好的剛度和耐磨性能。強度的提高是由于較弱的聚合物將載荷應力傳遞給較強的增強纖維而導致的。在體育用品和海洋基礎設施等行業中，堅固、輕質且無腐蝕的玻璃纖維或碳纖維復合材料是用于取代金屬以及適合高要求應用的最佳選項。

短纖維增強聚合物雖然用途廣泛，但也存在一些問題。由于纖維會產生紋理（這在尼龍如PA6 和PA66 中尤為明顯），因此它們可能不適用于要求富含樹脂的表面和光滑的外觀應用。此外，由于纖維不吸收著色劑，因而會對部件外觀帶來不利影響或使之受限。使用碳纖維時，還會形成一種斑駁的外觀，為掩蓋這種效果，對部件的顏色選擇通常僅限于深灰色和黑色。

然而，短纖維增強材料與非增強材料之間最顯著的區別主要體現在加工方面，這主要是由纖維引起的材料性能和成型行為的變化而導致的。因此，本文將主要介紹成型短纖維增強聚合物時需要考慮的因素，以及一些實用技巧。

短纖維概述

短纖維增強聚合物是采用配混擠出機對短切纖維和樹脂進行熔融混合后被生產出來的，其中，玻璃纖維的長度通常為5 mm，碳纖維的長度通常為6 mm。這些配混好的材料隨后被擠成條狀，然后制成顆粒。與之不同的是，生產長纖維增強聚合物的工藝是先采用拉擠法生產出連續的纖維粗紗，然后將粗紗切成所需的長度。由于短纖維配混料的生產工藝相對簡單，所以它們通常比長纖維配混料要便宜。

在短纖維類別中，玻璃纖維比碳纖維便宜，這是因為碳纖維的生產成本高，所以價格更高。碳纖維的確具有更加卓越的力學性能，其剛性是玻璃纖維的4～5倍，這就是為什么在要求減重的應用場景中碳纖維通常是金屬替代的首選。

玻璃纖維的重量百分比（最高60%）要比碳纖維的重量百分比（最高50%）高，但這兩種最高的纖維重量百分比最終會壓倒樹脂基體，導致性能下降。高的纖維重量百分比廣泛地適用于應用廣泛的樹脂，如聚丙烯（PP）和尼龍（聚酰胺或PA）。而包括高溫樹脂在內的一些樹脂卻只能承受較低的纖維重量百分比，否則性能會下降。

短纖維增強聚合物適用于注射成型、模壓成型和擠出。半結晶材料得到增強的普遍性要比無定形聚合物的大，部分原因是，纖維對無定形樹脂力學性能的提升通常是有限的。可以用短纖維來進行增強的普通基礎樹脂包括尼龍、聚烯烴及工程熱塑性塑料。

考慮收縮

成型未改性樹脂與成型短纖維增強配混料之間的一個主要區別是收縮行為。雖然短纖維是隨機分布在粒料之中，但是，當粒料在成型過程中熔化時，其中的纖維會在充模過程中沿流動方向平行排列。冷卻過程中，纖維在流動方向抵抗收縮，但允許橫向收縮，這種各向異性的收縮會導致翹曲變形。纖維含量越高以及（或）部件長度越長，變形的風險就越大。相比之下，未增強的聚合物通常是在兩個方向上均勻收縮。

雖然可以將為成型未增強樹脂而設計的模具用于纖維增強材料，但通常需要改變加工參數，比如，較冷的模具會凍結纖維方向而不允許有過多的收縮，從而減少了翹曲，模具溫度較低還允許部件更快地脫模而不會在頂出時產生變形。而加工后當部件遭受升溫時，會出現例外的定向凝固過程，更高的溫度會使聚合物鏈松弛，這可能導致成型后的翹曲行為。

冷卻過程中出現翹曲或變形，這在薄壁部件中很常見,但厚壁部件也不能幸免。當然，冷卻過程中的收縮是必要的，以便使部件能夠從模具中頂出。這種必要的冷卻只有在收縮不一致或意外時才會產生問題。有時可以在部件設計中將翹曲問題考慮進來，一種方法是在模具中加入“偏差”或反向變形，這樣，當翹曲發生時，最終部件的形狀就會得到修正。或者，讓部件在熱模中多停留一段時間，這將使聚合物鏈松弛，從而有助于減少翹曲，同時還能借助模具來保持部件的形狀。但是，成型商們可能不會選擇這種方法，因為會增加循環時間。

模具材料和模具設計

由于增強纖維具有磨損性，因此會隨著時間的推移而損壞模具的表面。分布于整個粒料中的短纖維，其末端就像針一樣，從不同的角度撞擊模具鋼。出乎意料的是，作用在工具鋼上的短纖維要比長纖維更具磨損性，這是因為，相同重量百分比的長纖維要比短纖維的末端少。

因此，在加工短纖維增強材料時，建議使用硬度較高的模具鋼，如H-13 鉻鉬熱加工鋼，或P-20低合金鋼。此外，在型腔表面添加某種類型的電鍍硬化層也是明智的。

設計模具時，建議采用開放性（弧形）的流道，以避免可能破壞纖維的90°角，同時，還應避免沒有圓角或半徑的90°急轉彎。此外，使用全圓形流道可以消除死流區或塑料的凝固層不允許充分流動的區域，所有其他形狀的流道都在這些區域中。

澆口應位于不干擾纖維取向的區域，這對優化強度和剛度至關重要。澆口的理想位置是在部件的末端，而未經改性的塑料經常使用的技術則與之相反，其澆口可能位于部件的中央以平衡填充。此外，澆口應大一些（避免針式澆口），以適應纖維增強樹脂的較高粘度并確保完全填滿模具。推薦的澆口類型包括扇形澆口、直澆口和側澆口。

另一個需要考慮的重點是熔接線。加入玻璃纖維會降低熔接線的強度，因為纖維無法穿過交叉的流體前鋒并在流體前鋒相遇處提供強度。如果它們只是簡單地互相碰撞而不混合在一起，那么力學性能將只限于樹脂基體的性能。而且纖維含量越高，可以在熔接線處纏繞的聚合物鏈就越少。

雖然還有許多其他因素影響到熔接線的強弱，但澆口依然起著關鍵作用。澆口的放置應小心設置，以避免在關鍵的結構點處形成熔接線，比如部件在使用過程中容易產生高應力的區域。澆口的位置應該使兩個流體前鋒易于熔合并流過熔接線。

成型設備

為了盡量減少纖維斷裂，再考慮到纖維含量高的材料擁有較高的粘度，通常需要對成型設備作一些調整，比如，大于正常尺寸的噴嘴孔（17.78/81.28 cm 或22.86/81.28 cm）可以確保材料的流動不受限制。對于纖維增強材料而言，最好是采用倒錐形噴嘴，因為倒錐形噴嘴沒有通用噴嘴那樣的限制因素，有助于減少作用在材料上的剪切力。剪切力低有助于保持纖維長度，防止纖維變成粉末，同時還有助于減少因過熱而導致聚合物降解的可能。

另一種降低剪切力的方法是使用低壓螺桿，它以較低的速率（50～199 r/min）轉動，背壓也較低（3.5～14 kg/cm2）。

扁平螺桿在噴嘴處產生的溫度最高，其為螺桿機筒的5 個熱區帶來的溫差也較小，或者說，反向螺桿的最熱區就在進料位置。這種反向剖面設計的螺桿有時還被用于加工長纖維增強復合材料，它使得聚合物的熔化依靠的是熱量而不是螺桿轉動產生的剪切力，因為剪切力會導致纖維磨損。此外，當噴嘴處出現過度垂涎時，也可使用這種螺桿。

部件設計

與加工一樣，部件的設計對于充分發揮短纖維增強材料的優點以及規避其缺點至關重要，其中需要考慮的因素包括壁厚。壁厚太薄可能會在填充過程中增加剪切力并引起纖維斷裂，也會使纖維在成品部件中更加顯而易見，因此，建議壁厚不應小于0.762 mm，尤其是擁有較長流動長度的部件。

短纖維增強材料的前景

纖維增強聚合物配混料的市場巨大且在不斷增長。基于交通運輸、電氣、電子、風能、管道和油箱等行業的巨大需求，估計有1/3 的聚合物是與纖維和（或）其他的粒狀增強添加劑進行配混的。預計2019～2024 年，碳纖維增強復合材料將以8% 以上的平均速度增長，其中，航空和汽車工業對碳纖維增強材料用量的增加是一個主要推動因素，但高成本和有限的產量卻阻礙了收益率的增加。

短纖維增強材料的普及使得很多成型商可以使用這些材料。一開始，他們可以在現有設備上采用標準參數來對這些材料進行加工。如果目標是為了提高力學性能，那么他們會獲得滿意的結果。希望本文的建議能夠為加工商們優化部件的強度和剛度提供幫助。