成型長纖維增強(qiáng)聚合物的實(shí)用技巧

文/ Avient公司 Gordy Nagle

本文將介紹加工長纖維增強(qiáng)聚合物的基本原理和最佳實(shí)踐，包括保持纖維長度的實(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)聚合物的基本原理和最佳實(shí)踐，包括保持纖維長度的實(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(huì)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(jì)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(qiáng)塑料不同，長纖維增強(qiáng)材料通常是采用拉擠法來制造。這項(xiàng)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(qiáng)為特色，這個(gè)長度對于使聚合物能夠有效地將應(yīng)力傳遞給較強(qiáng)的纖維至關(guān)重要。

當(dāng)這些粒料被用于注射成型時(shí)，長纖維排列并緊密纏繞，形成一個(gè)內(nèi)部骨架，以提供強(qiáng)度和韌性。相比短纖維填充的材料，采用長纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(jià)值，因?yàn)樗鼈儽蠕撦p70%，比鋁輕40%，因此，長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可被用于制造汽車、體育用品、航空、消費(fèi)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(qiáng)，但只有一些能提供更高的性能，因?yàn)樗鼈兡芨玫氐玫皆鰪?qiáng)。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(qiáng)，也就是說它們的剛度和強(qiáng)度會(huì)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(dá)60%，長碳纖維的含量最高可達(dá)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(qiáng)材料的加工要點(diǎn)

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(qiáng)復(fù)合材料對模具、澆口、成型設(shè)備和部件設(shè)計(jì)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(qiáng)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。可能導(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(huì)導(dǎo)致這一問題。為保持纖維長度，需要注意3 個(gè)關(guān)鍵加工要點(diǎn)：

1.模具材料及設(shè)計(jì)

雖然長纖維對模具的磨損要比短纖維小，這是因?yàn)閷δ＞哂杏绊懙尼槧罾w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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行翻新。如果為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)而必須生產(chǎn)原型，甚至可以使用鋁模。

模具設(shè)計(jì)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(qiáng)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(huì)阻止流動(dòng)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(qiáng)復(fù)合材料需要排放的氣體量是非增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)熱塑性塑料，只需作一些非永久性的改進(jìn)就能保護(hù)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(dòng)的帶有止回環(huán)的低壓或通用型的螺桿。可以使用一般用途的噴嘴，但應(yīng)避免使用尼龍噴嘴，因?yàn)樗鼈兊纳陈┬螤睿榉乐勾瓜讯O(shè)計(jì)）會(huì)限制流動(dòng)，造成剪切，導(dǎo)致纖維磨損。另一個(gè)減少剪切的建議是避免倒錐形噴嘴的設(shè)計(jì)。一般來說，較大的噴嘴孔（最小5.6 mm）便于粘性的纖維增強(qiáng)樹脂的通過。

對于任何注射機(jī)來說，一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)法則是只注射60%～70%的量。過多的注射量會(huì)延長復(fù)位時(shí)間，而太少的注射量意味著材料在料筒中停留的時(shí)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(gè)問題：翹曲和蠕變。通常，長纖維增強(qiáng)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?yàn)殚L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(huì)變形，一個(gè)原因是纖維沿流動(dòng)方向排列，雖然增強(qiáng)了部件強(qiáng)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(jì)，以避免過多的纖維排列在不需要高強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料的蠕變變形不大，因?yàn)檩^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(qiáng)的纖維以減少蠕變，這是因?yàn)槔w維類似于骨架結(jié)構(gòu)，不會(huì)像聚合物鏈那樣容易彎曲或滑動(dòng)。抗蠕變性也是長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(qiáng)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?yàn)樘祭w維更輕，體積更大。為達(dá)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(diǎn)的熱量。要考慮的因素包括：

（1）干燥：對長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粒料進(jìn)行干燥時(shí)，應(yīng)采用除濕干燥機(jī)，并設(shè)置-40 ℃的露點(diǎn)。需要注意的是，即使是不吸濕的樹脂，表面也會(huì)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(shí)間和溫度。

（2）送料：帶有過濾器的氣動(dòng)系統(tǒng)更適合捕捉任何松散的纖維，防止它成塊進(jìn)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(qiáng)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(jī)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(gè)風(fēng)險(xiǎn)是使用含有破損纖維的粉碎回收料，它可能會(huì)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(shí)際上就是短纖維材料，因?yàn)槔w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?yàn)殚L纖維增強(qiáng)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(dòng)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(dá)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(jìn)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(gè)范圍內(nèi)向某個(gè)方向進(jìn)行調(diào)整。雖然每個(gè)加工商都希望盡可能縮短循環(huán)時(shí)間，但如果加工材料的方式會(huì)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(jì)

部件的設(shè)計(jì)應(yīng)能保護(hù)和維持纖維的長度，促使纖維沿材料流動(dòng)的方向排列，以此來優(yōu)化強(qiáng)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(huì)沿流動(dòng)方向排列。隨機(jī)的纖維取向或成球狀都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低。

推薦的最小壁厚是1.524 mm，促進(jìn)纖維排列的最佳壁厚是3.175 mm，壁厚大于5.08 mm 時(shí)纖維的排列開始減少，最大壁厚是12.7 mm。纖維增強(qiáng)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(qiáng)度的增加，纖維不會(huì)隨著部件變得更厚而在整個(gè)厚度方向上排列。

要避免設(shè)計(jì)出無加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)的極長且平的流動(dòng)長度，因?yàn)檫@更容易產(chǎn)生翹曲。而且，必須填充很長的部件時(shí)，長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高粘度會(huì)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(gè)結(jié)構(gòu)橋接時(shí)，可能會(huì)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(qiáng)度和韌性，而是完全依賴于基體樹脂的性能，這就是薄弱點(diǎn)。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(qiáng)復(fù)合材料，需要對適用于非增強(qiáng)樹脂和短纖維配混料的設(shè)計(jì)指南和加工參數(shù)作一些修改。為充分發(fā)揮長纖維增強(qiáng)材料的價(jià)值（因?yàn)榫哂懈咝阅埽猿杀颈任刺畛洳牧匣蚨汤w維增強(qiáng)材料更高），在整個(gè)加工過程中必須遵循最佳實(shí)踐。如果因不正確的處理、模具設(shè)計(jì)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(qiáng)度和高韌性優(yōu)勢將會(huì)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(shí)、抗沖擊且尺寸穩(wěn)定的部件。