前言
復合材料根據樹脂基體材料不同，分為金屬基復合材料、無機非金屬基復合材料和樹脂基復合材料三大類。樹脂基復合材料又分為熱固性復合材料和熱塑性復合材料（FRTP）兩類。熱塑性復合材料是指以熱塑性樹脂為基體，以各種纖維為增強材料而制成的復合材料。如PP、PA66、PA6、PBT等都屬于熱塑性樹脂。
玻璃纖維增強熱塑性復合材料（熱塑性玻璃鋼）作為FRTP中的一大類，具有密度小、強度高，熱塑性好，耐化學腐蝕，電性能優異，加工性能好等優點，其應用領域十分廣泛，主要用于航天航空、汽車制造工業、船舶工業、化工防腐、電子工業及建筑工程等。而短切玻璃纖維增強FRTP作為熱塑性玻璃鋼中的一大類，得到了很快的發展和廣泛的應用。
1 生產工藝
短切纖維增強FRTP是將玻璃纖維（長0.2~7mm）均勻地分布在熱塑性樹脂基體中的一種復合材料，其生產工藝一般都要經過造粒和成型兩個過程。
1.1 粒料生產工藝
粒料生產方法有三種，分別是短切纖維原絲單螺桿擠出法、單螺桿排氣式擠出機回擠造粒法、排氣式雙螺桿擠出機造粒法。本文主要介紹第三種方法。
粒料生產方法有三種，分別是短切纖維原絲單螺桿擠出法、單螺桿排氣式擠出機回擠造粒法、排氣式雙螺桿擠出機造粒法。本文主要介紹第三種方法。
排氣式雙螺桿擠出機造粒法根據加料方式的不同，可分為兩種造粒法。一種是將樹脂和短切后的玻璃纖維分別加入排氣式雙螺桿擠出機的兩個加料漏斗，通過送料螺桿將樹脂和纖維一起送入料筒內，在料筒內纖維和樹脂混合均勻，經過排氣段除去混料中的揮發性物質，進一步塑煉后經口模擠出料條，再經冷卻、干燥，然后切成粒料，俗稱為短纖法。
另一種方法是將樹脂和纖維（常為合股紗）分別加入排氣式雙螺桿擠出機的樹脂加料漏斗和進絲口，玻璃纖維被左旋螺桿及捏合裝置所破碎，后面的工藝與短切法相同，俗稱為長纖法。粒料中的玻纖含量，前一種方法可由送料螺桿的轉速來控制；后一種方法可由調整送入擠出機的玻纖股數和料筒內的螺桿轉速來控制。雙螺桿擠出機能有效地使樹脂充分塑化，并與纖維均勻復合。其工藝如下圖1—1和圖1—2。
1.2 注射成型工藝
注射成型是樹脂基復合材料生產中的一種重要成
型方法，它適用于熱塑性和熱固性復合材料，但以熱塑性復合材料最廣。FRTP的注射成型過程主要產生物理變化。增強粒料在注射機的料筒內加熱熔化至粘流態，以高壓迅速注入溫度較低的閉合模內，經過一段時間冷卻，使物料在保持模腔形狀的情況下恢復到玻璃態，然后開模取出制品。這一過程主要是加熱、冷卻過程，物料不發生化學變化。
注射成型周期短，熱耗量少，產品質量好，可使形狀復雜的產品一次成型，而且生產效率高，成本低，只是對模具的要求高，也不能用于長纖維增強的產品。
型方法，它適用于熱塑性和熱固性復合材料，但以熱塑性復合材料最廣。FRTP的注射成型過程主要產生物理變化。增強粒料在注射機的料筒內加熱熔化至粘流態，以高壓迅速注入溫度較低的閉合模內，經過一段時間冷卻，使物料在保持模腔形狀的情況下恢復到玻璃態，然后開模取出制品。這一過程主要是加熱、冷卻過程，物料不發生化學變化。
注射成型過程如圖1-3所示。
注射成型周期短，熱耗量少，產品質量好，可使形狀復雜的產品一次成型，而且生產效率高，成本低，只是對模具的要求高，也不能用于長纖維增強的產品。
2 影響成型制品性能的因素
短切玻纖增強FRTP的性能與許多因素有關。
以下主要介紹幾種常見的影響因素對其力學性能的影響。
2.1 纖維含量的影響
各種樹脂品種對短切玻纖增強FRTP的最佳纖維含量是不同的，增強尼龍的最佳含量為30%左右，增強聚甲醛的最佳玻纖含量則為20%左右。表2-1為玻璃纖維含量對增強PA66性能的影響。從表中看出，玻璃纖維含量從20%增大到55%，力學性能都在不斷的增加。玻纖含量在40%~55%之間時，力學性能變化很緩慢。當玻纖含量超過60%時，力學性能反而降低，這是因為含量過多，成型過程中纖維磨損嚴重，反而會導致纖維喪失增強作用。當纖維含量過少時，其拉伸強度和沖擊
強度都會下將。
玻璃纖維直徑對短切纖維增強FRTP的性能影響是一個復雜的問題，表2-2為纖維直徑對尼龍復合材料的影響。一般來講，纖維直徑越細，強度越高。但是若纖維直徑太小，將會增加生產的難度，而且細纖維用在復合材料中，弱界面也會隨之增加，加工過程中的纖維磨損嚴重，強度損失也較大。在實際生產中，通常有7μm、10μm、10.5μm、13μm。
關系著纖維與樹脂的結合，進而大大地影響了FRTP的力學性能。表2-3是玻璃纖維經不同浸潤劑處理后增強同一種樹脂后的力學性能。
各種樹脂品種對短切玻纖增強FRTP的最佳纖維含量是不同的，增強尼龍的最佳含量為30%左右，增強聚甲醛的最佳玻纖含量則為20%左右。表2-1為玻璃纖維含量對增強PA66性能的影響。從表中看出，玻璃纖維含量從20%增大到55%，力學性能都在不斷的增加。玻纖含量在40%~55%之間時，力學性能變化很緩慢。當玻纖含量超過60%時，力學性能反而降低，這是因為含量過多，成型過程中纖維磨損嚴重，反而會導致纖維喪失增強作用。當纖維含量過少時，其拉伸強度和沖擊
強度都會下將。
表2-1 同一種短切纖維ECS301HP-3增強尼龍66時纖維含量對力學性能的影響
|
測試項目
|
20%
|
30%
|
40%
|
45%
|
50%
|
55%
|
60%
|
65%
|
|
拉伸強度/MPa
|
138.70
|
189.99
|
200.11
|
225.81
|
228.26
|
246.25
|
242
|
222.71
|
|
伸長率(%)
|
15.04
|
11.53
|
15.30
|
14.52
|
15.75
|
14.30
|
18.59
|
14.00
|
|
彎曲強度/MPa
|
206.37
|
286.53
|
293.89
|
336.70
|
334.48
|
363.91
|
349.26
|
319.71
|
|
彎曲模量/GPa
|
5.06
|
7.13
|
8.17
|
10.38
|
11.63
|
13.63
|
13.63
|
15.75
|
|
缺口沖擊KJ/M2
|
9.24
|
16.74
|
16.17
|
21,87
|
18.03
|
20.22
|
19.75
|
22.02
|
|
無缺口沖擊KJ/ M2
|
48
|
85.75
|
101.75
|
107.50
|
100.5
|
105.75
|
94.75
|
70.25
|
2.1 纖維質量的影響
2.2.1 纖維直徑對性能的影響
2-2 不同纖維直徑對尼龍玻璃鋼性能的影響
|
纖維名稱
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
|
直徑/μm
|
10.5
|
11
|
13
|
15
|
17
|
|
GF(%)
|
31.69
|
32.31
|
33.09
|
33.04
|
30.89
|
|
拉伸強度/MPa
|
172.75
|
178.09
|
176.62
|
169.59
|
163.28
|
|
伸長率(%)
|
10.14
|
11.26
|
11.32
|
10.73
|
10.68
|
|
彎曲強度/ MPa
|
265.01
|
249.78
|
251.65
|
236.83
|
238.85
|
|
彎曲模量/GPa
|
7.60
|
6.71
|
6.86
|
6.82
|
6.80
|
|
缺口沖擊/KJ/M2
|
18.46
|
16.88
|
18.61
|
17.59
|
18.03
|
|
無缺口沖擊KJ/M2
|
93.000
|
82.25
|
82
|
63.75
|
54.5
|
|
綜合比較（以10.5un為基準）
|
100
|
94.30
|
96.54
|
87.84
|
85.22
|
2.2.2 纖維長度和分散狀態對性能的影響
纖維長度對FRTP性能影響很大，在保證纖維均勻分布的前提下，一般規律是纖維越長，制成的制品強度越高。實驗證明，當玻璃纖維長度小于0.04mm時，纖維不起增強作用。相反，如果FRTP內纖維長度太長，樹脂與纖維的結合將會受到影響，從而影響FRTP的強度。
纖維在制品中的分散狀況對制品性能的影響用不同的浸潤劑對玻璃纖維進行處理（通過在拉絲過程中進行涂覆）。浸潤劑在玻璃纖維表面形成一層保護膜，它影響著纖維在樹脂中的分散狀況，也很大。一般來講，纖維分散越均勻，機械強度就越好，彈性模量也有明顯的增加。
2.2.3 玻璃纖維表面處理對FRTP性能的影響
玻璃纖維表面處理情況直接關系著FRTP的外觀和力學性能。處理纖維表面用浸潤劑中包括偶聯劑、成膜劑、潤滑劑、潤濕劑、抗靜電劑、消泡劑等。根據玻璃纖維用以增強不同的樹脂關系著纖維與樹脂的結合，進而大大地影響了FRTP的力學性能。表2-3是玻璃纖維經不同浸潤劑處理后增強同一種樹脂后的力學性能。
表2-3 增強尼龍66后的性能對比
|
項目
|
ECS301HP-3
|
ECS301CL-3
|
ECS306-3
|
|
GF(%)
|
33.02
|
33.22
|
33.35
|
|
拉伸強度/MPa
|
206.25
|
204.55
|
186.08
|
|
伸長率(%)
|
17.36
|
14.99
|
12.55
|
|
彎曲強度/MPa
|
289.69
|
295.23
|
253.56
|
|
彎曲模量/GPa
|
7.84
|
8.06
|
6.94
|
|
缺口沖擊/ KJ/M2
|
12.87
|
15.33
|
19.20
|
|
無缺口沖擊/ KJ/M2
|
82.25
|
85.00
|
98.25
|
3 結束語
短切玻璃纖維增強FRTP作為玻纖行業下游企業的一大方向，在材料體系中是不可替代的一個重要組成部分，因此掌握該類材料的成型工藝及其影響質量的有關因素是非常重要的。
魯ICP備2021047099號