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長纖維增強熱塑性塑料如何成型
長纖維增強熱塑性塑料(LFRT)正在被用于高機械性能的注塑成型應(yīng)用。雖然LFRT技術(shù)能夠提供良好的強度、剛度和沖擊性能，但這種材料的加工方法對于確定zui后部件能達到怎樣的性能起著重要的作用。
為了成功地成型LFRT，對它們一些*的特點進行了解十分必要。了解LFRT與常規(guī)增強熱塑性塑料之間的差異，推動了設(shè)備、設(shè)計和加工技術(shù)的發(fā)展，以發(fā)揮LFRT的zui大價值和潛力。
LFRT和傳統(tǒng)短切、短玻璃纖維增強復(fù)合物的區(qū)別在于纖維的長度。在LFRT中，纖維的長度和粒料的長度相同。這是由于大多數(shù)LFRT是通過拉擠成型工藝而不是剪切型配混來生產(chǎn)的。在LFRT制造中，玻璃纖維無捻粗紗的連續(xù)絲束先被拉入一個模頭中進行涂層和浸漬樹脂，從模頭出來后，這種連續(xù)的增強塑料條被短切或造粒，通常切至10~12mm的長度。相比之下，傳統(tǒng)的短玻纖復(fù)合物只包含長3~4mm的短切纖維，在剪切型擠出機中其長度會進一步減少至通常2mm不到。
圖LFRT通常通過一種拉擠工藝制備，用樹脂浸漬連續(xù)玻璃纖維束，然后把它們切割成長的粒料。玻纖長度等于粒料的長度。
LFRT粒料中的纖維長度有助于改進LFRT的機械性能——抗沖擊性或韌性增加，同時保持剛度。只要纖維在成型過程中保持長度，它們就會形成一個“內(nèi)部骨架”，提供超高的機械性能。然而，一個糟糕的成型過程會把長纖維產(chǎn)品變成短纖維材料。如果纖維的長度在成型過程中受到損害，則不可能獲得所需要的性能水平。
圖熱分解前后的注射成型件。淺色是樹脂燃燒掉后由長纖維形成的內(nèi)部骨架，該骨架保留了部件的形狀。為了在LFRT成型過程中保持纖維的長度，有三個重要方面需要考慮：注塑機、部件和模具設(shè)計以及加工條件。
01 設(shè)備注意事項
經(jīng)常被問到的一個有關(guān)LFRT加工的問題是：我們是否有可能利用現(xiàn)有的注塑設(shè)備來成型這些材料。在絕大多數(shù)的情況下，用于成型短纖維復(fù)合物的設(shè)備也可用于成型LFRT。雖然典型的短纖維成型設(shè)備對于大多數(shù)的LFRT部件和產(chǎn)品是滿足要求的，但對設(shè)備做一些改造可以更好幫助保持纖維的長度。
一根具有典型“進料—壓縮—計量”段的通用螺桿非常適用于該過程，而且通過降低計量段的壓縮比可以減少纖維破壞性的剪切。大約為2:1的計量段壓縮比對于LFRT產(chǎn)品是zui佳的。用特殊金屬合金制造螺桿、機筒和其他部件沒有必要，因為LFRT的磨損沒有傳統(tǒng)的短切玻璃纖維增強熱塑性塑料大。
另一件可能從設(shè)計審查中受益的設(shè)備是噴嘴尖梢。一些熱塑性材料用一種反向錐形噴嘴尖梢加工更容易，它可以在材料注入到模具型腔中時形成一種高度剪切。然而這種噴嘴尖梢會顯著降低長纖維復(fù)合材料的纖維長度。因此推薦使用一種100%“自由流動”設(shè)計的槽形噴嘴尖梢/閥組件，它使長纖維容易通過噴嘴進入部件中。此外，噴嘴和澆口孔的直徑應(yīng)該有5.5mm(0.250in)或以上的寬松尺寸，并且沒有鋒利的邊緣。重要的是要了解物料如何流過注塑設(shè)備，并確定剪切會使纖維破碎的地方。
圖采用“100%自由流動”設(shè)計的三件式螺桿尖梢和環(huán)形閥，可zui大限度地減少長纖維的斷裂。
02 部件與模具設(shè)計
好的部件和模具設(shè)計對保持LFRT的纖維長度也大有裨益。消除部分邊緣(包括肋線、凸臺和其他特征)周圍的尖角，可避免成型部件中不必要的應(yīng)力，并減少纖維磨損。部件應(yīng)采用壁厚均勻一致的標稱壁設(shè)計。壁厚上較大的變化會導(dǎo)致部件中不一致的填充和不需要的纖維取向。在必須較厚或較薄的地方，要避免壁厚的突然變化，以避免形成可能損壞纖維的高剪切區(qū)域，并成為應(yīng)力集中的源頭。通常試著把澆口開在較厚的壁中，并流向薄的部分，使填充末端保持在薄的部分。通用的好的塑料設(shè)計原則建議，保持壁厚低于4mm(0.160in)將促進良好均勻的流動并減少凹陷和空隙的可能性。對于LFRT復(fù)合物，zui佳的壁厚通常為3mm(0.120in)左右，zui小的厚度為2mm(0.080in)。壁厚小于2mm時，材料在進入模具后其纖維斷裂的概率增加。
部件只是設(shè)計中的一個方面，考慮材料如何進入模具也很重要。當流道和澆口引導(dǎo)物料進入型腔時，如果沒有正確的設(shè)計，大量的纖維破壞會發(fā)生在這些區(qū)域中。
當設(shè)計一個成型LFRT復(fù)合物的模具時，全圓角的流道是zui佳的，它的zui小直徑為5.5mm(0.250in)。除了全圓角流道，任何其他形式的流道都會有尖角，它們在成型過程中會增加應(yīng)力而破壞玻璃纖維的增強效果。具有開放澆道的熱流道系統(tǒng)是可以接受的。澆口的zui小厚度應(yīng)該有2mm(0.080in)。如果可能的話，沿著一條不阻礙物料流入型腔的邊緣定位澆口。部件表面的澆口將需要進行90°的轉(zhuǎn)動，以防止引發(fā)纖維斷裂而降低機械性能。zui后，要注意的熔合線的位置，并知道它們?nèi)绾斡绊懖考褂脮r承受載荷(或應(yīng)力)的區(qū)域。應(yīng)通過澆口的合理布局將熔合線移至應(yīng)力水平預(yù)計較低的區(qū)域。
計算機充模分析可以幫助確定這些熔合線將定位的地方。結(jié)構(gòu)有限元分析(FEA)可以用來對比高應(yīng)力的位置和在充模分析中確定的匯合線位置。應(yīng)該指出的是，這些部件和模具設(shè)計僅僅是建議。有很多部件的例子，它們具有薄壁、壁厚變化和精致或精細特征，利用LFRT復(fù)合物實現(xiàn)了良好的性能。然而，偏離這些建議越遠，就要花更多的時間和精力來確保實現(xiàn)長纖維技術(shù)的全部好處。
03 加工設(shè)計
加工條件是LFRT成功的關(guān)鍵。只要采用了正確的加工條件，就有可能使用通用注塑機和正確設(shè)計的模具制備好的LFRT部件。換句話說，即使有適當?shù)脑O(shè)備和模具設(shè)計，如果采用較差的加工條件，纖維長度也可能會受損。這就需要了解纖維在成型過程時將會遇到的情況，并且確定會引起纖維過度剪切的區(qū)域。
首先，要監(jiān)控背壓。高背壓引入對物料產(chǎn)生的巨大剪切力，將會降低纖維長度?？紤]從零背壓開始并且僅使它增加至使螺桿在喂料過程中均勻退回，采用1.5~2.5bar(20~50psi)的背壓通常足以獲得一致的喂料。
高的螺桿轉(zhuǎn)速也有不利的影響。螺桿旋轉(zhuǎn)越快，固體和未熔材料就越可能進入螺桿壓縮段造成纖維損傷。類似于針對背壓的建議，應(yīng)盡量保持轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定填充螺桿所要求的zui低水平。在成型LFRT復(fù)合物時，30~70r/min的螺桿速度是常見的。
在注射成型過程中，熔融通過兩個共同作用的因素發(fā)生：剪切和熱。因為目的是在LFRT中通過減少剪切來保護纖維的長度，因此將需要更多的熱量。根據(jù)樹脂體系，加工LFRT復(fù)合物的溫度通常會比常規(guī)的成型復(fù)合物高10~30℃。
然而，在簡單地全面提高機筒溫度之前，要注意機筒溫度分布的反置。通常情況下，當物料從料斗移動到噴嘴時，機筒溫度上升;但對于LFRT，推薦在料斗處的溫度更高。反置溫度分布會使LFRT粒料在進入高剪切螺桿壓縮段之前軟化和熔化，從而有利于纖維長度的保持。
有關(guān)加工的后一項注意涉及回用料的利用。研磨成型部件或水口通常會導(dǎo)致更低的纖維長度，因此，回用料的添加會影響整體的纖維長度。為了不明顯降低力學(xué)性能，建議回用料的zui大用量是5%。更高的回用料用量會dui沖擊強度等力學(xué)性能產(chǎn)生負面影響。