長纖維增強熱塑性塑料正在被用於高機械性能的注塑成型應用. 雖然LFRT技術能夠提供良好的強度, 剛度和衝擊性能, 但這種材料的加工方法對於確定最後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, 對它們一些獨有的特點進行了解十分必要. 了解LFRT與常規增強熱塑性塑料之間的差異推動了設備, 設計和加工技術的發展, 以發揮LFRT的最大價值和潛力.
LFRT和傳統短切, 短玻璃纖維增強複合物的區別在於纖維的長度. 在LFRT中, 纖維的長度和粒料的長度相同. 這是由於大多數LFRT是通過拉擠成型工藝而不是剪切型配混來生產的.
在LFRT製造中, 玻璃纖維無撚粗紗的連續絲束先被拉入一個模頭中進行塗層和浸漬樹脂, 從模頭出來後, 這種連續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, 傳統的短玻纖複合物只包含長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.
LFRT粒料中的纖維長度有助於改進LFRT的機械性能——抗衝擊性或韌性增加, 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.
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, 部件和模具設計以及加工條件.
一, 設備註意事項
經常被問到的一個有關LFRT加工的問題是: 我們是否有可能利用現有的注塑設備來成型這些材料. 在絕大多數的情況下, 用於成型短纖維複合物的設備也可用於成型LFRT. 雖然典型的短纖維成型設備對於大多數的LFRT部件和產品是滿足要求的, 但對設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' 段的通用螺杆非常適用於該過程, 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的計量段壓縮比對於LFRT產品是最佳的. 用特殊金屬合金製造螺杆, 機筒和其他部件沒有必要, 因為LFRT的磨損沒有傳統的短切玻璃纖維增強熱塑性塑料大.
另一件可能從設計審查中受益的設備是噴嘴尖梢. 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複合材料的纖維長度. 因此推薦使用一種100% '自由流動' 設計的槽形噴嘴尖梢/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該有5.5mm(0.250in)或以上的寬鬆尺寸, 並且沒有鋒利的邊緣. 重要的是要了解物料如何流過注塑設備, 並確定剪切會使纖維破碎的地方.
圖: 採用 '100%自由流動' 設計的三件式螺杆尖梢和環形閥, 可最大限度地減少長纖維的斷裂
二, 部件與模具設計
好的部件和模具設計對保持LFRT的纖維長度也大有裨益. 消除部分邊緣(包括肋線, 凸台和其他特徵)周圍的尖角, 可避免成型部件中不必要的應力, 並減少纖維磨損.
部件應採用壁厚均勻一致的標稱壁設計. 壁厚上較大的變化會導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域, 並成為應力集中的源頭. 通常試著把澆口開在較厚的壁中, 併流向薄的部分, 使填充末端保持在薄的部分.
通用的好的塑料設計原則建議, 保持壁厚低於4mm(0.160in)將促進良好均勻的流動並減少凹陷和空隙的可能性. 對於LFRT複合物, 最佳的壁厚通常為3mm(0.120in)左右, 最小的厚度為2mm(0.080in). 壁厚小於2mm時, 材料在進入模具後其纖維斷裂的機率增加.
部件只是設計中的一個方面, 考慮材料如何進入模具也很重要. 當流道和澆口引導物料進入型腔時, 如果沒有正確的設計, 大量的纖維破壞會發生在這些區域中.
當設計一個成型LFRT複合物的模具時, 全圓角的流道是最佳的, 它的最小直徑為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是可以接受的.
澆口的最小厚度應該有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°的轉動, 以防止引發纖維斷裂而降低機械性能.
最後, 要注意的熔合線的位置, 並知道它們如何影響部件使用時承受載荷(或應力)的區域. 應通過澆口的合理布局將熔合線移至應力水平預計較低的區域.
計算機充模分析可以幫助確定這些熔合線將定位的地方. 結構有限元分析(FEA)可以用來對比高應力的位置和在充模分析中確定的匯合線位置.
應該指出的是, 這些部件和模具設計僅僅是建議. 有很多部件的例子, 它們具有薄壁, 壁厚變化和精緻或精細特徵, 利用LFRT複合物實現了良好的性能. 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長纖維技術的全部好處.
三, 加工條件
加工條件是LFRT成功的關鍵. 只要採用了正確的加工條件, 就有可能使用通用注塑機和正確設計的模具製備好的LFRT部件. 換句話說, 即使有適當的設備和模具設計, 如果採用較差的加工條件, 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, 並且確定會引起纖維過度剪切的區域.
首先, 要監控背壓. 高背壓引入對物料產生的巨大剪切力, 將會降低纖維長度. 考慮從零背壓開始並且僅使它增加至使螺杆在喂料過程中均勻退回, 採用1.5~2.5bar(20~50psi)的背壓通常足以獲得一致的喂料.
高的螺杆轉速也有不利的影響. 螺杆旋轉越快, 固體和未熔材料就越可能進入螺杆壓縮段造成纖維損傷. 類似於針對背壓的建議, 應盡量保持轉速在穩定填充螺杆所要求的最低水平. 在成型LFRT複合物時, 30~70r/min的螺杆速度是常見的.
在注射成型過程中, 熔融通過兩個共同作用的因素髮生: 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. 根據樹脂體系, 加工LFRT複合物的溫度通常會比常規的成型複合物高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, 當物料從料鬥移動到噴嘴時, 機筒溫度上升;但對於LFRT, 推薦在料鬥處的溫度更高. 反置溫度分布會使LFRT粒料在進入高剪切螺杆壓縮段之前軟化和熔化, 從而有利於纖維長度的保持.
有關加工的最後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性能, 建議回用料的最大用量是5%. 更高的回用料用量會對衝擊強度等力學性能產生負面影響.