劉創(chuàng)彬，葉樹林，李 偉

(佛山科學技術學院機電工程與自動化學院，廣東 佛山 528000)

長玻纖增強熱塑性復合材料(LFRT)因其良好的力學性能、可回收利用、質(zhì)量輕和成本低等原因，是近十年來備受關注的高分子復合材料之一。相對于短玻纖增強熱塑性復合材料(SFRT)，LFRT在性能上顯得更為優(yōu)越。LFRT在發(fā)展上較為迅猛，應用廣泛，種類繁多，其中長玻纖增強聚丙烯(PP/LGF)復合材料最為常見。目前，主要應用于汽車、電子、家電、通訊、機械、化工、軍工、體育器材、醫(yī)療器械等領域，特別是在汽車零配件專用塑料市場上的應用發(fā)展?jié)摿κ志薮?，在我國，一些產(chǎn)量在萬噸以上的改性塑料企業(yè)擁有和掌握了制造LFRT產(chǎn)品的基本技術，主要的企業(yè)包括廣州金發(fā)科技股份有限公司和上海杰事杰新材料股份有限公司等[1]。隨著LFRT在諸多領域應用不斷深入，對LFRT關鍵技術的研究顯得尤為重要。

1 LFRT成型工藝

1.1 熱模壓成型

熱模壓成型工藝具有結構簡單、熱穩(wěn)定性好和制品外形多樣化等優(yōu)點，是制備LFRT復合材料較常用的成型工藝之一。其工藝流程如圖1所示，利用加熱設備在高溫作用下將熱塑性材料加熱到熔融的狀態(tài)，再與玻璃纖維一起轉移至加熱模具進模壓，通過保壓、冷卻成型和脫模的過程來制備LFRT，是制備LFRT較為傳統(tǒng)的成型工藝。

圖1 熱模壓成型工藝流程示意圖

1.2 注塑成型

注塑成型工藝是目前制備LFRT復合材料最為重要的成型工藝，因該成型工藝具備穩(wěn)定性高、可自動化和效率高等優(yōu)點，也是目前應用最為廣泛的成型工藝。按照材料熔融塑化的次數(shù)，LFRT注塑成型的工藝方法主要分為兩種，一種是LFRT料粒法，也稱“兩步法”；另一種是在線配混注塑成型，也稱“一步法”[2]。

1.2.1 料粒法

料粒法(兩步法)是經(jīng)過兩次高溫加熱對材料進行塑化的方法，該方法需要預先通過雙螺桿擠出機塑化擠出-冷卻-造粒的工序來制備LFRT母粒，再將所制得的料粒與熱塑性材料一起放進注塑機中，經(jīng)過再一次高溫塑化后進入模腔保壓、冷卻成型，該方法所制備的LFRT經(jīng)過兩次塑化，故也稱“兩步法”，其工藝流程如圖2所示。料粒法具有成型精度高和效率高等優(yōu)點，不足是由于二次加熱和螺桿對玻纖的剪切作用，導致了玻纖結構破壞，從而對復合材料最終的性能產(chǎn)生影響。

圖2 料粒法成型工藝示意圖

1.2.2 在線配混注塑成型

在線配混注塑成型(一步法)即將玻璃纖維、熱塑性樹脂和其他助劑等在一條生產(chǎn)線上配混，再利用擠出機擠出成型來制備LFRT。其原理圖如圖3所示，熱塑性樹脂從料斗5中加入，在單螺桿9的作用下向前進行塑化運輸。長玻纖4在切纖裝置16和側喂料裝置17的作用下進入料筒與熔融熱塑性樹脂進行配混，經(jīng)過一段時間熔融塑化后，借助液壓系統(tǒng)19的外力，將塑化后LFRT從模頭13擠出進入模腔14制得LFRT，實現(xiàn)了LFRT在線配混。相比料粒法，在線配混注塑成型方法省去中間造粒環(huán)節(jié)，配混和注塑連續(xù)進行，該方法具有機械能更高、能耗更低和成本更低的優(yōu)點。目前，LFRT在線配混直接注塑成型技術已被許多歐美的汽車復合材料零部件生產(chǎn)企業(yè)廣泛應用[3]。

圖3 單螺桿在線配混注塑成型原理示意圖

1.3 拉擠成型

拉擠成型是借助外力牽引下纖維粗紗經(jīng)過浸漬、固化和切料等工序來制備LFRT的成型工藝，成型后的材料截面固定且實現(xiàn)材料連續(xù)生產(chǎn)，其工藝流程如圖4所示。該成型工藝具有連續(xù)成型、生產(chǎn)效率高和制品性能穩(wěn)定等優(yōu)點，是制造高纖維體積含量、高性能低成本復合材料的一種重要方法[4]。

圖4 拉擠成型工藝流程示意圖

2 影響LFRT力學性能的因素

LFRT的力學性能主要由工藝參數(shù)、螺桿結構、玻纖的含量以及玻纖的取向等因素所決定，另外增溶劑對LFRT的改性對制品的最終力學性能也起到影響作用[5-6]。精準的工藝參數(shù)設置、合適的螺桿構型、恰當?shù)牟＠w含量以及穩(wěn)定的玻纖取向是制備具有良好力學性能的LFRT復合材料的必要條件。

2.1 工藝參數(shù)

Carlsson等[7]研究了預熱溫度、模頭溫度、牽引速度等工藝參數(shù)對PP/LGF復合材料的彎曲模量和纖維分布的影響。結果表明，在低牽引速度和215～225 ℃的加熱模頭溫度可提高橫截面上的纖維分布，這樣可使預浸料在復合材料的中心完全熔化，并為纖維提供足夠的時間使其在整個橫截面上均勻分布；預熱溫度升高時，由于高溫對樹脂結構的影響，制品的彎曲模量略有下降。

唐榮華等[8]采用熱模壓成型工藝制備PP/LGF復合材料，研究了預熱參數(shù)、模壓參數(shù)以及操作參數(shù)對PP/LGF復合材料制品力學性能的影響，運用正交試驗與單因素法對結果進行分析與討論。結果表明，加熱溫度在220 ℃時，制品的力學性能最優(yōu)，在210～225 ℃范圍內(nèi)力學性能波動較小，這是因為制品在充分預熱的前提下，對制品的力學性能影響不明顯；保溫時間為7 min時制品的力學性能最佳；成型壓力對制品力學性能的影響較為明顯，總體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢并在8 MPa時制品力學性能達到最大值；模具溫度最佳值為80 ℃，溫度過高會造成部分樹脂降解，過低則會影響樹脂的流動性與玻纖的浸漬效果，導致制品力學性能下降；保壓最佳時間在3 min；坯料轉移時間控制在5 s內(nèi)；模壓排氣為1次。

胡章平[9]采取正交旋轉組合試驗設計以及響應面法研究了工藝參數(shù)對PP/LGF力學性能的影響，并優(yōu)化了熱模壓成型工藝參數(shù)。研究表明，工藝參數(shù)組合為：預熱溫度215.5 ℃，預熱時間16 min，壓力3.8 MPa，保壓時間3 min時，拉伸強度為28.8 MPa，彎曲強度為67.5 MPa，制品力學性能達到最優(yōu)。孫炳文等[10]采用熱模壓成型工藝制備了PP/LGF復合材料，運用四水平五因子的正交試驗和單因素法研究了預熱參數(shù)、模壓參數(shù)和操作參數(shù)等注塑條件對PP/LGF復合材料力學性能的影響。結果表明，工藝參數(shù)設置越精準，對制品拉伸強度的影響越顯著。對工藝參數(shù)進行優(yōu)化后，制品的拉伸強度與抗彎曲強度分別提升16%與13%，數(shù)值為64 MPa與85 MPa。

2.2 螺桿結構

Inoue等[11]采用5種類型的螺桿構型分別制備了PP/LGF復合材料，研究了螺桿構型對玻纖殘余長度的影響，并分析了玻纖殘余長度對復合材料力學性能的影響。結果表明，壓縮區(qū)內(nèi)的螺桿幾何形狀是影響殘余纖維長度的主要原因，而為熔融和混合過程選擇合適的幾何形狀是改善纖維分散和殘余纖維長度的最重要因素。同時，玻纖的殘余長度也決定著制品的力學性能，一定范圍內(nèi)，其長度越長，制品力學性能越優(yōu)。

金旺等[12]研究了3種螺桿構型對長玻纖增強聚甲醛(POM/LGF)復合材料力學性能的影響，并設計出了一套適合長玻纖增強聚甲醛(POM/LGF)復合材料的螺桿構型。研究表明，螺桿構型對POM/LGF的力學性能影響較大，1#螺桿構型存在塑化能力不足，造成玻纖與樹脂摩擦，增加了主機的負載。2#螺桿構型由于混合段剪切力不足，在機頭部位有成簇纖維與斷裂現(xiàn)象。3#螺桿增設了剪切元件，較好的改善了1#與2#螺桿構型的缺點，實現(xiàn)了良好的預剪切與塑化過程。在3種不同螺桿構件力學性能的比較中，3#螺桿構件制備的玻纖含量為15%的POM/LGF試樣相比1#與2#螺桿構型所制的試樣綜合力學性能有所提升，其拉伸強度為88 MPa，抗彎曲強度為117 MPa，沖擊強度為7.4 kJ/m2。

2.3 玻纖的含量

You等[13]研究了玻纖含量為5%、10%、15%及20%的PP/PVC/LGF復合材料對制品力學性能的影響。結果表明，隨著玻纖含量的增加，PP/PVC/LGF制品的抗拉強度和抗彎強度隨著提高。張超等[14]通過特制浸漬設備制備了玻纖含量分別為10%、20%、30%、40%及50%的長玻纖增強聚丙烯復合材料(PP/LGF)，研究了不同玻纖含量對PP/LGF力學性能的影響。結果表明，PP/LGF復合材料的整體力學性能隨著玻纖含量的增加而呈現(xiàn)上升趨勢，這是由于玻纖彼此連接而形成三維網(wǎng)絡結構，有助于應力傳遞的原因。玻纖含量為50%的PP/LGF制品力學性能最佳，其拉伸強度為138.4 MPa，彎曲強度為192.8 MPa。

郭建鵬等[15]使用自主設計的連續(xù)長玻纖浸潤模具，并采用浸潤技術制備了PP/LGF復合材料，研究了長玻纖含量分別為15%、30%、45%、60%以及75%的PP/LGF對制品力學性能的影響。結果表明，隨著玻纖含量的增加，制品的力學性能隨著提升，玻纖含量在15%～60%時，力學性能提升明顯。當玻纖含量超過60%時，由于塑化過程中，過多的玻纖會受到螺桿剪切以及彼此之間的摩擦，導致制品力學性能提升不明顯。Wang等[16]研究了不同的長玻纖含量對PP/LGF復合材料拉伸性能的影響。結果表明，隨著玻纖含量的增加材料屬性由韌性-脆性變化，在韌性范圍內(nèi)，制品的力學性能隨著玻纖含量的增加而上升，進入脆性階段，由于玻纖含量較高，纖維末端的應力集中導致基體開裂，從而降低了制品的拉伸強度。

2.4 玻纖的取向

孫顯俊[17]借助模流分析軟件Moldflow對PP/LGF復合材料進行模擬測試，通過X光掃描和圖像處理技術定量表征和分析注塑件中玻纖的分布，研究了玻纖取向?qū)χ破妨W性能的影響。結果表明，注塑件中玻纖的取向在不同位置各不相同，為保持可比性，取試樣中點出10 mm長的局域作為應變采集區(qū)以計算應力，得出玻纖取向為0°與90°有相似的力學性能，而45°方向材料力學性能較弱。孫國棟等[18]借助Moldflow軟件對PP/LGF復合材料拉伸件進行模擬研究，并分析玻纖取向與制品整體拉伸強度的關系。結果表明，在模流方向上，越接近澆口部位，玻纖取向越差，其原因是玻纖受熔體流動速度的影響，靠近澆口處熔體流動速度快，而在模腔中較為穩(wěn)定，因此模腔處纖維整體取向較好；制品在兩側表面玻纖取向達到最優(yōu)，玻纖取向張量達到最大為0.9629；在垂直流動方向上，平均玻纖取向出現(xiàn)分層現(xiàn)象，PP/LGF復合材料在各點處玻纖取向變化趨勢與流動方向上拉伸模量和泊松比的變化趨勢一致。

2.5 其他因素

Guo等[19]研究了增溶劑馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)對PP/LGF復合材料界面的影響，通過掃描電鏡和動態(tài)力學分析得出復合材料中增溶劑的含量為3.5%時，拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度達到最大。這是由于增溶劑馬來酸酐基團一端與玻纖形成活性鍵，另一端與聚丙烯(PP)相互作用。由此得出，增溶劑馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)對PP/LGF復合材料的力學性能有良好的促進作用。張道海等[20]以聚苯乙烯作為基體，苯乙烯接枝馬來酸酐作為相容劑，制備了長玻璃纖維增強聚苯乙烯(PS/LGF)復合材料，研究了不同相容劑用量對PS/LGF力學性能的影響。研究表明，相容劑對制品力學性能有良好的改善作用，隨著相容劑用量的增加，制品的拉伸強度、缺口沖擊強度總體呈現(xiàn)先增加后減??；當相容劑的用量為6%時，制品的力學性能最優(yōu)。

Kumar等[21]采用料粒法制備PP/LGF復合材料，研究了順丁烯二酸酐接枝聚丙烯(MA-g-PP)增容劑對制品力學性能的影響。結果表明，MA-g-PP對制品力學性能的影響較大，尤其抗沖擊強度提升明顯；在玻纖含量與長度同等的情況下，添加5%增溶劑的PP/LGF復合材料相對于無增溶劑的復合材料，其拉伸性能提高了10%、抗彎強度平均增加8%和抗沖擊強度提高了22%。

3 結 語

LFRT因其獨特優(yōu)越的性能，被廣泛應用在諸多領域。近十年來，LFRT的發(fā)展較為迅猛，在研究上也取得很大進步。但相對歐美國家，我國對LFRT的研究起步較晚，在工藝和設備的研發(fā)上仍存在許多問題亟待解決，如工藝優(yōu)化、設備改良與加工精度等關鍵技術有待進一步解決。隨著我國科技水平的不斷發(fā)展，如何更好確保玻纖的取向與分散度，建立塑化輸運與產(chǎn)品性能的關系，以及工藝參數(shù)和設備結構對制品性能的影響是未來研究開發(fā)的方向。