趙 勃

(上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714)

0 前言

短玻纖增強(qiáng)聚丙烯(SGFPP)是以聚丙烯(PP)為基體、玻纖為分散質(zhì)組合而成的復(fù)合材料。SGFPP具有質(zhì)輕、模量高、抗疲勞、耐腐蝕、電磁和電絕緣性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，正逐步代替金屬材料，并在汽車制造業(yè)、電子產(chǎn)品、日常生活用品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。近年來電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展，在汽車輕量化趨勢(shì)下行業(yè)對(duì)SGFPP性能的要求越來越高。以往對(duì)SGFPP材料的研究工作重點(diǎn)集中在材料配方結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如開發(fā)高性能樹脂、高性能玻纖及高效相容劑等，然而對(duì)共混改性加工工藝的系統(tǒng)性研究相對(duì)較少。據(jù)已有研究可知，纖維長度是決定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能最主要的因素之一[2]。筆者重點(diǎn)從擠出加工工藝參數(shù)和混煉螺桿構(gòu)型方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究擠出工藝對(duì)玻纖保留長度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

均聚PP，PP H9018，相對(duì)密度0.9 g/cm3，熔融指數(shù)55 g/(10 min)，中國石油蘭州石化公司；

馬來酸酐改性PP，BONDYRAM 1001CN，Polyram以色列公司；

玻纖，249A-10C 4MM，單絲直徑10 μm，歐文斯科寧玻璃纖維有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

同向雙螺桿擠出機(jī)，NE-27E型，長徑比為40∶1，四川中裝科技有限公司；

注塑機(jī)，BM90E型，廣州正茂精機(jī)有限公司；

馬弗爐，SXZ-8-10型，濟(jì)南精密科學(xué)儀器儀表有限公司；

萬能材料試驗(yàn)機(jī)，Z010型，德國Zwick/Roell集團(tuán)；

纖維長度分布測(cè)量儀，3E-ECO型，德國FASEP公司。

1.3 試樣制備及處理

將PP、馬來酸酐改性PP均勻混合后通過計(jì)量稱從主喂料口喂入，玻纖通過計(jì)量稱從側(cè)喂料口喂入，再通過同向雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒得到成品。擠出溫度為180 ℃、230 ℃、230 ℃、220 ℃、220 ℃、210 ℃、210 ℃、210 ℃、210 ℃，機(jī)頭溫度設(shè)定為220 ℃，實(shí)際溫度控制偏差在±10 K,并通過注塑機(jī)制成標(biāo)準(zhǔn)(ISO)樣條。試樣成型后在溫度為(23±2) ℃、相對(duì)濕度為(50±5)%的環(huán)境中放置(48±1) h，隨后測(cè)試其力學(xué)性能。

1.4 性能測(cè)試

拉伸性能按ISO 527-2—2012 《塑料 拉伸性能測(cè)試方法》測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度，拉伸速度為50 mm/min。

彎曲性能按ISO 178—2010 《塑料 彎曲性能的測(cè)定》測(cè)試彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，試驗(yàn)速度為2 mm/min。

玻纖保留長度測(cè)定方法為取馬弗爐中獲得的玻纖分散在玻璃器皿上，用纖維長度分布測(cè)量儀測(cè)試，測(cè)量每根玻纖的長度及分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠出溫度對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長度及拉伸強(qiáng)度的影響

在制備SGFPP復(fù)合材料時(shí)通常采用常規(guī)捏合塊 (KB)螺桿構(gòu)型進(jìn)行擠出加工，加工過程中擠出溫度是非常重要的工藝參數(shù)，不同擠出溫度對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長度和拉伸強(qiáng)度的影響見圖1。

圖1 擠出溫度對(duì)玻纖保留長度及拉伸強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出：在常規(guī)KB螺桿構(gòu)型及螺桿轉(zhuǎn)速500 r/min條件下，隨著擠出溫度的提升，復(fù)合材料的玻纖保留長度逐漸從496 μm增大至547 μm；材料的拉伸性能略微提升(4 MPa內(nèi))。分析其原因?yàn)殡S著擠出溫度的提高，熔體溫度提高，體系的黏度降低，玻纖受到的剪切力相對(duì)較小，使玻纖保留長度隨熔體溫度升高而增加，從而使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高[3-7]。

2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長度及拉伸強(qiáng)度的影響

在同一螺桿構(gòu)型擠出過程中,螺桿轉(zhuǎn)速的變化直接導(dǎo)致加工過程中物料受到的剪切速率相應(yīng)發(fā)生變化。因此筆者研究了不同螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長度和拉伸強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長度及拉伸強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出：在常規(guī)KB螺桿構(gòu)型條件下，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料中的玻纖保留長度從633 μm逐漸降低至482 μm(降幅為23.8%)，但材料的拉伸性能基本沒有受到影響。這主要是由于隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，螺桿對(duì)玻纖剪切作用加強(qiáng)，從而使玻纖保留長度下降[8]。

2.3 螺桿構(gòu)型對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長度及拉伸強(qiáng)度的影響

根據(jù)玻纖增強(qiáng)改性的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的螺桿構(gòu)型包括加料段、熔融段、玻纖加入段、混合段、排氣段和計(jì)量段等功能段。結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況，針對(duì)玻纖加入后的混合段設(shè)計(jì)了6種不同的螺桿組合，分別為常規(guī)KB、三頭、ZME1、ZME2、SFV、SME螺桿構(gòu)型，具體組合形式見圖3。圖4、圖5是6種螺桿構(gòu)型在同一擠出溫度和螺桿轉(zhuǎn)速工藝條件下對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長度和拉伸強(qiáng)度的影響結(jié)果。

圖3 不同螺桿構(gòu)型示意圖

圖4 不同螺桿構(gòu)型對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長度影響

圖5 不同螺桿構(gòu)型對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響

從圖4可以看出：在不同的螺桿構(gòu)型中(擠出溫度為230 ℃)，材料的玻纖保留長度差異較大。隨著螺桿對(duì)玻纖剪切強(qiáng)度的提高，對(duì)玻纖的分布混合作用增強(qiáng)，玻纖在混煉流場中的流動(dòng)更加絮亂，玻纖和螺桿、玻纖之間的相互作用頻率提高，加劇了玻纖的斷裂[9]，從而導(dǎo)致ZME1螺桿構(gòu)型的玻纖保留長度最短，SFV和SME螺桿構(gòu)型的玻纖保留長度最長(935 μm)。

從圖5可以看出:不同的螺桿構(gòu)型對(duì)材料的拉伸性能影響較小。雖然SFV螺桿構(gòu)型的玻纖保留長度雖最長，但是其力學(xué)性能最低，主要是玻纖分散情況差導(dǎo)致。

2.4 玻纖在機(jī)筒不同區(qū)段玻纖保留長度分布情況

圖6為加工SGFPP復(fù)合材料常規(guī)KB螺桿構(gòu)型擠出機(jī)不同區(qū)段玻纖取樣點(diǎn)示意圖,其中取樣點(diǎn)1為玻纖入口處,取樣點(diǎn)2為距離玻纖入口4D(D為螺桿直徑)處,取樣點(diǎn)3為距離玻纖入口8D處,取樣點(diǎn)4為距離玻纖入口16D處,取樣點(diǎn)5為螺桿頭部位置。玻纖在擠出機(jī)筒的不同區(qū)段至注塑樣條后玻纖保留長度的分布情況見表1。

圖6 擠出機(jī)不同區(qū)段玻纖取樣點(diǎn)示意圖

表1 不同區(qū)段玻纖保留長度數(shù)據(jù)

從表1可以看出：在常規(guī)KB螺桿構(gòu)型條件下，玻纖在擠出機(jī)內(nèi)部不同區(qū)段處的損失情況差異很大。玻纖加入到螺桿中被剪斷，經(jīng)過第一組混合剪切元件(取樣點(diǎn)2處)后長度明顯降低，玻纖保留長度下降幅度高達(dá)33%；在經(jīng)過第二組、第三組混合剪切元件(分別為取樣點(diǎn)3、取樣點(diǎn)4處)后玻纖保留長度又會(huì)有一個(gè)明顯的下降，玻纖保留長度下降幅度為20%和24%，下降幅度小于經(jīng)過第一組時(shí)的下降幅度。物料在經(jīng)過螺桿頭部后，玻纖保留長度又會(huì)有一定程度的下降，下降幅度為9%。而物料在注塑過程中，玻纖保留長度降低較少，玻纖保留長度下降幅度僅為1%。以上數(shù)據(jù)可以直觀地反映出玻纖保留長度在螺桿軸向擠出方向上的變化規(guī)律，因此在螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì)中科學(xué)運(yùn)用混合剪切元件，可以更加精準(zhǔn)地控制復(fù)合材料中玻纖保留長度。

3 結(jié)語

(1) 隨著擠出溫度的升高，復(fù)合材料的玻纖保留長度逐漸增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也逐漸增加。

(2) 隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料中的玻纖保留長度逐漸降低，但對(duì)材料的拉伸強(qiáng)度影響不明顯。

(3) 不同螺桿構(gòu)型對(duì)復(fù)合材料的玻纖保留長度影響較大，ZME螺桿構(gòu)型的玻纖保留長度最短，SFV和SME螺桿構(gòu)型的玻纖保留長度最長。

(4) 玻纖保留長度在螺桿軸向擠出方向上的變化規(guī)律為玻纖進(jìn)入螺筒后玻纖保留長度不斷降低，尤其在混合剪切元件處玻纖保留長度減小幅度最大，從玻纖進(jìn)入螺筒至擠出機(jī)頭，復(fù)合材料的玻纖保留長度僅剩14%。