纤维增强专题

纤维增强专题

编者按：进入21世纪后，热塑性塑料的应用是再创新高，但某些热塑性塑料用作结构件等工程应用中存在力学性能偏低等缺点，通过纤维增强不但可以提高热塑性塑料的强度，还能提高其尺寸稳定性、耐热性和耐环境性能等。纤维增强热塑性复合材料的发展历史可以追溯到20世纪50年代，最初出现的是短纤维增强热塑性复合材料，70年代初出现了长纤维增强热塑性复合材料，80年代初连续纤维增强热塑性复合材料取得了突破性进展。我国热塑性复合材料的研究开发工作起步较早，短纤维增强聚酰胺于1969年开始工业化生产，中长纤维增强热塑性复合材料和连续纤维增强热塑性复合材料起步于80年代末，但与国外先进材料相比，仍有很大差距。鉴于我国热塑性复合材料的现状，急需加大应用技术研究，快速开拓其在我国的应用领域，尤其是在汽车工业领域的应用。“中塑互联”论坛里面的很多坛友对纤维增强热塑性复合材料进行了深入的讨论，现将一部分帖子整理如下，供读者参考。我刊今后将不定期将“中塑互联，http：／／bbs.ourplas.cn”上优秀的帖子整理刊发，敬请读者关注。

1 玻璃纤维增强热塑性复合材料

热塑性塑料经玻璃纤维（GF）增强后，拉伸强度、模量、冲击性能和耐热性能都可以得到提高，用途拓宽，目前市场上约50%的热塑性复合材料都含有GF。GF增强热塑性复合材料根据增强方式的不同，分为短玻纤（SFT）、长玻纤（IFR）和玻璃纤维毡（GMT）增强3种类型。SFT是GF增强热塑性复合材料的主要品种，但其不适用于对材料性能要求高的场合，GMT和LFT在性能上比SFT有很大进步，具有加工工艺简单、无环境污染、可回收利用等优点，因此LFT和GMT越来越受到人们重视。目前，LFT和GMT是GF增强热塑性复合材料研究和发展的两个主要方向。

问：生产阻燃聚丙烯（PP）的配方为：共聚PP粉，十溴联苯醚的含量为21份，三氧化二锑的含量为7份，GF和滑石粉的总含量为22份，接枝PP的含量为3份，黑色母含量为4份；此时，阻燃PP的UL－94级别达到V－2级，余灼时间超过30s；当十溴联苯醚和三氧化二锑的含量分别增加到24份和8份时，只有少量产品可以达到V－0级，部分产品的余灼时间还是会超过30s。挤出温度为190～205℃。这是什么原因造成的？

答：可能的原因及解决方案有以下几种：

（1）一般的黑色母均会填充碳酸钙，故而可能是采用的黑色母中碳酸钙的填充量太大，碳酸钙跟溴系阻燃剂有对抗作用，这样一来，加入的黑色母越多，产品的阻燃性能越差；

（2）可以采用炭黑代替色母，采用高纯度的滑石粉；

（3）应该将十溴联苯醚的含量调整为19份，三氧化二锑的含量为6份；

（4）挤出温度稍低，建议提高到240℃左右。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／bbs.ourplas.cn”网友cxx19627、光辉岁月、胡胡子、zfn320、liucilin、polygfz、hzwzw、alan、高山流水、zgf＿freedom、winboy、babyfish等）

问：最近生产的20%GF增强PP的拉伸强度为78MPa，断裂伸长率为2.5%，弯曲强度为105MPa，冲击强度为11kJ／m2。注塑产品无露纤，表面光滑。但是生产过程中老断条，而且断面有大量气孔。请大家帮忙分析一下原因。

答：可能的原因及解决方案有以下几种：

（1）断面有大量气孔，可能是真空压力不够；

（2）从性能上看断条的原因应该为GF太长，20% GF增强PP的拉伸强度达到60MPa就很不错了；

（3）断条可能是挤出工艺的问题，适当调整一下加工温度；

（4）理论上GF的残留长度比较长，会导致界面黏结问题，这样的话，GF分布不均匀会导致PP熔体分布不均匀，在加工过程中使PP熔体在局部断面充不满口模，导致内部出现空洞；

（5）加强螺杆的剪切作用，多加2组45°螺杆组合元件。如果实在不行，在GF加入口和真空口之间增加一个反旋，也就是说整个过程中有3个反旋：GF加入口前面、GF加入口与真空口之间以及真空口前端。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／bbs.ourplas.cn”网友lening2006、wlf35270、月光饭盒、thinkpad33、胡胡子、feiwangchun、hzwzw、alan、polygfz、hzwzw、塑料专家、305197577等）

问：GF增强聚酰胺（PA）最容易出现浮纤的问题，特别是黑色的产品，更加明显，请问有什么解决方法？

答：出现浮纤的原因主要为PA与GF的混合一般采取物理混合方法，GF会均匀分散在PA中，但在PA熔融后，二者的混合物会出现不同程度的分离（视GF含量和长短而定，还有原料的温度也有一定程度的影响），GF相对于PA的流动性要差很多，而PA在模具中的流动是从夹层中间往前流，所以流动性最好的肯定是在最前面，而流动性不好的就会停留在模具表面，故而GF大量停留在模具表面，造成浮纤问题。

一般采取下述方法可以有效降低浮纤的比例：

（1）从材料方面来讲，应该使用短纤和低黏度的PA基材，短纤性能较长纤好，计量准确，但需要有侧向进料系统和失重电子计量系统；

（2）增加熔体注射速度。虽然GF和PA存在着流动速度的不同，但相对于高的熔体注射速度而言，这一相对速度差的比例就很小了；

（3）提高模具温度。可以减小GF和模具的接触阻力，让GF和PA的流动速度差尽量减小，并且让PA流动时的中间层尽量变厚，两边的壳层尽量变薄；

（4）降低计量段的温度，减少熔体量，使PA和GF分离的可能性尽量降低；

（5）适当提高螺杆剪切力；

（6）整个螺杆回缩1～2mm，防止浇口浮纤；

（7）可以加入0.3%～0.6%的硅酮和0.5%～0.8%的表面活性剂；

（8）建议加入适量的偶联剂。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／bbs.ourplas.cn”网友youde326、enzo511、jghlw、johnlyz、dgzhuji1230、工程塑料、yqiong725、allen220、lening2006、wlf35270、jhon2010、s＿hlyang等）

2 碳纤维增强热塑性复合材料

碳纤维（CF）是一种兼具碳材料的高强度和纤维柔软可加工性的新材料，是新一代的增强纤维。国外聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的研究与开发始于20世纪60年代，起初，CF主要用于军工和航天航空领域。经过近50年的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。我国20世纪80年代开始研究CF，进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了200t／a的PAN基碳纤维生产装置，使我国CF进入工业化生产。

问：不阻燃的CF增强PA6复合材料的拉伸强度为240MPa，阻燃级别为V－0级的CF增强PA6复合材料的拉伸强度为220MPa。但采用同样的CF增强PA66，其拉伸强度只有190MPa，弯曲强度和冲击强度也比PA6差，请问这是什么原因造成的？

答：可能的原因及解决方案主要有以下几种：

（1）调整一下螺杆组合，PA66对温度比较敏感，在螺杆组合调整时需要注意这点，不要剪切过强；

（2）纤维类型（主要指浸润剂）对产品性能也有一定的影响；

（3）注射成型的背压不能太大；

（4）同样的螺杆组合，CF相对GF更容易被剪断，且PA66的黏度要比PA6高，所受到的剪切力也会提高，所以PA66的强度会差一点。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／bbs.ourplas.cn”网友小草一棵、beyond、jghlw、198105261981、xiuhu、thinkpad33、305197577、allen220、jhon2010、s＿hlyang、lening2006、wlf35270等）

问：在PP／滑石粉复合材料中，加入1%的短切CF，要求注射成型制品的表面均匀分布，CF如何加入才能实现？

答：（1）不能通过直接喂料口进行喂料，必须采用侧喂料的方式；

（2）螺杆设计上要进行特殊处理，以解决团聚的问题。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／bbs.ourplas.cn”网友beyond、sxqqq、liuswu、xiuhu、thinkpad33、joker850203等）

问：采用双螺杆挤出机制备PA6／CF复合材料时，一般会出现浮纤或力学性能不理想的问题，如何进行改善？

答：需要从以下几个方面进行改进：

（1）加工前，需要采用硅烷偶联剂对CF进行处理；

（2）双螺杆挤出机螺杆转速应该在60r／min左右；转速太快，剪切力大，虽然混料越均匀，但强剪切力对CF的长度破坏较大；CF越长，增强复合材料的各项力学性能越高；

（3）双螺杆挤出机的加工温度应该在230～240℃；温度过低，PA6无法被剪切熔融；温度过高，则会使PA6变得太稀薄，不利于CF在复合材料中的分散；温度继续升高还可能会使PA6发生降解，进而导致性能降低。

（问题和解决方案来自“中塑互联，http：／／bbs.ourplas.cn”网友zgf＿freedom、光辉岁月、胡胡子、zfn320、liucilin、cxx19627、polygfz、hzwzw、alan、高山流水等）