成型长纤维增强聚合物的实用技巧

文/ Avient公司 Gordy Nagle

本文将介绍加工长纤维增强聚合物的基本原理和最佳实践，包括保持纤维长度的实用技巧和指南，以及如何为严格的终端应用提供最佳优势。

无论向热塑性基体材料中添加的是长纤维还是短纤维，是玻璃纤维还是碳纤维增强材料，目的基本上都是为了改善聚合物的力学性能和结构性能。从如何与聚合物基体相结合，到所能提供的性能水平，这两种用于增强注射成型用热塑性塑料的主要方法存在着很多不同之处，就终端应用而言，一种纤维形式可能比另一种更合适，但对于成型商而言，短纤维与长纤维的主要区别在于它们被加工的程度。

本文将介绍加工长纤维增强聚合物的基本原理和最佳实践，包括保持纤维长度的实用技巧和指南，以及如何为严格的终端应用提供最佳优势。

保持但不完美

加工长纤维增强热塑性塑料的主要目标是保持纤维的长度，这对于优化强度和韧性至关重要。纤维断裂对聚合物复合材料的性能会带来负面影响，可能最终抵消了使用长纤维的好处。处理不当以及工装和部件设计有问题，或者使用未经优化的加工设备或设置，都有可能导致纤维断裂。

与短切纤维增强塑料不同，长纤维增强材料通常是采用拉挤法来制造。这项工艺是通过特殊的浸渍模头（以便树脂能够包裹并粘接纤维）来拉伸浸润了热塑性树脂的连续纤维粗纱，然后将挤出的长条切成粒状，粒料中的纤维通常有12 mm 长，全长以单向纤维增强为特色，这个长度对于使聚合物能够有效地将应力传递给较强的纤维至关重要。

当这些粒料被用于注射成型时，长纤维排列并紧密缠绕，形成一个内部骨架，以提供强度和韧性。相比短纤维填充的材料，采用长纤维增强的复合材料，无论是玻璃纤维还是碳纤维，都能提供更高的强度重量比、抗冲击韧性、更长的循环疲劳寿命、较宽泛的耐热性和更好的尺寸稳定性。

这些耐用材料提供的结构性能可与金属相媲美，却比金属更轻，并能够利用注射成型的加工效率优势。碳纤维复合材料作为金属替代品特别具有价值，因为它们比钢轻70%，比铝轻40%，因此，长纤维增强复合材料可被用于制造汽车、体育用品、航空、消费品和工业设备中要求极高的部件。典型的基础树脂包括聚酰胺（PA 或尼龙）、聚丙烯（PP）、硬质热塑性聚氨酯（ETPU）以及耐高温树脂如聚醚醚酮（PEEK）、聚邻苯二甲酰胺（PPA）和聚醚酰亚胺（PEI）等。虽然任何热塑性塑料都可以用纤维增强，但只有一些能提供更高的性能，因为它们能更好地得到增强。更确切地说，半结晶树脂比无定形树脂能更好地得到纤维的增强，也就是说它们的刚度和强度会得到更大的提升。

通常，长玻璃纤维的含量（也用重量百分比表示）最高可达60%，长碳纤维的含量最高可达50%，这一百分含量适于PP、PA和ETPU，但一些耐高温树脂因成型性问题而将纤维含量限制在较低的水平。

长纤维增强材料的加工要点

与未改性的或粒状的粉末填充的树脂相比，成型长纤维增强复合材料对模具、浇口、成型设备和部件设计等都有一些要求。用于加工这些材料的工艺也与短纤维增强聚合物的有所不同。

如前所述，保持纤维的长度是成功的关键。可能导致纤维长度缩短的因素包括来自注射螺杆的高压力和高剪切力，而模具和流道系统中的尖角也会导致这一问题。为保持纤维长度，需要注意3 个关键加工要点：

1.模具材料及设计

虽然长纤维对模具的磨损要比短纤维小，这是因为对模具有影响的针状纤维末端较少，但同一种类型的模具钢却适用于长纤维和短纤维增强的聚合物，最常见的是P20 模具钢，它能够持续承受超过10 万次的注射。如果需要更高的耐久性（高于10 万次注射循环），H13 铬钼钢或A9 空气硬化钢则是更好的选择。通常，硬化模具是加工纤维增强热塑性塑料的最佳选择。对于磨损的模具，可以利用电镀技术对其进行翻新。如果为了验证设计而必须生产原型，甚至可以使用铝模。

模具设计应避免使用小直径的浇口，以免引起剪切，导致纤维断裂。由于纤维增强树脂的粘度较高，建议采用宽敞的扇形浇口或全圆形浇口而不是针式浇口。采用全圆形流道可以消除死流区，在这些区域，塑料的固化层会阻止流动的充分性。除全圆形结构以外的任何类型的流道都有尖角，可能导致剪切的增加从而损伤纤维。

长纤维增强复合材料需要排放的气体量是非增强材料的两倍。为提供额外的排气，可以使用更大的开口。由于长纤维材料的粘度较高，不像未增强的树脂那样容易溢出，所以这样的开口对于长纤维材料而言毫无问题。

2.成型设备

可以采用标准的注射成型设备来加工长纤维增强热塑性塑料，只需作一些非永久性的改进就能保护纤维长度并适应更高的粘度。推荐使用顶部允许自由流动的带有止回环的低压或通用型的螺杆。可以使用一般用途的喷嘴，但应避免使用尼龙喷嘴，因为它们的沙漏形状（为防止垂涎而设计）会限制流动，造成剪切，导致纤维磨损。另一个减少剪切的建议是避免倒锥形喷嘴的设计。一般来说，较大的喷嘴孔（最小5.6 mm）便于粘性的纤维增强树脂的通过。

对于任何注射机来说，一个很好的经验法则是只注射60%～70%的量。过多的注射量会延长复位时间，而太少的注射量意味着材料在料筒中停留的时间较长，可能导致降解。

3.加工条件

就加工而言，重要的是要解决好两个问题：翘曲和蠕变。通常，长纤维增强热塑性塑料部件出现的翘曲要比短纤维材料的部件少，因为长丝的缠绕减少了差异性的收缩，但注射成型的长纤维部件仍然会变形，一个原因是纤维沿流动方向排列，虽然增强了部件强度，却可能导致各向异性。为防止翘曲，可以使用其他浇口位置或部件设计，以避免过多的纤维排列在不需要高强度来承受结构荷载的区域。

像翘曲一样，与短纤维配混料相比，长纤维增强复合材料的蠕变变形不大，因为较长的纤维有助于在部件的较宽区域消散负荷。长纤维长丝之间的牢固结合允许聚合物基体将应力传递给更强的纤维以减少蠕变，这是因为纤维类似于骨架结构，不会像聚合物链那样容易弯曲或滑动。抗蠕变性也是长纤维高的长宽比的函数，更高的长宽比允许聚合物“抓住”更多的纤维表面积。

以下是加工长纤维增强复合材料的建议，记住，在重量百分比相同的情况下，碳纤维材料的粘性比玻璃纤维材料的更大，因为碳纤维更轻，体积更大。为达到与玻璃纤维复合材料相似的流速，碳纤维复合材料可能需要稍微更多一点的热量。要考虑的因素包括：

（1）干燥：对长纤维增强复合材料粒料进行干燥时，应采用除湿干燥机，并设置-40 ℃的露点。需要注意的是，即使是不吸湿的树脂，表面也会有水分，为此，应向供应商咨询对每一种树脂类型所建议的干燥时间和温度。

（2）送料：带有过滤器的气动系统更适合捕捉任何松散的纤维，防止它成块进入成型过程，以避免堵塞供料系统，或者将瑕疵引入成型部件中。输送线应避免尖角和可能损坏粒料以及导致松散的纤维释放的角度。

（3）成型：熔融的长纤维增强聚合物颗粒通常需要更多的热量并减少对螺杆剪切的依赖，成型机的料筒应采用平坦的或相反的温度分布。应尽量减小背压，避免过度剪切。螺杆转速应放慢，以避免引入可能损坏纤维的固态、未熔化的材料。另一个风险是使用含有破损纤维的粉碎回收料，它可能会影响材料的性能，所以应尽量减少或避免使用粉碎后的回收料。长纤维的粉碎回收料实际上就是短纤维材料，因为纤维长度已经变短。

在注射阶段，应将模具填满95%～99%，剩下的在保压阶段填满，这是因为长纤维增强复合材料的高粘度使其在保压阶段很难填充更高百分比的材料，这是在低于峰值填充压力下完成的。在喷嘴凝固前，模具应一直处于保压状态。

（4）注射速度和压力：通常，低于25.4 mm/s 的速度能最大程度地减少剪切和纤维断裂，虽然任何低于76.2 mm/s 的速度应该是足够的。另一方面，填充太慢可能导致浇口或薄壁部件的其他区域过早凝固，引起短射。

具体的注射速度很大程度上取决于材料的粘度。纤维含量低（如30%）的材料流动性较好，可以使用50.8～76.2 mm/s 这样较快的注射速度；纤维含量达50%的材料粘性较大，可以采用25.4～50.8 mm/s 的较慢的注射速度。因此，材料供应商建议的加工条件总是给出一定的范围，应根据具体情况进行调整，最好从任何给定范围的中间开始，然后根据结果，再在这个范围内向某个方向进行调整。虽然每个加工商都希望尽可能缩短循环时间，但如果加工材料的方式会使材料退化（如纤维破损），成型的部件可能就不能满足预期的性能要求。

部件设计

部件的设计应能保护和维持纤维的长度，促使纤维沿材料流动的方向排列，以此来优化强度和韧性。要力求壁厚均匀，避免厚度过大的区域（大于12.7 mm），这样纤维才会沿流动方向排列。随机的纤维取向或成球状都会导致结构强度的降低。

推荐的最小壁厚是1.524 mm，促进纤维排列的最佳壁厚是3.175 mm，壁厚大于5.08 mm 时纤维的排列开始减少，最大壁厚是12.7 mm。纤维增强材料不同于金属，所以部件的变厚并不总是直接转化为强度的增加，纤维不会随着部件变得更厚而在整个厚度方向上排列。

要避免设计出无加强肋结构的极长且平的流动长度，因为这更容易产生翘曲。而且，必须填充很长的部件时，长纤维增强复合材料的高粘度会导致材料的凝固。

当流锋只是相遇而没有交叉或纤维混合从而形成一个结构桥接时，可能会损失力学性能。要避免这一现象，重要的是要设置好熔接线。如果熔接线缺乏纤维的附加强度和韧性，而是完全依赖于基体树脂的性能，这就是薄弱点。因此，熔接线应远离关键结构区域。

保持长纤维的优势

要成功地成型长纤维增强复合材料，需要对适用于非增强树脂和短纤维配混料的设计指南和加工参数作一些修改。为充分发挥长纤维增强材料的价值（因为具有高性能，所以成本比未填充材料或短纤维增强材料更高），在整个加工过程中必须遵循最佳实践。如果因不正确的处理、模具设计或设备设置而导致长纤维断裂或不能对齐，它们的高强度和高韧性优势将会减弱甚至丧失。

总之，本文提供的建议可以帮助避免这些问题，从而生产出结实、抗冲击且尺寸稳定的部件。