星期四, 5月 19

    长纤维增强热塑性复合材料(LFRT)介绍

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    ■大东树脂化学股份有限公司 / 苏培钧

    前言

    在热塑性复合材料的配方组成中,常使用玻璃纤维作为 树脂的增强材料,借以提高成型制品的机械性能或耐热 性,而一般传统的玻纤增强技术,是使用挤出机将玻纤 丝束直接与树脂基料熔融混合造粒,玻纤丝束在受到螺 杆和料缸的摩擦剪切作用之下被切碎,所得到的是玻纤 长度<1mm的增强材料。这样的材料通常在经过下一次 的成型加工之后,玻纤又再一次被剪碎,因此在终端制 品中,大部份玻纤的保留长度其实远低于有效增强的临 界长度,所以实际上玻纤本身的增强效果并没有充分发 挥出来。

    LFRT的特性

    长纤维增强热塑性材料(Long Fiber Reinforced Thermo plastics,简称LFRT或LFT)是近几年来发展迅速的一类 高性能复合材料,系使用特殊的制程及设备,将连续的 玻璃纤维以熔融树脂充分浸润包覆,胶条冷却后再切成 特定尺寸的长棍状胶粒,制造流程如(图1)所示。单一 胶粒的长度约为10~15 mm,其内所包覆玻纤的长度即 与胶粒长度等长(10~15 mm),由于LFRT内含的玻纤长 度超过临界长度Lc,即能展现出玻纤原有刚强性能的优 势,长纤维增强粒料与短纤维的外观差异如(图2)所示。

     

    图 1:长纤维增强粒料与短纤维粒料的差异                          图 2:长纤维增强材料的性能比较

    使用长玻纤增强材料做射出成型的制成品中,玻纤的实质长度保持率高,所以纤维之间有足够的长度能相互 搭接,形成三维立体的3D网状结构,交错贯穿於基 体树脂内作为增强骨架,因此可以承受较大的应力和 荷载,并有效吸收能量,进而使制成品具有高比强度、 高刚性、高耐冲击、高尺寸稳定性、耐温、低翘曲、 抗蠕变性、低热膨胀系数等许多优点,性能比较如(图 3)所示。

    图 3:Moldex3D 技术可以有效地模拟长纤维的排向及性能

    综观LFRT的部份性能,已经与金属材料相 当接近,在许多应用端方面具备有可替代金属的机 会。金属凭借着高强度、耐热等特性,是许多工业品 的首选材料,而缺点是不适合成型复杂的形状,且金 属部件的重量也较重,但随着全球各先进国家朝向环 保、节能、轻量化的趋势下,产业界已经掀起了「以 塑代钢」的潮流,尤其长玻纤增强材料的性能与金属 最为相近,俨然成为替代金属的最佳选择。

    LFRT的加工成型

    长玻纤增强材料可用一般的射出成型机成型,但最好 须避免使用剪切力高的螺杆和射嘴,会导致玻纤断裂 太多,造成无法充分发挥长纤维原有的性能。因此推 荐使用射出机的选择如下:
    1. 螺杆长径比 18~22,压缩比 2:0~2.5,尽量选择直 径较大的螺杆。
    2.采用深螺沟槽、低压缩比螺杆、开放式大直径射嘴。
    模具方面一般建议是采用直接进胶设计,同样减少玻 纤断裂的机会,但最好是先借由如Moldex3D的CAE 模流分析技术如(图4)所示,找出最适化的产品结构 设计,以及模具的流道、机构设计,才能发挥长纤维 最佳的性能。

    图 4:LFRT 制程示意图

    LFRT的应用

    1.汽机车:仪表板骨架、门板模块、座椅骨架、手柄 拉杆、电池托架、车胎架、冷却风扇框架、脚踏板等。
    2.机械机电:泵壳/泵体组合件、电工工具壳体与握 把、驱动连杆、轴承、导轨等。
    3.电子电器:风扇叶片、电器壳/支架、电器开关壳等。
    4.家电:洗衣机滚筒/支架/叶轮、空调导风扇、电 视机背盖、把手。
    5.运动:自行车配件、滑雪板、安全头盔等。

    总结

    长玻纤增强热塑性材料的力学性能明显优于短玻纤增 强材料,加上具有高的比强度,以及非常低的蠕变性, 使它能长期承受很大的负荷,在温度变化下也能维持 尺寸的安定;和金属材料相比,更能有效的减少制成 品重量、降低加工成本、缩短生产周期,表现出高性 价比之优势。■

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