星期四, 5月 19

    长纤维增强聚丙烯复合材料的发泡工艺研究

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    ■资料来源:SPE 北京分会

    前言

    新型注塑技术可以降低加工过程中纤维断裂的程度和纤 维沿流向排列程度。尽管聚丙烯(PP)是最广泛使用的 塑料之一(由于其密度低、易于加工、软化温度高并且 成本低),但由于其机械性能相对较差,从而使得其应 用受到一定的限制。因此,常常使用玻璃纤维(GF)来 增强PP基体,以低成本实现良好的拉伸强度和模量、 刚度、耐冲击性、耐化学性和热稳定性。事实上,以这 种方式结合PP和GF在汽车和建筑等行业越来越受欢 迎。迄今为止,纵横比小于临界值200的短玻璃纤维 (SGF),在聚合物复合材料行业已经被普遍用于增强 材料。然而近年来,长玻璃纤维(LGF)增强PP材料在 聚合物工业中每年增加30%。

    GF-PP 复合材料

    注塑成型是GF-PP复合材料最常见的制造技术之一,因 为它能够快速制造复杂几何形状的零件。因此,注塑成 型的GF-PP复合材料的力学性能多年来备受关注,一般 认为GF增强PP部件的力学性能主要受长度、长度分 佈、纤维取向、GF和PP基体之间的界面粘合以及GF 和基体材料的固有机械性能等因素影响。研究表明,发 泡技术可以减少GF-PP成型件中纤维断裂的数量,并有 助於避免SGF-PP部件中的纤维磨损。然而,几乎所有 以前的研究都集中在SGF增强的聚合物基体上,发泡技 术是否同样适用于LGF增强复合材料还不清楚。
    因此,在我们的工作中,我们有动力去探索各种提高 GF-PP复合材料力学性能的发泡方法。例如,我们 先前已经研究了加工工艺对PP/低密度聚乙烯共混物 的机械性能和发泡结构的影响。我们发现通过仔细选 择注塑加工参数,可以使复合材料的韧性有显著的提 升。作为先前研究的拓展,我们在新工作中研究了不 同发泡技术对GF-PP复合材料纤维长度和纤维取向的 影响。具体而言,我们研究了传统注塑成型(CIM) 和发泡注塑成型(FIM)各种不同的加工条件,来制 备具有不同初始原料长度(即LGFs和SGFs)的LGF 增强PP复合材料样品。

    结论

    作为我们实验的一部分,我们进行了拉伸试验以测量 我们的复合材料的机械性能(例如,强度、模量和断 裂应变)。我们的研究结果表明,样品的残余纤维长 度和力学性能之间有著密切的关系,这两者在很大程 度上受加工条件的影响。我们还发现,LGF增强FIM 样品表现出最佳的纤维长度和纤维长度分布(即产生 最好的机械特性)。此外,相比CIM样品,这些样品 沿着纤维方向显示出更低的纤维取向度。我们的研究 结果还表明,在LGF增强复合材料中存在气泡可能有 助於减少纤维断裂量。

    我们认为这个发现有两个可能的原因。首先,发泡剂 和新产生的泡沫可以起到增塑剂或缓冲垫的作用。换 言之,LGF增强PP复合材料中气泡的存在降低了熔 体的粘度并改善了流动性。这又降低了聚合物基体中 的剪切应力,从而减少了纤维断裂的发生。其次,注 塑成型工艺的保压阶段是能够显著影响纤维断裂程度 的重要步骤。也就是说,保压阶段的变化会导致CIM 和FIM样品中不同的纤维长度分布。
    在CIM的常规保压过程中,使用高压将熔融的复合材 料注入空腔中,然后将模腔保持在恒定压力以填充空 腔的剩余体积并补偿填充材料的收缩。 LGFs的破坏 主要发生在这个保压阶段,所以保压压力会显著影响 纤维断裂。相比之下,在FIM中,填充材料填充到模 具中的保压主要取决於气泡生长膨胀的效果。因此, 由于相对较小、均匀的压力和剪切速率,纤维的损伤 可以被最小化。

    文章来源 作者信息-Ying-Guo Zhou School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University of Science and Technology;YingGuo Zhou is an associate professor. He received his PhD from Zhengzhou University, China, in 2009. His research is focused mainly on advanced polymer processing technology and numerical simulation of polymer processing. ■

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