在线配混注射成型技术及其在长玻纤增强热塑性材料中的应用(一)

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汽车工业的发展对塑料加工技术提出了越来越高的要求，而汽车塑料的用量是衡量一个国家汽车生产技术水平的标志之一。近30多年以来，汽车塑料的用量在不断增加，平均每辆汽车用量从20世纪70年代初的50～60kg已经发展到目前的150kg，而且还在继续增加中。目前，在欧美等发达国家中，轿车中塑料的用量占汽车总重量的10％以上，车身内饰和外部装饰中，大表面积零件的塑料使用也已经得到了饱和程度，仅仅有部分零件尚未塑料化。车身塑料制品中，1m以上的产品已经非常普遍，部分塑料产品长度已经达到2m以上。由于新材料的成本和加工技术的不断进步，车身内饰外装部件实现全部塑料化已经非常接近。

目前，塑料在汽车中的应用正在向结构件和半结构件方向扩展，从而使得长玻纤增强材料(LFT)在汽车零配件中越来越广泛应用，对于支架产品是非常合适的一类材料。长玻纤增强材料使用在轿车领域，具有轻量、节能、环保美观等优点，例如，马自达6型汽车前端模块和车门模块载体已经采用长玻纤增强的聚丙烯材料。据不完全估计，全球市场每年的长玻纤增强热塑性塑料产量约有12.6万吨。

研究发现，为了使玻璃纤维在塑料中很好地起到提高强度的作用，必须使玻璃纤维长度大于其临界长度。当纤维长度小于此临界长度的纤维增强材料受到一定的载荷时，纤维就有可能被拔出，纤维的强度就不能得到充分的发挥。临界长度的大小与具体的塑料品种有很大的关系，有资料标明，就玻纤增强聚丙烯而言，其玻纤临界长度为3.1mm，但是对于经过化学改性PP材料，玻纤临界长度可以达到0.9mm。但是在普通玻纤增强聚丙烯中玻璃纤维的长度却远远低于临界长度，造成材料的破坏模式主要是纤维被拨出而无法满足强度要求。

玻璃纤维增强热塑性塑料的制造过程中，纤维在挤出机中与树脂混炼时遭受螺杆和机筒之间的剪切力作用，纤维会受到损伤。为了弥补这一缺陷，逐步发展了长玻璃纤维增强热塑性塑料（LFT）。LFT制品中的玻璃纤维长度较长，一般可以达到3～5mm，而且纤维长度分布均匀，可以有效的提高制品的力学性能，特别是冲击强度和制品的耐热稳定性，因而受到越来越多的关注。

目前LFT存在两种类型的加工制造方法，一种是先加工成LFT母料，然后在经过注射成型的加工方法；另一种是一步法在线配混技术，即在生产线上配混玻璃纤维、塑料及添加剂后直接成型为制品，省去了造粒中间环节。

LFT母料法

LFT粒料早期曾用电缆包覆法、粉末浸渍法等来制备。近十余年采用一种新的工艺：使玻璃纤维无捻粗纱通过特殊模头，同时向模头供入热塑性塑料，在模头中无捻粗纱被强制分散开，受到熔融树脂的浸渍，使每根纤维都被树脂覆盖，经过冷却后切成较长的料粒(10~25mm)。由于纤维完全被树脂包围，因而在注射成型时纤维受到螺杆的损伤程度降低，在最终制品中保持了较长的长度。国外开发的长玻纤增强聚丙烯注射成型技术中，对于原料的要求较高，需要采用一种超低熔融粘度的聚丙烯树脂（树脂的熔融指数为300g/10min），使包裹在其中的玻璃纤维在加工过程中受到较小的剪切力。同时为了保证制品的强度，需要添加一种高结晶结构的聚丙烯树脂。LFT料粒中的典型玻璃纤维的含量为40%，一些“超浓度”料粒中的玻璃纤维含量甚至达到75%~80%。

LFT在线配混技术

在线配混成型技术，就是将原材料的配混过程融入制品成型过程（挤出或注塑）中，使塑料复合材料的配混与成型在一条生产线上连续不间断完成的技术。其工作原理是：在生产线上游设置一台连续供料的设备，可以是多组分的体积计量进料或者失重计量进料装置，将塑料和各种添加剂、颜料等按比例加入具有混合功能的挤出机中。挤出机完成以下功能：1，熔融基体塑料并将其与添加剂等充分混合；2，强力搅拌和均化熔体，达到无应力程度；3 ，螺杆的旋转自动将玻璃纤维无捻粗纱从纱筒中拉出，带入料筒中，玻纤一边被剪切折断，一边被塑料熔体浸渍并在剪切作用下分散于熔体中。当玻纤分散均匀后，此时的物料可以直接进入下游，下游可以是挤出成型，也可以是注射成型得到制品。

LFT在线配混成型的优点主要有两个：一个是成本低。在线配混技术生产的大结构部件比长玻璃纤维毡片热塑性塑料(GMT)压塑部件的成本低20%~50%。国外有报道美国GE塑料公司生产的商标为Aedel的聚丙烯GMT的售价为1.3美元/磅，而在线配混LFT的成本低于1美元/磅。另一个是制品总的性能优异。由于提高并保证了制品中纤维的极限长度，使制品的强度，刚度得到提高，另外还有成型周期短，制品没有边角废料，回收方便等优点，国外正在逐步推广应用。德国的Krauss-Maffei公司和加拿大的Husky公司均开发了在线配混注塑机并实现了产品系列化，Krauss-Maffei公司的产品已经用于制造克莱斯勒（DaimlerChrysler）汽车仪表盘的通气道。Krauss-Maffei公司已在全球售出30多台注塑配混机，其中约1/3被美国企业购入，主要用于汽车和包装用途。