前言
復(fù)合材料根據(jù)樹脂基體材料不同，分為金屬基復(fù)合材料、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料和樹脂基復(fù)合材料三大類。樹脂基復(fù)合材料又分為熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料（FRTP）兩類。熱塑性復(fù)合材料是指以熱塑性樹脂為基體，以各種纖維為增強(qiáng)材料而制成的復(fù)合材料。如PP、PA66、PA6、PBT等都屬于熱塑性樹脂。
玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（熱塑性玻璃鋼）作為FRTP中的一大類，具有密度小、強(qiáng)度高，熱塑性好，耐化學(xué)腐蝕，電性能優(yōu)異，加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要用于航天航空、汽車制造工業(yè)、船舶工業(yè)、化工防腐、電子工業(yè)及建筑工程等。而短切玻璃纖維增強(qiáng)FRTP作為熱塑性玻璃鋼中的一大類，得到了很快的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。
1 生產(chǎn)工藝
短切纖維增強(qiáng)FRTP是將玻璃纖維（長0.2~7mm）均勻地分布在熱塑性樹脂基體中的一種復(fù)合材料，其生產(chǎn)工藝一般都要經(jīng)過造粒和成型兩個過程。
1.1 粒料生產(chǎn)工藝
粒料生產(chǎn)方法有三種，分別是短切纖維原絲單螺桿擠出法、單螺桿排氣式擠出機(jī)回擠造粒法、排氣式雙螺桿擠出機(jī)造粒法。本文主要介紹第三種方法。
粒料生產(chǎn)方法有三種，分別是短切纖維原絲單螺桿擠出法、單螺桿排氣式擠出機(jī)回擠造粒法、排氣式雙螺桿擠出機(jī)造粒法。本文主要介紹第三種方法。
排氣式雙螺桿擠出機(jī)造粒法根據(jù)加料方式的不同，可分為兩種造粒法。一種是將樹脂和短切后的玻璃纖維分別加入排氣式雙螺桿擠出機(jī)的兩個加料漏斗，通過送料螺桿將樹脂和纖維一起送入料筒內(nèi)，在料筒內(nèi)纖維和樹脂混合均勻，經(jīng)過排氣段除去混料中的揮發(fā)性物質(zhì)，進(jìn)一步塑煉后經(jīng)口模擠出料條，再經(jīng)冷卻、干燥，然后切成粒料，俗稱為短纖法。
另一種方法是將樹脂和纖維（常為合股紗）分別加入排氣式雙螺桿擠出機(jī)的樹脂加料漏斗和進(jìn)絲口，玻璃纖維被左旋螺桿及捏合裝置所破碎，后面的工藝與短切法相同，俗稱為長纖法。粒料中的玻纖含量，前一種方法可由送料螺桿的轉(zhuǎn)速來控制；后一種方法可由調(diào)整送入擠出機(jī)的玻纖股數(shù)和料筒內(nèi)的螺桿轉(zhuǎn)速來控制。雙螺桿擠出機(jī)能有效地使樹脂充分塑化，并與纖維均勻復(fù)合。其工藝如下圖1—1和圖1—2。
1.2 注射成型工藝
注射成型是樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)中的一種重要成
型方法，它適用于熱塑性和熱固性復(fù)合材料，但以熱塑性復(fù)合材料最廣。FRTP的注射成型過程主要產(chǎn)生物理變化。增強(qiáng)粒料在注射機(jī)的料筒內(nèi)加熱熔化至粘流態(tài)，以高壓迅速注入溫度較低的閉合模內(nèi)，經(jīng)過一段時間冷卻，使物料在保持模腔形狀的情況下恢復(fù)到玻璃態(tài)，然后開模取出制品。這一過程主要是加熱、冷卻過程，物料不發(fā)生化學(xué)變化。
注射成型周期短，熱耗量少，產(chǎn)品質(zhì)量好，可使形狀復(fù)雜的產(chǎn)品一次成型，而且生產(chǎn)效率高，成本低，只是對模具的要求高，也不能用于長纖維增強(qiáng)的產(chǎn)品。
型方法，它適用于熱塑性和熱固性復(fù)合材料，但以熱塑性復(fù)合材料最廣。FRTP的注射成型過程主要產(chǎn)生物理變化。增強(qiáng)粒料在注射機(jī)的料筒內(nèi)加熱熔化至粘流態(tài)，以高壓迅速注入溫度較低的閉合模內(nèi)，經(jīng)過一段時間冷卻，使物料在保持模腔形狀的情況下恢復(fù)到玻璃態(tài)，然后開模取出制品。這一過程主要是加熱、冷卻過程，物料不發(fā)生化學(xué)變化。
注射成型過程如圖1-3所示。
注射成型周期短，熱耗量少，產(chǎn)品質(zhì)量好，可使形狀復(fù)雜的產(chǎn)品一次成型，而且生產(chǎn)效率高，成本低，只是對模具的要求高，也不能用于長纖維增強(qiáng)的產(chǎn)品。
2 影響成型制品性能的因素
短切玻纖增強(qiáng)FRTP的性能與許多因素有關(guān)。
以下主要介紹幾種常見的影響因素對其力學(xué)性能的影響。
2.1 纖維含量的影響
各種樹脂品種對短切玻纖增強(qiáng)FRTP的最佳纖維含量是不同的，增強(qiáng)尼龍的最佳含量為30%左右，增強(qiáng)聚甲醛的最佳玻纖含量則為20%左右。表2-1為玻璃纖維含量對增強(qiáng)PA66性能的影響。從表中看出，玻璃纖維含量從20%增大到55%，力學(xué)性能都在不斷的增加。玻纖含量在40%~55%之間時，力學(xué)性能變化很緩慢。當(dāng)玻纖含量超過60%時，力學(xué)性能反而降低，這是因為含量過多，成型過程中纖維磨損嚴(yán)重，反而會導(dǎo)致纖維喪失增強(qiáng)作用。當(dāng)纖維含量過少時，其拉伸強(qiáng)度和沖擊
強(qiáng)度都會下將。
玻璃纖維直徑對短切纖維增強(qiáng)FRTP的性能影響是一個復(fù)雜的問題，表2-2為纖維直徑對尼龍復(fù)合材料的影響。一般來講，纖維直徑越細(xì)，強(qiáng)度越高。但是若纖維直徑太小，將會增加生產(chǎn)的難度，而且細(xì)纖維用在復(fù)合材料中，弱界面也會隨之增加，加工過程中的纖維磨損嚴(yán)重，強(qiáng)度損失也較大。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常有7μm、10μm、10.5μm、13μm。
關(guān)系著纖維與樹脂的結(jié)合，進(jìn)而大大地影響了FRTP的力學(xué)性能。表2-3是玻璃纖維經(jīng)不同浸潤劑處理后增強(qiáng)同一種樹脂后的力學(xué)性能。
各種樹脂品種對短切玻纖增強(qiáng)FRTP的最佳纖維含量是不同的，增強(qiáng)尼龍的最佳含量為30%左右，增強(qiáng)聚甲醛的最佳玻纖含量則為20%左右。表2-1為玻璃纖維含量對增強(qiáng)PA66性能的影響。從表中看出，玻璃纖維含量從20%增大到55%，力學(xué)性能都在不斷的增加。玻纖含量在40%~55%之間時，力學(xué)性能變化很緩慢。當(dāng)玻纖含量超過60%時，力學(xué)性能反而降低，這是因為含量過多，成型過程中纖維磨損嚴(yán)重，反而會導(dǎo)致纖維喪失增強(qiáng)作用。當(dāng)纖維含量過少時，其拉伸強(qiáng)度和沖擊
強(qiáng)度都會下將。
表2-1 同一種短切纖維ECS301HP-3增強(qiáng)尼龍66時纖維含量對力學(xué)性能的影響
|
測試項目
|
20%
|
30%
|
40%
|
45%
|
50%
|
55%
|
60%
|
65%
|
|
拉伸強(qiáng)度/MPa
|
138.70
|
189.99
|
200.11
|
225.81
|
228.26
|
246.25
|
242
|
222.71
|
|
伸長率(%)
|
15.04
|
11.53
|
15.30
|
14.52
|
15.75
|
14.30
|
18.59
|
14.00
|
|
彎曲強(qiáng)度/MPa
|
206.37
|
286.53
|
293.89
|
336.70
|
334.48
|
363.91
|
349.26
|
319.71
|
|
彎曲模量/GPa
|
5.06
|
7.13
|
8.17
|
10.38
|
11.63
|
13.63
|
13.63
|
15.75
|
|
缺口沖擊KJ/M2
|
9.24
|
16.74
|
16.17
|
21,87
|
18.03
|
20.22
|
19.75
|
22.02
|
|
無缺口沖擊KJ/ M2
|
48
|
85.75
|
101.75
|
107.50
|
100.5
|
105.75
|
94.75
|
70.25
|
2.1 纖維質(zhì)量的影響
2.2.1 纖維直徑對性能的影響
2-2 不同纖維直徑對尼龍玻璃鋼性能的影響
|
纖維名稱
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
ECS301CL-3
|
|
直徑/μm
|
10.5
|
11
|
13
|
15
|
17
|
|
GF(%)
|
31.69
|
32.31
|
33.09
|
33.04
|
30.89
|
|
拉伸強(qiáng)度/MPa
|
172.75
|
178.09
|
176.62
|
169.59
|
163.28
|
|
伸長率(%)
|
10.14
|
11.26
|
11.32
|
10.73
|
10.68
|
|
彎曲強(qiáng)度/ MPa
|
265.01
|
249.78
|
251.65
|
236.83
|
238.85
|
|
彎曲模量/GPa
|
7.60
|
6.71
|
6.86
|
6.82
|
6.80
|
|
缺口沖擊/KJ/M2
|
18.46
|
16.88
|
18.61
|
17.59
|
18.03
|
|
無缺口沖擊KJ/M2
|
93.000
|
82.25
|
82
|
63.75
|
54.5
|
|
綜合比較（以10.5un為基準(zhǔn)）
|
100
|
94.30
|
96.54
|
87.84
|
85.22
|
2.2.2 纖維長度和分散狀態(tài)對性能的影響
纖維長度對FRTP性能影響很大，在保證纖維均勻分布的前提下，一般規(guī)律是纖維越長，制成的制品強(qiáng)度越高。實(shí)驗證明，當(dāng)玻璃纖維長度小于0.04mm時，纖維不起增強(qiáng)作用。相反，如果FRTP內(nèi)纖維長度太長，樹脂與纖維的結(jié)合將會受到影響，從而影響FRTP的強(qiáng)度。
纖維在制品中的分散狀況對制品性能的影響用不同的浸潤劑對玻璃纖維進(jìn)行處理（通過在拉絲過程中進(jìn)行涂覆）。浸潤劑在玻璃纖維表面形成一層保護(hù)膜，它影響著纖維在樹脂中的分散狀況，也很大。一般來講，纖維分散越均勻，機(jī)械強(qiáng)度就越好，彈性模量也有明顯的增加。
2.2.3 玻璃纖維表面處理對FRTP性能的影響
玻璃纖維表面處理情況直接關(guān)系著FRTP的外觀和力學(xué)性能。處理纖維表面用浸潤劑中包括偶聯(lián)劑、成膜劑、潤滑劑、潤濕劑、抗靜電劑、消泡劑等。根據(jù)玻璃纖維用以增強(qiáng)不同的樹脂關(guān)系著纖維與樹脂的結(jié)合，進(jìn)而大大地影響了FRTP的力學(xué)性能。表2-3是玻璃纖維經(jīng)不同浸潤劑處理后增強(qiáng)同一種樹脂后的力學(xué)性能。
表2-3 增強(qiáng)尼龍66后的性能對比
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項目
|
ECS301HP-3
|
ECS301CL-3
|
ECS306-3
|
|
GF(%)
|
33.02
|
33.22
|
33.35
|
|
拉伸強(qiáng)度/MPa
|
206.25
|
204.55
|
186.08
|
|
伸長率(%)
|
17.36
|
14.99
|
12.55
|
|
彎曲強(qiáng)度/MPa
|
289.69
|
295.23
|
253.56
|
|
彎曲模量/GPa
|
7.84
|
8.06
|
6.94
|
|
缺口沖擊/ KJ/M2
|
12.87
|
15.33
|
19.20
|
|
無缺口沖擊/ KJ/M2
|
82.25
|
85.00
|
98.25
|
3 結(jié)束語
短切玻璃纖維增強(qiáng)FRTP作為玻纖行業(yè)下游企業(yè)的一大方向，在材料體系中是不可替代的一個重要組成部分，因此掌握該類材料的成型工藝及其影響質(zhì)量的有關(guān)因素是非常重要的。
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