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【长纤维增强热塑性塑料如何成型】
2017-08-21 16:19:12
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长纤维增强热塑性塑料 (LFRT) 正被应用于具有较高机械性能的注塑成型应用中。虽然 LFRT 技术能够提供良好的强度、刚度和冲击性能, 但这种材料的加工方法在决定最终部件的性能方面起着重要的作用。
为了成功地塑造 LFRT, 有必要了解他们的一些独特的特点。了解LFRT和传统增强热塑性塑料之间的差异, 促进了设备、设计和加工技术的发展, 充分发挥IFRT的最大价值和潜力。
LFRT与传统短玻璃纤维增强复合材料的区别在于纤维的长度。在LFRT中, 纤维的长度与晶粒相同。这是因为大多数LFRT是由拉挤而不是剪切式混合生产。在 LFRT 制造中, 玻璃纤维粗纱的连续长丝束首先被绘制成涂层和浸渍树脂的模头, 而连续增强的塑料条从机头切碎或造粒, 通常切割到10〜 12 mm 的长度。相比之下, 传统的短玻璃纤维复合体只含有长 3 ~ 4 毫米切碎的纤维, 剪切挤出机的长度通常减少到少于2mm。
LFRT通常是由拉挤工艺, 浸渍与树脂的连续玻璃纤维束, 然后切割成长的小球。玻璃纤维的长度等于粒状材料的长度。
LFRT颗粒中纤维的长度有助于提高 LFRT的力学性能--抗冲击或韧性, 同时保持刚度。只要纤维在成型过程中保持长度, 就会形成 "内部骨架", 提供超高的机械性能。然而, 一个坏的成型过程可以把长纤维产品变成短纤维材料。如果纤维的长度在成型过程中损坏, 则不可能获得所需的性能级别。
注塑件的热分解前后的图形。光是树脂燃烧后形成的长纤维的内部骨架, 它保持了组件的形状。为了保持纤维在 LFRT 成型过程中的长度, 有三重要的方面需要考虑: 注塑机, 零件和模具的设计和加工条件。
01设备注意事项
关于LFRT处理的一个常见问题是我们是否可能使用现有的注塑设备来形成这些材料。在绝大多数情况下, 形成短纤维配合物的设备也可用于形成LFRT。虽然大多数 LFRT 部件和产品都需要典型的短纤成型设备, 但对设备的一些修改可以帮助保持纤维的长度。
一个典型的 "饲料压缩-计量" 部分的通用螺丝是理想的这一过程和减少破坏性剪切的纤维通过减少压缩比的计量部分。约2:1 的计量段压缩比最适合LFRT产品。由于LFRT的磨损不大于传统的玻璃纤维增强热塑性塑料, 所以不需要用特殊的金属合金制造螺杆、桶等零件。
另一个可能得益于设计评审的设备是喷嘴的尖端。一些热塑性材料更容易用反锥喷嘴尖端加工, 当材料注入模具腔时, 会形成高剪切度。然而, 这种喷嘴尖端将大大减少纤维复合材料的长度。因此, 建议使用 100% "自由流动" 设计的沟槽喷嘴尖端/阀总成, 这使得长纤维容易通过喷嘴进入装配。此外, 喷嘴和浇口孔的直径应该是 5.5mm (0.250in) 或更松散的尺寸, 没有锋利的边缘。重要的是要了解如何通过注塑设备的材料流动, 并确定削减将导致纤维断裂。
用 "100% 自由流动" 设计的三件螺钉和环形阀可以最大限度地减少长纤维的断裂。
02 部件与模具设计
好的部件和模具设计对保持LFRT的纤维长度也大有裨益。消除部分边缘(包括肋线、凸台和其他特征)周围的尖角，可避免成型部件中不必要的应力，并减少纤维磨损。部件应采用壁厚均匀一致的标称壁设计。壁厚上较大的变化会导致部件中不一致的填充和不需要的纤维取向。在必须较厚或较薄的地方，要避免壁厚的突然变化，以避免形成可能损坏纤维的高剪切区域，并成为应力集中的源头。通常试着把浇口开在较厚的壁中，并流向薄的部分，使填充末端保持在薄的部分。通用的好的塑料设计原则建议，保持壁厚低于4mm(0.160in)将促进良好均匀的流动并减少凹陷和空隙的可能性。对于LFRT复合物，最佳的壁厚通常为3mm(0.120in)左右，最小的厚度为2mm(0.080in)。壁厚小于2mm时，材料在进入模具后其纤维断裂的概率增加。
部件只是设计中的一个方面，考虑材料如何进入模具也很重要。当流道和浇口引导物料进入型腔时，如果没有正确的设计，大量的纤维破坏会发生在这些区域中。
当设计一个成型LFRT复合物的模具时，全圆角的流道是最佳的，它的最小直径为5.5mm(0.250in)。除了全圆角流道，任何其他形式的流道都会有尖角，它们在成型过程中会增加应力而破坏玻璃纤维的增强效果。具有开放浇道的热流道系统是可以接受的。浇口的最小厚度应该有2mm(0.080in)。如果可能的话，沿着一条不阻碍物料流入型腔的边缘定位浇口。部件表面的浇口将需要进行90°的转动，以防止引发纤维断裂而降低机械性能。最后，要注意的熔合线的位置，并知道它们如何影响部件使用时承受载荷(或应力)的区域。应通过浇口的合理布局将熔合线移至应力水平预计较低的区域。
计算机充模分析可以帮助确定这些熔合线将定位的地方。结构有限元分析(FEA)可以用来对比高应力的位置和在充模分析中确定的汇合线位置。应该指出的是，这些部件和模具设计仅仅是建议。有很多部件的例子，它们具有薄壁、壁厚变化和精致或精细特征，利用LFRT复合物实现了良好的性能。然而，偏离这些建议越远，就要花更多的时间和精力来确保实现长纤维技术的全部好处。
03 加工设计
加工条件是LFRT成功的关键。只要采用了正确的加工条件，就有可能使用通用注塑机和正确设计的模具制备好的LFRT部件。换句话说，即使有适当的设备和模具设计，如果采用较差的加工条件，纤维长度也可能会受损。这就需要了解纤维在成型过程时将会遇到的情况，并且确定会引起纤维过度剪切的区域。
首先，要监控背压。高背压引入对物料产生的巨大剪切力，将会降低纤维长度。考虑从零背压开始并且仅使它增加至使螺杆在喂料过程中均匀退回，采用1.5~2.5bar(20~50psi)的背压通常足以获得一致的喂料。
高的螺杆转速也有不利的影响。螺杆旋转越快，固体和未熔材料就越可能进入螺杆压缩段造成纤维损伤。类似于针对背压的建议，应尽量保持转速在稳定填充螺杆所要求的最低水平。在成型LFRT复合物时，30~70r/min的螺杆速度是常见的。
在注射成型过程中，熔融通过两个共同作用的因素发生：剪切和热。因为目的是在LFRT中通过减少剪切来保护纤维的长度，因此将需要更多的热量。根据树脂体系，加工LFRT复合物的温度通常会比常规的成型复合物高10~30℃。
为了成功地塑造 LFRT, 有必要了解他们的一些独特的特点。了解LFRT和传统增强热塑性塑料之间的差异, 促进了设备、设计和加工技术的发展, 充分发挥IFRT的最大价值和潜力。
LFRT与传统短玻璃纤维增强复合材料的区别在于纤维的长度。在LFRT中, 纤维的长度与晶粒相同。这是因为大多数LFRT是由拉挤而不是剪切式混合生产。在 LFRT 制造中, 玻璃纤维粗纱的连续长丝束首先被绘制成涂层和浸渍树脂的模头, 而连续增强的塑料条从机头切碎或造粒, 通常切割到10〜 12 mm 的长度。相比之下, 传统的短玻璃纤维复合体只含有长 3 ~ 4 毫米切碎的纤维, 剪切挤出机的长度通常减少到少于2mm。
LFRT通常是由拉挤工艺, 浸渍与树脂的连续玻璃纤维束, 然后切割成长的小球。玻璃纤维的长度等于粒状材料的长度。
LFRT颗粒中纤维的长度有助于提高 LFRT的力学性能--抗冲击或韧性, 同时保持刚度。只要纤维在成型过程中保持长度, 就会形成 "内部骨架", 提供超高的机械性能。然而, 一个坏的成型过程可以把长纤维产品变成短纤维材料。如果纤维的长度在成型过程中损坏, 则不可能获得所需的性能级别。
注塑件的热分解前后的图形。光是树脂燃烧后形成的长纤维的内部骨架, 它保持了组件的形状。为了保持纤维在 LFRT 成型过程中的长度, 有三重要的方面需要考虑: 注塑机, 零件和模具的设计和加工条件。
01设备注意事项
关于LFRT处理的一个常见问题是我们是否可能使用现有的注塑设备来形成这些材料。在绝大多数情况下, 形成短纤维配合物的设备也可用于形成LFRT。虽然大多数 LFRT 部件和产品都需要典型的短纤成型设备, 但对设备的一些修改可以帮助保持纤维的长度。
一个典型的 "饲料压缩-计量" 部分的通用螺丝是理想的这一过程和减少破坏性剪切的纤维通过减少压缩比的计量部分。约2:1 的计量段压缩比最适合LFRT产品。由于LFRT的磨损不大于传统的玻璃纤维增强热塑性塑料, 所以不需要用特殊的金属合金制造螺杆、桶等零件。
另一个可能得益于设计评审的设备是喷嘴的尖端。一些热塑性材料更容易用反锥喷嘴尖端加工, 当材料注入模具腔时, 会形成高剪切度。然而, 这种喷嘴尖端将大大减少纤维复合材料的长度。因此, 建议使用 100% "自由流动" 设计的沟槽喷嘴尖端/阀总成, 这使得长纤维容易通过喷嘴进入装配。此外, 喷嘴和浇口孔的直径应该是 5.5mm (0.250in) 或更松散的尺寸, 没有锋利的边缘。重要的是要了解如何通过注塑设备的材料流动, 并确定削减将导致纤维断裂。
用 "100% 自由流动" 设计的三件螺钉和环形阀可以最大限度地减少长纤维的断裂。
02 部件与模具设计
好的部件和模具设计对保持LFRT的纤维长度也大有裨益。消除部分边缘(包括肋线、凸台和其他特征)周围的尖角，可避免成型部件中不必要的应力，并减少纤维磨损。部件应采用壁厚均匀一致的标称壁设计。壁厚上较大的变化会导致部件中不一致的填充和不需要的纤维取向。在必须较厚或较薄的地方，要避免壁厚的突然变化，以避免形成可能损坏纤维的高剪切区域，并成为应力集中的源头。通常试着把浇口开在较厚的壁中，并流向薄的部分，使填充末端保持在薄的部分。通用的好的塑料设计原则建议，保持壁厚低于4mm(0.160in)将促进良好均匀的流动并减少凹陷和空隙的可能性。对于LFRT复合物，最佳的壁厚通常为3mm(0.120in)左右，最小的厚度为2mm(0.080in)。壁厚小于2mm时，材料在进入模具后其纤维断裂的概率增加。
部件只是设计中的一个方面，考虑材料如何进入模具也很重要。当流道和浇口引导物料进入型腔时，如果没有正确的设计，大量的纤维破坏会发生在这些区域中。
当设计一个成型LFRT复合物的模具时，全圆角的流道是最佳的，它的最小直径为5.5mm(0.250in)。除了全圆角流道，任何其他形式的流道都会有尖角，它们在成型过程中会增加应力而破坏玻璃纤维的增强效果。具有开放浇道的热流道系统是可以接受的。浇口的最小厚度应该有2mm(0.080in)。如果可能的话，沿着一条不阻碍物料流入型腔的边缘定位浇口。部件表面的浇口将需要进行90°的转动，以防止引发纤维断裂而降低机械性能。最后，要注意的熔合线的位置，并知道它们如何影响部件使用时承受载荷(或应力)的区域。应通过浇口的合理布局将熔合线移至应力水平预计较低的区域。
计算机充模分析可以帮助确定这些熔合线将定位的地方。结构有限元分析(FEA)可以用来对比高应力的位置和在充模分析中确定的汇合线位置。应该指出的是，这些部件和模具设计仅仅是建议。有很多部件的例子，它们具有薄壁、壁厚变化和精致或精细特征，利用LFRT复合物实现了良好的性能。然而，偏离这些建议越远，就要花更多的时间和精力来确保实现长纤维技术的全部好处。
03 加工设计
加工条件是LFRT成功的关键。只要采用了正确的加工条件，就有可能使用通用注塑机和正确设计的模具制备好的LFRT部件。换句话说，即使有适当的设备和模具设计，如果采用较差的加工条件，纤维长度也可能会受损。这就需要了解纤维在成型过程时将会遇到的情况，并且确定会引起纤维过度剪切的区域。
首先，要监控背压。高背压引入对物料产生的巨大剪切力，将会降低纤维长度。考虑从零背压开始并且仅使它增加至使螺杆在喂料过程中均匀退回，采用1.5~2.5bar(20~50psi)的背压通常足以获得一致的喂料。
高的螺杆转速也有不利的影响。螺杆旋转越快，固体和未熔材料就越可能进入螺杆压缩段造成纤维损伤。类似于针对背压的建议，应尽量保持转速在稳定填充螺杆所要求的最低水平。在成型LFRT复合物时，30~70r/min的螺杆速度是常见的。
在注射成型过程中，熔融通过两个共同作用的因素发生：剪切和热。因为目的是在LFRT中通过减少剪切来保护纤维的长度，因此将需要更多的热量。根据树脂体系，加工LFRT复合物的温度通常会比常规的成型复合物高10~30℃。
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