LFT技术发展概况
发布时间:2008-05-19 浏览次数:
定义
长纤维增强热塑性塑料简称LFT或LFRT,是用长玻璃纤维代替原来的短切纤维与PP、PA、PET等热塑性塑料通过挤出、造粒或造片等方法制得的复合材料,可以用玻璃纤维和塑料造粒制成半成品后再经注射或模压成型为最终制品,也可以在同一生产线上把玻璃纤维、塑料混合挤出后直接模压或注射成型为最终制品。前者称为LFT粒料(LFT-G或LFT-P),后者称为直接LFT(LFT-D或D-LFT)。
据有关厂商介绍,一般的短切纤维(长度4.5mm、6mm等)增强粒料,在经过螺杆、注料嘴、模腔这些作业区后,纤维的长度大为减少,最终制品中的纤维平均长度已不到1mm,因此对制品力学性能的帮助有限。而LFT技术可以得到12mm以上的粒料或片料,纤维长度与粒料长度相当,不论是模压还是注射成型,最终制品中的纤维平均长度仍然不低于4mm,因而大大提高了制品的力学性能。
另据外刊文章论述,LFT材料的力学性能与其中增强纤维的长度直接相关。而“长”是一个非常相对的概念,很难作出明确的定义。例如,2mm的平均长度在传统的注射成型工艺中被认为“较长”,但在模压成型工艺中则被认为“较短”。这种讨论有时还被不同的材料和工艺开发者根据自己的兴趣加上各自的色彩。
近年来,汽车工业对节省成本的强劲要求促使LFT领域开发了多种新的材料和工艺。其结果,在专业文献资料中出现了多种缩写和新的术语,常常在说明同一材料或工艺时所用术语不一致。这就造成了术语和定义的一些混淆。然而,最近启动了一项重要举措,即开始制订此行业中各种半成品和加工方法的标准术语,确定标准的评价和测试方法。这些基础工作由欧洲热塑性复合材料同盟执行。
长纤维粒料
LFT获得发展和大量应用的驱动力其实是GMT(玻纤毡增强热塑性塑料)。虽然GMT是成熟的技术,但它作为新材料新应用“开路先锋”的作用正在受到挑战。由于汽车等行业对降低成本的明显需求,一些更新的材料和工艺技术陆续问世。
10多年前,用线材包覆法、直角机头挤出法和几种拉挤法制出了长纤维粒料或片料。后来又开发了复合纤维和粉末浸渍技术。这些长纤维粒料适用于经典的注射成型工艺(IM)以及注射/模压工艺(ICM)和挤出/模压工艺(ECM)。
所有这些工艺中都包含一个塑化装置:注射螺杆或挤出螺杆。这是最终制品中纤维长度变短的主要原因。长度变短是由螺杆的摩擦、剪切和取向作用以及玻璃纤维之间的相互作用而引起。作为一例,在螺杆区中初始长度为25mm的长纤维粒料在最终制品中的纤维平均长度变成了4mm。
在注射成型工艺中,不必须考虑纤维长度在注料嘴、模腔等处还要变得更短的情况,以便在设计设备时注意尽量减少纤维的断裂和最终制品中物理性能的不均匀。事实表明,在设计注射机和模具时使之适应长纤维粒料的性能,就可以在最终制品中获得较为理想的纤维长度。
直接LFT
热塑性复合材料的真正突破发生在上世纪90年代,那就是把原料的配混直接与最终制品的制造结合起来的直接LFT技术。
这方面的主要开发成果是在挤出/模压工艺方面。这种技术可细分为不同的混料方法(单螺杆或双螺杆挤出机)、浸渍方法(直接喂料或采用辅助系统)、增强材料形式(连续纤维或短切纤维)、基体材料形式(聚丙烯是粒料、粉末或水分散液)等。而在注射成型方面,虽然约15年前就有了改进的注射工艺,但这种系统在2001年才开始获得广泛的工业应用。在过去5年中,直接LFT技术获得了很大的市场份额。
直接LFT技术的好处在于:其一,它省去了半成品的制造,这对材料和加工成本都具有明显效益;其二,省去了基体树脂的再次加热和塑化过程,因而减少了热应力;其三,制品生产商可以根据制品要求,对工艺条件和材料配方作大的改变,从而迅速而有效地调适工艺过程。
但是,省出半成品阶段也有一些缺点。制品生产商不仅要负责最终产品的生产,而且还要负责原料的准备和均化,注意其材料等级和品质。此外,在线配混系统需要更大的投资和技术水平更高的操作人员。
未来发展趋势
高成本的压力将导致采用直接技术(D-LFT)来代替半成品技术(GMT和LFT-G)。GMT的现有优点正通过研发与之匹敌的材料和加工技术来获取。但是GMT不可否认的优点,即高抗冲击性能和高刚度的结合,是其他材料和工艺很难达到的。在长纤维粒料方面,已经开发了高纤维含量的粒料来与直接LFT比美。这种粒料的玻璃纤维含量高达75%,在成型时直接用来增强的聚乙烯与之混合,以降低玻纤含量,达到通常水平。
上述LFT材料和工艺中孰将占据市场统治地位不能一概而论,这取决于所生产的制品及其特定的因素。而且各种方法都有各自的优缺点。值得一提的是,在D-LFT的挤出/模压工序中使用连续纤维或织物作局部补强,在模具外加热,然后与增塑剂一起喂入模具的方法可以大大提高制品的抗冲击性能。同样,在D-LFT的挤出/模压或注射/模压工序中加入预先加工的补强嵌件也已获得成功应用。