长玻纤增强热塑性复合材料(LFRT)因其良好的力学性能、可回收利用、质量轻和成本低等原因，是近十年来备受关注的高分子复合材料之一，相对于短玻纤增强热塑性复合材料(SFRT)，LFRT在性能上显得更为优越。LFRT在发展上较为迅猛，应用广泛，种类繁多，其中长玻纤增强聚丙烯(PP/LFT)复合材料最为常见。目前，主要应用于汽车、电子、家电、通讯、机械、化工、军工、体育器材、医疗器械等领域，特别是在汽车零配件专用塑料市场上的应用发展潜力十分巨大。随着LFRT在诸多领域应用不断深入，对LFRT关键技术和设备的研究显得尤为重要。
一、LFRT成型工艺
1.热模压成型
热模压成型工艺具有结构简单、热稳定性好和制品外形多样化等优点，是制备长玻纤增强热塑性复合材料较常用的成型工艺之一。其工艺流程如下图所示，利用加热设备在高温作用下将热塑性材料加热到熔融的状态，再与玻璃纤维一起转移至加热模具进模压，通过保压、冷却成型和脱模来制备LFRT，是制备LFRT较为传统的成型工艺。
▲热模压成型工艺流程示意图
2.注塑成型
注塑成型工艺是目前制备长玻纤增强热塑性材料最为重要的成型工艺，因该成型工艺具备稳定性高、可自动化和效率高等优点，也是目前应用较为广泛的成型工艺。按照材料熔融塑化的次数，LFRT注塑成型的工艺方法主要分为两种，一种是LFRT料粒法，也称“两步法”；另一种是在线配混直接成型，也称“一步法”。
（1）料粒法
料粒法（两步法）是经过两次高温加热对材料进行塑化的方法，该方法需要预先通过双螺杆挤出机塑化挤出-冷却-造粒的工序来制备LFRT母粒，再将所制得的料粒与热塑性材料一起放进注塑机中，经过再一次高温塑化后进入模腔保压、冷却成型，该方法所制备的LFRT经过两次塑化，故也称“两步法”，其工艺流程如下图所示。料粒法具有成型精度高和效率高等优点，不足是由于二次加热和螺杆对玻纤的剪切作用，导致了玻纤结构破坏，从而对复合材料最终的性能产生影响。
▲料粒法成型工艺示意图
美国专利长纤维增强热塑性树脂注射成型装置阐述了一种通过对塑料熔体额外施加压力来提高玻纤在熔体中分散效果的方法。如下图所示，将聚丙烯粒料从料斗4中加入，异向旋转双螺杆2在驱动装置1的作用下推动物料在料筒3中运动，物料在外加热器5、螺杆剪切热、螺杆芯轴孔内加热油的作用下熔融塑化。在此过程中产生的气体及其它挥发物从排气孔6中排出。熔体通过进料口8进入到注射料筒中，通过进料口8施加额外的压力作用在熔体上，从而有利于玻纤的解缠结，提高玻纤在熔体中的分散性，减少对玻纤的破坏、折断。
▲加工长玻纤增强聚丙烯复合材料注射示意图
另外一种是通过滚轮来施加压力的方式，如下图所示。从进料口9中出来的塑料熔体在一对异向旋转的滚轮的拉力作用下被挤入螺杆12中，在滚轮的压力作用下使玻纤束进一步解缠结并分散在熔体中。通过控制滚轮11的转速及滚轮之间的间隙大小可以调节滚轮对熔体的作用力的大小及螺杆前端熔体的压力，实现对玻纤束的解缠结程度的调节。
由于“两步法”成型工艺复杂、能耗增加，长玻纤增强聚丙烯复合材料经过两次加热、冷却，从而降低了生产效率。
▲滚轮施压加工长玻纤增强聚丙烯复合材料注射示意图
（2）在线配混直接成型
在线配混直接成型（一步法）即将玻璃纤维、热塑性树脂和其他助剂等在一条生产线上配混，再利用挤出机挤出的成型的方法。
相比料粒法，在线配混直接成型省去中间造粒环节，配混和注塑连续进行，该方法具有机械能更高、能耗更低和成本更低的优点。
目前，LFRT在线配混直接注塑成型技术已被许多欧美的汽车复合材料零部件生产企业广泛应用。
▲单螺杆在线配混注射成型原理示意图
上图中热塑性树脂从料斗5中加入，在单螺杆9的作用下向前进行塑化运输。长玻纤4在切纤装置16和侧喂料装置17的作用下进入料筒与熔融热塑性树脂进行配混，经过一段时间塑化后，借助液压系统19的外力，将塑化后LFRT从模头13挤出进入模腔14制得LFRT，实现了LFRT在线配混。
另一种实现在线配混注射成型的方法是通过两套或两套以上的注射装置共用一套塑化系统的方式来实现。
如下图所示，双螺杆配混挤出机1连续工作，通过开关阀4、5轮流对注射装置2、3供料。在注射装置2的充模与保压阶段，开关阀4关闭，开关阀5打开，配混挤出机1向注射装置3供料，进行计量过程。相反在注射装置3的充模与保压阶段，开关阀4打开，开关阀5关闭，配混挤出机1向注射装置2供料进行计量。
其中如何控制塑化计量的速度与冷却时间相匹配是至关重要的。
▲多注射装置长玻纤增强在线配混注塑机示意图
3.拉挤成型
拉挤成型是借助外力牵引下纤维粗纱经过浸渍、固化和切料等工序来制备LFRT的成型工艺，成型后的材料截面固定且实现材料连续生产，工艺流程如下图所示。
该成型工艺具有连续成型、生产效率高和制品性能稳定等优点，是制造高纤维体积含量、高性能低成本复合材料的一种重要方法。
二、在线配混注射设备发展及研制
广东伊之密精密机械股份有限公司已经展开了螺杆一线式长玻纤增强聚丙烯在线配混注塑成型方面的研究工作。
研发了螺杆一线式注塑成型方式实现长玻纤增强聚丙烯复合材料的在线混配注塑成型机，主要由合模机构、塑化注射机构、进纤系统、液压系统和电器控制系统组成，配以切纤机、机器手、模温机等。
采用智能化控制系统实现主机和辅机的统一操作控制，组成螺杆一线式长玻纤增强聚丙烯复合材料在线混配注塑系统，实现了长玻纤增强聚丙烯复合材料的塑化、混合、注塑过程，较好地解决了长玻纤增强聚丙烯复合材料的成型成性问题。
项目产品集成了机械设计、自动控制技术、液压控制、材料技术，实现了机电一体化与工业设计的深度融合。
三、设计的产品主要结构特点
1.根据概念设计在三维CAD软件中建立注射机械系统模型，在多体动力学软件中建立合模机构的机械—液压仿真虚拟样机，将多刚体动力学建模方法与大位移、非线性分析求解功能相结合，利用该虚拟样机对合模机构输出的锁模力和动型座板行程进行动力学仿真，并最终实现合模机构的机械—液压联合优化设计。
2.该设备在机械结构上大胆创新，利用单螺杆一线式结构(如下图所示)实现混配过程与注塑过程的协同连续，结构简单、工艺灵活。
▲螺杆一线式结构
3.其中单螺杆结构分段构型+波浪状分散设计，如下图所示，利用波浪状形成体积脉动捏合作用，在螺杆旋转过程中推动熔体上下翻滚，顶层和底层料能实现互换，更快更好的传质传热，改善了熔体和玻纤的分散性。设计了中段玻纤强制抽真空喂料系统与高效塑化装置结合的新型注塑机构。
玻纤在熔胶筒中部精确计量喂入，为保证玻纤喂入过程顺畅，在喂纤口局部抽真空吸附。同时单螺杆分段构型，集熔融塑化与混合分散功能于一体，结构紧凑。
▲波浪状螺杆结构
4.采用自主研制的一种嵌入式数据采集控制模块和控制软体，该模块与PLC、HMI共同组成注射机实时控制系统。系统的实时性能够满足高性能闭环控制注射系统的要求，同时保持了PLC控制系统的通用性和模块化设计思路，整套系统易维护、可靠性和性价比高。
前期中试阶段对在线配混注塑产品进行了测试，如下图所示。从扫描电镜图看出，玻纤长度保持的比较好，同时长玻纤分散的比较均匀，取得了预定的效果。
LFRT因其独特优越的性能，被广泛应用在诸多领域。近十年来，LFRT的发展较为迅猛，在研究上也取得很大进步。但相对欧美国家，我国对LFRT的研究起步较晚，在工艺和设备的研发上仍存在许多问题亟待解决，如工艺优化、设备改良与加工精度等关键技术有待进一步解决。
随着我国科技水平的不断发展，如何更好确保玻纤的取向与分散度，建立塑化输运与产品性能的关系，以及工艺参数和设备结构对制品性能的影响是未来研究开发的方向。
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