长玻纤增强热塑性塑料注射成型技术

发布于:2021-06-22 11:55:31

长玻纤增强热塑性塑料注射成型技术
http://www.cngcsl.com 发布日期: 2007-10-10 阅读: 2372 字体:大 中 小 双击鼠标滚屏

长玻纤增强材料指的是用长度在 5 mm 以上的玻纤增强的复合材料,这种材 料主要应用在比短切玻纤增强材料要求更高的场合,在汽车零配件中的应用 尤为突出。20 世纪 80 年代中期,西欧国家生产轿车采用的纤维增强塑料为 40~50 kg/辆,1987 年美国轿车*均耗用纤维增强塑料约 36.3kg/辆,1990 年为 40.6 kg/辆,1992 年为 56.8 Kg/辆,其中玻纤增强热塑性塑料占有相 当大的比例。长玻纤增强热塑性塑料(LFT)首先在欧洲被成功应用到汽车 零件生产中,同时也受到北美设备生产厂家的关注。在欧洲和北美,许多汽 车零配件生产厂家都用 LFT 技术代替了原来的玻纤毡增强热塑性塑料(GMT) 技术,它已经成为塑料市场中发展最快的技术,在过去的 10 年中用于汽车 生产的长玻纤数量每年约增长 30%。市场的巨大需求及加工水*的提高推动 了 LFT 材料成型方法及设备的发展,其成型工艺及成型设备得到了飞速发展 尤其是在线配混注射成型技术越来越受到人们的关注,具有广阔的应用前 景。 1 LFT 材料的性质与用途 LFT 中的玻纤长度较长,而且纤维长度分布更好,与 GMT 相比具有以下优良 的性能:(1)制品的力学性能高,特别是冲击强度提高显著;(2)制品刚 度与质量比高,变形小,特别有利于 LFT 在汽车中的应用;(3)制品韧性 提高(4)制品抗蠕变性能好,尺寸稳定;(5)材料耐疲劳性能优良;(6)材料 加工性能好,可用于成型形状、结构复杂的制品,GMT 只能用于模压成型, 囚而 LFT 设计自由度比 GMT 更高;(7)可回收利用。 由于 LFT 材料所具有的优良比能,因而被广泛应用于汽车、机械、建筑、航 天航空及高新技术领域,特别是在汽车中的应用日渐增多。目前已广泛应用 于汽车中的制品有进气岐管、前端组件、保险杠、挡泥板、仪表盘、行李仓 底板、车门、车身板等。此外由于 LFT 材料优良的防腐性能而广泛用于化工 防腐方面的贮罐、管道、电镀槽器件、防腐地板等。 2 LFT 材料注射成型方法 目前用于 LFT 注射成型的方法主要有两种,一种是 LFT 料粒法,也称“两步 法”;另一种是在注塑生产线上配混连续玻纤、塑料及添加剂后直接成型为 制品,省去造粒的中间环节,也称“一步法”。由于纤维增强塑料熔体粘度 高,加工困难。传统加工过程会造成长玻纤的过度折断、对设备磨损严重等 问题,常规的短切玻纤增强塑料的制备方法及设备不适宜于 LFT 材料,需要 相应的成型设备及工艺与之配套。 2.1 “两步法”注射成型 在“两步法”成型工艺中,首先采用特殊方法加工制得 LFT 料粒(料粒中玻 纤长度大于 5 mm) 早期主要采用电缆包覆法、 。 粉末浸渍法等制得 LFT 料粒。 *年来国际上普遍采用一种新的工艺,即使玻纤无捻粗纱通过特殊模头,同 时向模头供人热塑性塑料,在模头中无捻粗纱被强制散开,受到塑料熔体的 浸溃,使每根纤维都被树脂包覆,冷却后切成较长的料粒(10~25 mm),

使玻纤的长度得到保证。 经过造粒制得 LFT 料粒后,可采用传统的注射成型热塑性塑料类似的方法制 得 LFT 制品。为了进一步提高玻纤与塑料熔体的混合效果,减少加工过程对 玻纤的破坏,通常需要对常规注射成型设备进行改造,如通过减小螺杆长径 比、减小压缩比、增大喷嘴及流道尺寸等来优化设备。 美国专利 5773042A 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。如图 1 所示,将 LFI 料粒从料斗 4 中加人,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 进人到注射料 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。

另外一种是通过滚轮来施加压力的方式,如图 2 所示。从进料口 9 中出来的 塑料熔休在一对异向旋转的滚轮的拉力作用下被挤人螺杆 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。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。山子“两步法”成型工艺复 杂、能耗增加,LFT 材料经过两次加热、冷却,从而降低了生产效率。

2.2 “一步法”注射成型 “一步法”注射成型方法是指在注塑生产线上配混玻纤、塑料及添加剂后直 接成型为制品的方法,依不同的分类方法可以分为不同的加工类型。可根据 塑化配混挤出机螺杆数量的多少来分类,也可根据成型过程中塑化机构的运 行方式进行分类。根据塑化机构的运行方式可以分为问歇式塑化、连续式塑 化两大类型,下面分别就间歇式塑化与连续式塑化进行讨论。 2.2.1 间歇式塑化 间歇式塑化是指在成型过程中,塑化配混过程是间歇进行的。也就是说,塑 化配混装置在计量贮料时运行,在注射成型的充模与保压阶段停止工作。美 国专利 5773042A 公开了一种间歇式塑化在线配混注射成型设备,如图 3 所 示。

图 3 中 LFT 料粒由料斗 2 加人,在双螺杆 3 的作用下向前输送并熔融塑化。 连续长玻纤 4 从下游加料口加人与塑料熔体混合,在螺杆的作用下向前推动 进人与之链接的贮料缸中。此时回转阀 7 关闭,储料缸活塞 6 在熔体压力的 推动下向上运动进行储料。当储料量满足制品要求时,双螺杆 3 停止转动, 塑化停止。此时回转阀 7 开启,喷嘴开关阀 11 关闭,储料缸中的熔体在活 塞 6 的推动下进人注射料筒 9 中, 活塞 8 后退, 实现计量过程。 计量完成后, 回转阀 7 关闭,塑化配混过程重新开始,喷嘴开关阀 11 打开,在注塑压力 的推动下, 活塞 8 向前移动, 通过喷嘴 12 将熔体注人模腔。 相比“两步法” 成型,在线配混“一步法”注射成型少了造粒的过程,从而减少了二次塑化 及切粒对纤维的损伤,提高了制品中纤维的长度,提高了制品的质量。 2.2.2 连续式塑化 连续式塑化在线配混 LFT 注射成型是指在成型过程中塑化配混是连续的,而 注射过程是间断的,如图 4 所示。图 4 料斗 2 中的塑料在双螺杆 1 中熔融塑 化并向前输送,连续玻纤 3 从下游加料口加人与塑料熔体在螺槽的剪切作用 下混合。如果塑料熔体不满足注射耍求或注射部分出现故障时熔体经换向阀 4 从旁路排人废料收集器 5 中。计量开始时喷嘴开关阀 8 关闭,开关阀 7 打 开,熔体经储料缸 6 进人注射料筒中,活塞 10 后退。当后退到设定位置后, 通过行程开关的作用,将开关阀 7 关闭,喷嘴开关阀 8 打开。在液压的作用 下,活塞 10 向前运动,推动料筒中的熔体 9 经喷嘴进人模腔中,实现充模 过程。在充模与保压阶段,由于开关阀 7 关闭,在熔体压力推动储料缸 6 的 活塞向上运动进行储料,双螺杆 1 连续工作。

在制品冷却阶段,双螺杆 1 中塑化产生的熔体及储料缸中的熔体在储料缸 6 的活塞压力下挤人注射料筒中进行计量,进人新的工作周期。通过储料缸的 作用将连续的配混塑化过程与间歇的注射成型过程结合起来,实现在线配混 注射成型过程。 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。 如图 5 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 I 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。 在线配混方式省去了造粒的工序,减少了造粒过程对纤维的折断,提高了制 品中玻纤的极限长度。同时“一步法”采用下游加料口加料的方式进行加 料,塑料熔体将玻纤包覆起来并对玻纤起润滑作用,从而减少对玻纤的过度 折断,提高了制品质量。但由于间歇的注射成型过程对螺杆头及储料缸中熔 体产生了压力一波动, 因而对制品的均匀性产生影响, 进而影响制品的质量。

3 发展展望 世界上 LFT 材料的市场需求量保持快速增长,这将为推动 LFT 材料在线配混 注射成型工艺及设备的发展提供强大的推动力。相对而言,我国在 LFT 材料 方面的开发较晚,产量也很低。在连续性 LFT 材料在线配混注射成型方面的 发展更晚,现在还处于起始阶段。随着*年来汽车工业的飞速发展及 LFT 材 料在汽车中应用越来越广泛,将为 LFT 材料成型技术及设备的发展提供巨大 的市场空间,开发新的 LFT 材料成型工艺及设备将会受到更多的关注,其发 展将会更迅速。

来源:工程塑料应用


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