绥化蟹贤科技有限公司

長(cháng)纖維增強熱塑性塑料（LFRT）正在被用于高機械性能的注塑成型應用。雖然LFRT技術(shù)能夠提供良好的強度、剛度和沖擊性能，但這種材料的加工方法對于確定最后部件能達到怎樣的性能起著(zhù)重要的作用。

為了成功地成型LFRT，對它們一些獨有的特點(diǎn)進(jìn)行了解十分必要。了解LFRT與常規增強熱塑性塑料之間的差異推動(dòng)了設備、設計和加工技術(shù)的發(fā)展，以發(fā)揮LFRT的最大價(jià)值和潛力。

LFRT和傳統短切、短玻璃纖維增強復合物的區別在于纖維的長(cháng)度。在LFRT中，纖維的長(cháng)度和粒料的長(cháng)度相同。這是由于大多數LFRT是通過(guò)拉擠成型工藝而不是剪切型配混來(lái)生產(chǎn)的。

在LFRT制造中，玻璃纖維無(wú)捻粗紗的連續絲束先被拉入一個(gè)模頭中進(jìn)行涂層和浸漬樹(shù)脂，從模頭出來(lái)后，這種連續的增強塑料條被短切或造粒，通常切至10~12mm的長(cháng)度。相比之下，傳統的短玻纖復合物只包含長(cháng)3~4mm的短切纖維，在剪切型擠出機中其長(cháng)度會(huì )進(jìn)一步減少至通常2mm不到。

LFRT粒料中的纖維長(cháng)度有助于改進(jìn)LFRT的機械性能——抗沖擊性或韌性增加，同時(shí)保持剛度。只要纖維在成型過(guò)程中保持長(cháng)度，它們就會(huì )形成一個(gè)“內部骨架”，提供超高的機械性能。然而，一個(gè)糟糕的成型過(guò)程會(huì )把長(cháng)纖維產(chǎn)品變成短纖維材料。如果纖維的長(cháng)度在成型過(guò)程中受到損害，則不可能獲得所需要的性能水平。?

為了在LFRT成型過(guò)程中保持纖維的長(cháng)度，有三個(gè)重要方面需要考慮：注塑機、部件和模具設計以及加工條件。

一、設備注意事項

經(jīng)常被問(wèn)到的一個(gè)有關(guān)LFRT加工的問(wèn)題是：我們是否有可能利用現有的注塑設備來(lái)成型這些材料。在絕大多數的情況下，用于成型短纖維復合物的設備也可用于成型LFRT。雖然典型的短纖維成型設備對于大多數的LFRT部件和產(chǎn)品是滿(mǎn)足要求的，但對設備做一些改造可以更好幫助保持纖維的長(cháng)度。

一根具有典型“進(jìn)料—壓縮—計量”段的通用螺桿非常適用于該過(guò)程，而且通過(guò)降低計量段的壓縮比可以減少纖維破壞性的剪切。大約為2:1的計量段壓縮比對于LFRT產(chǎn)品是最佳的。用特殊金屬合金制造螺桿、機筒和其他部件沒(méi)有必要，因為L(cháng)FRT的磨損沒(méi)有傳統的短切玻璃纖維增強熱塑性塑料大。

另一件可能從設計審查中受益的設備是噴嘴尖梢。一些熱塑性材料用一種反向錐形噴嘴尖梢加工更容易，它可以在材料注入到模具型腔中時(shí)形成一種高度剪切。然而這種噴嘴尖梢會(huì )顯著(zhù)降低長(cháng)纖維復合材料的纖維長(cháng)度。因此推薦使用一種100%“自由流動(dòng)”設計的槽形噴嘴尖梢/閥組件，它使長(cháng)纖維容易通過(guò)噴嘴進(jìn)入部件中。

此外，噴嘴和澆口孔的直徑應該有5.5mm（0.250in）或以上的寬松尺寸，并且沒(méi)有鋒利的邊緣。重要的是要了解物料如何流過(guò)注塑設備，并確定剪切會(huì )使纖維破碎的地方。

圖：采用“100%自由流動(dòng)”設計的三件式螺桿尖梢和環(huán)形閥，可最大限度地減少長(cháng)纖維的斷裂

二、部件與模具設計

好的部件和模具設計對保持LFRT的纖維長(cháng)度也大有裨益。消除部分邊緣（包括肋線(xiàn)、凸臺和其他特征）周?chē)募饨?，可避免成型部件中不必要的應力，并減少纖維磨損。

部件應采用壁厚均勻一致的標稱(chēng)壁設計。壁厚上較大的變化會(huì )導致部件中不一致的填充和不需要的纖維取向。在必須較厚或較薄的地方，要避免壁厚的突然變化，以避免形成可能損壞纖維的高剪切區域，并成為應力集中的源頭。通常試著(zhù)把澆口開(kāi)在較厚的壁中，并流向薄的部分，使填充末端保持在薄的部分。

通用的好的塑料設計原則建議，保持壁厚低于4mm（0.160in）將促進(jìn)良好均勻的流動(dòng)并減少凹陷和空隙的可能性。對于LFRT復合物，最佳的壁厚通常為3mm（0.120in）左右，最小的厚度為2mm（0.080in）。壁厚小于2mm時(shí)，材料在進(jìn)入模具后其纖維斷裂的概率增加。

部件只是設計中的一個(gè)方面，考慮材料如何進(jìn)入模具也很重要。當流道和澆口引導物料進(jìn)入型腔時(shí)，如果沒(méi)有正確的設計，大量的纖維破壞會(huì )發(fā)生在這些區域中。?

當設計一個(gè)成型LFRT復合物的模具時(shí)，全圓角的流道是最佳的，它的最小直徑為5.5mm（0.250in）。除了全圓角流道，任何其他形式的流道都會(huì )有尖角，它們在成型過(guò)程中會(huì )增加應力而破壞玻璃纖維的增強效果。具有開(kāi)放澆道的熱流道系統是可以接受的。?

澆口的最小厚度應該有2mm（0.080in）。如果可能的話(huà)，沿著(zhù)一條不阻礙物料流入型腔的邊緣定位澆口。部件表面的澆口將需要進(jìn)行90°的轉動(dòng)，以防止引發(fā)纖維斷裂而降低機械性能。?

最后，要注意的熔合線(xiàn)的位置，并知道它們如何影響部件使用時(shí)承受載荷（或應力）的區域。應通過(guò)澆口的合理布局將熔合線(xiàn)移至應力水平預計較低的區域。?

計算機充模分析可以幫助確定這些熔合線(xiàn)將定位的地方。結構有限元分析（FEA）可以用來(lái)對比高應力的位置和在充模分析中確定的匯合線(xiàn)位置。?

應該指出的是，這些部件和模具設計僅僅是建議。有很多部件的例子，它們具有薄壁、壁厚變化和精致或精細特征，利用LFRT復合物實(shí)現了良好的性能。然而，偏離這些建議越遠，就要花更多的時(shí)間和精力來(lái)確保實(shí)現長(cháng)纖維技術(shù)的全部好處。

三、加工條件

加工條件是LFRT成功的關(guān)鍵。只要采用了正確的加工條件，就有可能使用通用注塑機和正確設計的模具制備好的LFRT部件。換句話(huà)說(shuō)，即使有適當的設備和模具設計，如果采用較差的加工條件，纖維長(cháng)度也可能會(huì )受損。這就需要了解纖維在成型過(guò)程時(shí)將會(huì )遇到的情況，并且確定會(huì )引起纖維過(guò)度剪切的區域。

首先，要監控背壓。高背壓引入對物料產(chǎn)生的巨大剪切力，將會(huì )降低纖維長(cháng)度?？紤]從零背壓開(kāi)始并且僅使它增加至使螺桿在喂料過(guò)程中均勻退回，采用1.5~2.5bar（20~50psi）的背壓通常足以獲得一致的喂料。?

高的螺桿轉速也有不利的影響。螺桿旋轉越快，固體和未熔材料就越可能進(jìn)入螺桿壓縮段造成纖維損傷。類(lèi)似于針對背壓的建議，應盡量保持轉速在穩定填充螺桿所要求的最低水平。在成型LFRT復合物時(shí)，30~70r/min的螺桿速度是常見(jiàn)的。?

在注射成型過(guò)程中，熔融通過(guò)兩個(gè)共同作用的因素發(fā)生：剪切和熱。因為目的是在LFRT中通過(guò)減少剪切來(lái)保護纖維的長(cháng)度，因此將需要更多的熱量。根據樹(shù)脂體系，加工LFRT復合物的溫度通常會(huì )比常規的成型復合物高10~30℃。

然而，在簡(jiǎn)單地全面提高機筒溫度之前，要注意機筒溫度分布的反置。通常情況下，當物料從料斗移動(dòng)到噴嘴時(shí)，機筒溫度上升；但對于LFRT，推薦在料斗處的溫度更高。反置溫度分布會(huì )使LFRT粒料在進(jìn)入高剪切螺桿壓縮段之前軟化和熔化，從而有利于纖維長(cháng)度的保持。?

有關(guān)加工的最后一項注意涉及回用料的利用。研磨成型部件或水口通常會(huì )導致更低的纖維長(cháng)度，因此，回用料的添加會(huì )影響整體的纖維長(cháng)度。為了不明顯降低力學(xué)性能，建議回用料的最大用量是5%。更高的回用料用量會(huì )對沖擊強度等力學(xué)性能產(chǎn)生負面影響。