纖維增強(qiáng)材料已經(jīng)將熱塑性塑料的使用擴(kuò)展到半結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域中，其所具備的機(jī)械性能提供了替代傳統(tǒng)材料所需的性能。在這個(gè)舞臺(tái)上，玻璃纖維長(zhǎng)期以來(lái)一直是增強(qiáng)材料的主要選擇，因?yàn)樗@著提高了聚合物的剛度和強(qiáng)度性能，并具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。最近，人們對(duì)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的越來(lái)越感興趣，這是源于其能夠提供更強(qiáng)勁的機(jī)械性能并有助于減輕重量;然而，實(shí)現(xiàn)這種性能是要付出代價(jià)的，因?yàn)樘祭w維的價(jià)格高出了許多應(yīng)用可承擔(dān)的范圍之外。

PlastiComp開(kāi)發(fā)混合長(zhǎng)纖維復(fù)合材料生產(chǎn)線(xiàn)

 

　　對(duì)于使用注塑加工技術(shù)生產(chǎn)的部件，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料代表了可流動(dòng)材料的機(jī)械性能的頂峰。在長(zhǎng)纖維復(fù)合材料中，纖維增強(qiáng)的12毫米長(zhǎng)的細(xì)絲提供了三重性能，這是使用其它類(lèi)型的顆粒介質(zhì)作為增強(qiáng)塑料的方法所無(wú)法獲得的。

 

　　首先，與其他增強(qiáng)材料一樣，塑料化合物的模量與長(zhǎng)纖維的含量是成比例地增加的，因?yàn)檩^硬的纖維添加劑將該特征引入了與其混合的基質(zhì)聚合物。其次，由于較長(zhǎng)的纖維段具有較高的縱橫比，與聚合物接觸的表面積越多，強(qiáng)度就越高。增加的長(zhǎng)度有助于更好地將應(yīng)力從聚合物轉(zhuǎn)移到較強(qiáng)的纖維增強(qiáng)物，從而提高承載能力。最后，由于較長(zhǎng)的纖維段相互纏繞以形成纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)骨架，從而促進(jìn)整個(gè)組件的沖擊力的消散，而不是局限于一個(gè)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)耐久性的提高。硬質(zhì)材料的高耐沖擊性，是選擇長(zhǎng)纖維復(fù)合材料超過(guò)其他類(lèi)型增強(qiáng)塑料的根本原因。

 

　　在具有結(jié)構(gòu)性能要求的金屬替代應(yīng)用中，長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料已成為首選材料。 事實(shí)上，長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)，它作為金屬部件的輕質(zhì)替代品被廣為使用。長(zhǎng)玻璃纖維復(fù)合材料的使用降低了車(chē)輛的成本和重量，其所節(jié)省的重量有助于提高燃油的經(jīng)濟(jì)性并減少排放，從而滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的監(jiān)管目標(biāo)。

 

　　碳纖維憑借其在航空航天和體育用品行業(yè)的廣泛應(yīng)用贏得了“高科技”強(qiáng)化材料的聲譽(yù)，它以輕微的重量提供了類(lèi)似金屬的性能。在減重是“圣杯”追求的行業(yè)中，碳纖維的成本越高，就越容易證明與其他增強(qiáng)塑料方法相比，它并不具有較高的性?xún)r(jià)比。

 

　　在一些領(lǐng)域中，使用了成本五倍甚至更多的增強(qiáng)材料，而機(jī)械性卻沒(méi)能得到相應(yīng)明顯的提升，這是難以令人接受的。為了降低采用碳纖維的入門(mén)成本，美國(guó)長(zhǎng)纖維復(fù)合商PlastiComp公司開(kāi)發(fā)了一種混合長(zhǎng)纖維復(fù)合材料生產(chǎn)線(xiàn)，將長(zhǎng)玻璃纖維和長(zhǎng)碳纖維結(jié)合在一個(gè)單一的成型復(fù)合顆粒中。

 

　　早期的實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)表明，將這兩種纖維類(lèi)型結(jié)合在一起，創(chuàng)造了獨(dú)特的性能協(xié)同效應(yīng)，其性能大大超越了纖維本身的類(lèi)型。包括長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)材料提高了耐久性，超出了單獨(dú)使用長(zhǎng)碳纖維可獲得的范圍。另外，添加長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)材料可將剛度和強(qiáng)度提高到比長(zhǎng)玻璃纖維所能達(dá)到的更高的值。最重要的是，含有較低水平的長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)材料的混合材料將比全碳長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料便宜得多(圖1)。

圖1：12 毫米長(zhǎng)的混合長(zhǎng)玻璃和碳纖維復(fù)合顆粒。

 

　　PlastiComp將連續(xù)的玻璃纖維和碳纖維細(xì)絲結(jié)合在一起，形成統(tǒng)一的復(fù)合顆粒，以簡(jiǎn)化加工并提供更好的性能。雖然單獨(dú)的長(zhǎng)玻璃纖維和長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料顆?？梢砸院蠡旌显谝黄?，但它們的密度差異可能導(dǎo)致原材料在處理期間發(fā)生分離，從而影響分散的均勻性。在注塑機(jī)上計(jì)量單獨(dú)的復(fù)合顆粒增加了一層復(fù)雜性，為了獲得均勻的混合物可能導(dǎo)致纖維長(zhǎng)度受損，從而對(duì)復(fù)合材料的性能產(chǎn)生不利影響。

 

　　為了獲得最大的綜合性能，在加工長(zhǎng)纖維材料時(shí)應(yīng)最大限度地減少剪切，包括在螺桿注塑機(jī)的熔融階段、在流道的流動(dòng)路徑和模具澆注系統(tǒng)中。不正確地加工長(zhǎng)纖維復(fù)合材料，會(huì)產(chǎn)生較短的平均纖維長(zhǎng)度，這將降低模制品的強(qiáng)度和耐久性。

 

　　具有玻璃和碳纖維增強(qiáng)材料的混合長(zhǎng)纖維復(fù)合材料，可擴(kuò)大產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和材料工程師的長(zhǎng)纖維材料的性能范圍，并提供大量的纖維增強(qiáng)組合，以平衡材料成本和性能要求。長(zhǎng)纖維材料的功能不再像全玻璃或全碳纖維復(fù)合材料那樣進(jìn)行選擇，而是變得真正可裁剪。

 

　　長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混合纖維是理想的材料，其性能要求超出了長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，可以利用高性能碳纖維提供的優(yōu)點(diǎn)，但某些領(lǐng)域可能對(duì)高材料成本的價(jià)格更為敏感。通過(guò)比較它們的機(jī)械性能：40%長(zhǎng)纖維混合聚酰胺6/6及相當(dāng)于40%的全玻璃纖維和40% 全碳材料，可以很容易地解釋混合長(zhǎng)玻璃和碳纖維復(fù)合材料，是如何彌補(bǔ)長(zhǎng)玻璃纖維和長(zhǎng)碳纖維產(chǎn)品之間存在的性能和價(jià)格差距。

 

　　20%長(zhǎng)玻璃纖維和20% 長(zhǎng)碳纖維組成的40%混合長(zhǎng)纖維的彎曲模量為17,930MPa，比全碳長(zhǎng)纖維變體低13%，比全玻璃纖維制品高86%?；旌蠌?fù)合材料的拉伸強(qiáng)度值為248MPa，低于全碳材料的4%，比全玻璃纖維制品高24%。

 

　　由于混合復(fù)合材料含有全碳材料碳纖維的一半，所以其成本降低了30%，但是能夠提供高成本材料87%的剛度和96%的強(qiáng)度。在耐用性方面，長(zhǎng)玻璃纖維的加入使混合復(fù)合材料的無(wú)缺口耐沖擊性提高到1004J/m，比同比例的長(zhǎng)碳纖維產(chǎn)品提高了25%，比同類(lèi)長(zhǎng)的全玻璃纖維材料少了22%(圖2)。

 

 

　　混合長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能達(dá)到了最佳平衡，在許多應(yīng)用中都可以考慮將其從金屬轉(zhuǎn)換為增強(qiáng)熱塑性塑料，特別是能夠以比全碳纖維增強(qiáng)材料更實(shí)惠的價(jià)格獲得這種性能。

 

　　更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高性能熱塑性復(fù)合材料的可用性將有助于實(shí)現(xiàn)更多金屬與塑料的轉(zhuǎn)換。大多數(shù)易于從金屬轉(zhuǎn)化為塑料的簡(jiǎn)單應(yīng)用已經(jīng)用長(zhǎng)玻璃纖維復(fù)合材料完成了。工程師們正在尋求材料或工藝，為他們提供更具成本效益的方式來(lái)利用碳纖維的更高性能，長(zhǎng)玻璃和碳纖維混合料的可裁剪性質(zhì)可以提供他們所需要的敲門(mén)磚。

 

　　如果有人正在考量長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)材料的剛度和強(qiáng)度，但苦于耐沖擊性不太符合要求，那么以復(fù)合材料的形式將長(zhǎng)玻璃纖維加入到長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)材料中即可實(shí)現(xiàn)所需的耐久性的提升。反過(guò)來(lái)也是如此，如果長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不能成功提供承載所需的剛度或強(qiáng)度，那么向混合物中加入長(zhǎng)碳纖維，即可將材料性能提高到所需的水平。

 

　　使用PlastiComp的混合方法將長(zhǎng)玻璃和碳纖維增強(qiáng)材料結(jié)合起來(lái)，在體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)很商業(yè)化。有一家用戶(hù)正在尋找一種方法來(lái)替代金屬插入物，從而創(chuàng)造出更易制造、純注塑成型的產(chǎn)品，但全玻璃長(zhǎng)纖維材料無(wú)法提供足夠的剛度。他們的另一種選擇通常是使用全碳長(zhǎng)纖維復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的模量提升;然而，選擇價(jià)格較高的材料將會(huì)使他們的產(chǎn)品成本過(guò)高。相反，混合解決方案在合適的價(jià)位提供了必要的剛度性能，并允許他們將其產(chǎn)品的全塑版本推向市場(chǎng)，并獲得了廣泛好評(píng)。

 

　　碳纖維在許多消費(fèi)者的心目中具有良好的聲譽(yù)，碳纖維帶來(lái)了卓越的性能，為產(chǎn)品提供額外的感知質(zhì)量和價(jià)值，相比由更簡(jiǎn)單的塑料材料制造的類(lèi)似產(chǎn)品，碳纖維產(chǎn)品的價(jià)格更高。擁有使用碳纖維可增加產(chǎn)品價(jià)值的這一理念，長(zhǎng)玻璃和碳纖維混合物在開(kāi)發(fā)和推廣許多細(xì)分市場(chǎng)(如消費(fèi)品和運(yùn)動(dòng)用品)方面將具有獨(dú)特的地位。

 

　　甚至包括低水平在內(nèi)的碳纖維都能生產(chǎn)真正的碳纖維復(fù)合材料，可以提供獨(dú)特的營(yíng)銷(xiāo)優(yōu)勢(shì)，以加強(qiáng)或區(qū)分與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品。合理配置碳纖維并不一定總要獲得更好的機(jī)械性能。長(zhǎng)纖維混合物利用碳纖維的可裁剪能力采用階梯式方法來(lái)控制成本，允許其在中等范圍的應(yīng)用中使用，否則碳纖維復(fù)合材料將因高價(jià)格所淘汰。

 

　　在混合長(zhǎng)纖維制品中，在總纖維重量百分比負(fù)載高達(dá)50%時(shí)，碳纖維可以與多種比例的玻璃纖維進(jìn)行組合。負(fù)載較低水平的長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)材料與長(zhǎng)玻璃纖維的組合，提供了具有相同碳纖維負(fù)載百分比的全碳長(zhǎng)纖維復(fù)合材料不可獲得的更高水平的性能，從而實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性能。

 

　　由于長(zhǎng)碳纖維通常是與其組合的復(fù)合材料中最昂貴的組分，包括長(zhǎng)玻璃纖維作為協(xié)同添加劑對(duì)復(fù)合成本幾乎沒(méi)有影響。事實(shí)上，根據(jù)與其組合的熱塑性聚合物基質(zhì)的成本，加入長(zhǎng)玻璃纖維實(shí)際上可以降低復(fù)合材料的總成本，如果它替代更昂貴的塑料聚合物。將長(zhǎng)纖維和熱塑性聚合物通過(guò)拉擠成型復(fù)合成復(fù)合材料的制造成本基本上是相同的，不管產(chǎn)品中長(zhǎng)纖維的含量如何。

 

　　目前，PlastiComp具有單顆粒混合長(zhǎng)玻璃和碳纖維復(fù)合材料，可用于聚丙烯、聚酰胺和工程熱塑性聚氨酯聚合物，長(zhǎng)玻璃纖維和長(zhǎng)碳纖維的混合比可根據(jù)應(yīng)用要求定制。隨著應(yīng)用需求的發(fā)展，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材料與任何熱塑性和混合纖維溶液相容，在其他熱塑性聚合物基體中也是可能的。