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注塑成型長纖維增強(qiáng)塑料LFRT需要注意哪些問題?

時(shí)間:2020-05-17 09:56 閱讀:772 來源:互聯(lián)網(wǎng)

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長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(LFRT)正在被用于高機(jī)械性能的注塑成型應(yīng)用。雖然LFRT技術(shù)能夠提供良好的強(qiáng)度、剛度和沖擊性能,但這種材料的加工方法對(duì)于確定最后部件能達(dá)到怎樣的性能起著重要的作用。

為了成功地成型LFRT,對(duì)它們一些獨(dú)有的特點(diǎn)進(jìn)行了解十分必要。了解LFRT與常規(guī)增強(qiáng)熱塑性塑料之間的差異推動(dòng)了設(shè)備、設(shè)計(jì)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(tǒng)短切、短玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合物的區(qū)別在于纖維的長度。在LFRT中,纖維的長度和粒料的長度相同。這是由于大多數(shù)LFRT是通過拉擠成型工藝而不是剪切型配混來生產(chǎn)的。

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

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

為了在LFRT成型過程中保持纖維的長度,有三個(gè)重要方面需要考慮:注塑機(jī)、部件和模具設(shè)計(jì)以及加工條件。

一、設(shè)備注意事項(xiàng)

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

一根具有典型“進(jìn)料—壓縮—計(jì)量”段的通用螺桿非常適用于該過程,而且通過降低計(jì)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(jì)量段壓縮比對(duì)于LFRT產(chǎn)品是最佳的。用特殊金屬合金制造螺桿、機(jī)筒和其他部件沒有必要,因?yàn)長FRT的磨損沒有傳統(tǒng)的短切玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料大。

另一件可能從設(shè)計(jì)審查中受益的設(shè)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)顯著降低長纖維復(fù)合材料的纖維長度。因此推薦使用一種100%“自由流動(dòng)”設(shè)計(jì)的槽形噴嘴尖梢/閥組件,它使長纖維容易通過噴嘴進(jìn)入部件中。

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

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

二、部件與模具設(shè)計(jì)

好的部件和模具設(shè)計(jì)對(duì)保持LFRT的纖維長度也大有裨益。消除部分邊緣(包括肋線、凸臺(tái)和其他特征)周圍的尖角,可避免成型部件中不必要的應(yīng)力,并減少纖維磨損。

部件應(yīng)采用壁厚均勻一致的標(biāo)稱壁設(shè)計(jì)。壁厚上較大的變化會(huì)導(dǎo)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(qū)域,并成為應(yīng)力集中的源頭。通常試著把澆口開在較厚的壁中,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(shè)計(jì)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(duì)于LFRT復(fù)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(shè)計(jì)中的一個(gè)方面,考慮材料如何進(jìn)入模具也很重要。當(dāng)流道和澆口引導(dǎo)物料進(jìn)入型腔時(shí),如果沒有正確的設(shè)計(jì),大量的纖維破壞會(huì)發(fā)生在這些區(qū)域中。?

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)成型LFRT復(fù)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?cè)诔尚瓦^程中會(huì)增加應(yīng)力而破壞玻璃纖維的增強(qiáng)效果。具有開放澆道的熱流道系統(tǒng)是可以接受的。?

澆口的最小厚度應(yīng)該有2mm(0.080in)。如果可能的話,沿著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(zhuǎn)動(dòng),以防止引發(fā)纖維斷裂而降低機(jī)械性能。?

最后,要注意的熔合線的位置,并知道它們?nèi)绾斡绊懖考褂脮r(shí)承受載荷(或應(yīng)力)的區(qū)域。應(yīng)通過澆口的合理布局將熔合線移至應(yīng)力水平預(yù)計(jì)較低的區(qū)域。?

計(jì)算機(jī)充模分析可以幫助確定這些熔合線將定位的地方。結(jié)構(gòu)有限元分析(FEA)可以用來對(duì)比高應(yīng)力的位置和在充模分析中確定的匯合線位置。?

應(yīng)該指出的是,這些部件和模具設(shè)計(jì)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(xì)特征,利用LFRT復(fù)合物實(shí)現(xiàn)了良好的性能。然而,偏離這些建議越遠(yuǎn),就要花更多的時(shí)間和精力來確保實(shí)現(xiàn)長纖維技術(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(jī)和正確設(shè)計(jì)的模具制備好的LFRT部件。換句話說,即使有適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和模具設(shè)計(jì),如果采用較差的加工條件,纖維長度也可能會(huì)受損。這就需要了解纖維在成型過程時(shí)將會(huì)遇到的情況,并且確定會(huì)引起纖維過度剪切的區(qū)域。

首先,要監(jiān)控背壓。高背壓引入對(duì)物料產(chǎn)生的巨大剪切力,將會(huì)降低纖維長度??紤]從零背壓開始并且僅使它增加至使螺桿在喂料過程中均勻退回,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(zhuǎn)速也有不利的影響。螺桿旋轉(zhuǎn)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。類似于針對(duì)背壓的建議,應(yīng)盡量保持轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定填充螺桿所要求的最低水平。在成型LFRT復(fù)合物時(shí),30~70r/min的螺桿速度是常見的。?

在注射成型過程中,熔融通過兩個(gè)共同作用的因素發(fā)生:剪切和熱。因?yàn)槟康氖窃贚FRT中通過減少剪切來保護(hù)纖維的長度,因此將需要更多的熱量。根據(jù)樹脂體系,加工LFRT復(fù)合物的溫度通常會(huì)比常規(guī)的成型復(fù)合物高10~30℃。

然而,在簡單地全面提高機(jī)筒溫度之前,要注意機(jī)筒溫度分布的反置。通常情況下,當(dāng)物料從料斗移動(dòng)到噴嘴時(shí),機(jī)筒溫度上升;但對(duì)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,從而有利于纖維長度的保持。?

有關(guān)加工的最后一項(xiàng)注意涉及回用料的利用。研磨成型部件或水口通常會(huì)導(dǎo)致更低的纖維長度,因此,回用料的添加會(huì)影響整體的纖維長度。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(duì)沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。



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