CN112831109B - 一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料，包括以下组分：玻璃纤维丝25‑75份；树脂25‑75份。本发明涉及的工艺路线和最终材料的优势是：相比于传统LFT材料，能够不损伤增强纤维的长度，使纤维保留长度分布单一，完整保留原始LFT‑G粒子中纤维的长度，能最大程度发挥纤维的力学性能优势，纤维保留长度分布单一一般指具有一个长度值的纤维，也可以是两个或两个以上长度值，但最好不多于五个长度值的纤维，过多长度不同的LFT‑G粒子的混合物将恶化该发明所涉及的产品的成本，应该予以避免，即使通过该发明生产具有多个纤维保留长度值的复合材料，仍明显有别于传统LFT复合材料较宽泛的保留纤维长度分布，并具有明显的力学性能的优势。

Description

一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料
技术领域
本发明涉及聚丙烯复合材料技术领域，尤其是涉及一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料。
背景技术
短纤维增强热塑性材料(SFT)制品中的纤维保留长度一般＜1mm，而长纤维增强热塑性材料(LFT)制品中的纤维保留长度一般<10mm，且纤维长度分布较宽，在10-1到101mm之间。与短纤维增强热塑性复合材料相比，长纤维增强热塑性材料有以下优点：纤维长度较长，能明显提高制品的力学性能，耐蠕变性能提高，尺寸稳定性好，部件成型精度高；比刚度和比强度高，抗冲击性能好，可模压较大的、形状复杂的部件且尺寸稳定性好，广泛应用于汽车结构件或次结构件以及其他主承力结构等。
现在主要有3种加工方式的长纤维增强热塑性材料，第一种是LFT-G(Long-FiberReinforce Thermoplastic Granules)长纤维增强热塑性复合材料粒料，零部件制造商将LFT-G粒料在挤出机中熔融，经过螺杆混炼注塑到模具中成型，得到特定形状的制件。在LFT-G粒料注塑成型过程中，纤维在螺杆剪切作用下，纤维会被打断损伤，相比于LFT-G粒料中纤维长度会进一步降低，制品中纤维保留剩余长度一般<5mm，且纤维保留长度分布较宽。第二种是LFT-D-CM(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct compressionmolding)长纤维增强热塑性复合材料直接在线模压成型。该工艺中树脂经过熔融、混炼再经过螺杆传输与切断的纤维丝束(在线直喂切断或已经离线切断的短纤维)汇合，经过第二阶段的螺杆混炼，挤出LFT高温坯料。LFT坯料通过机械手或人工转移到模具内，经压机模压成型制件。第三种是LFT-D-IM(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct injectionmolding)长纤维增强热塑性复合材料直接在线挤出注塑成型，树脂经过熔融、混炼被螺杆传输到特定模具里，与直喂丝束并在同一螺杆内切断的纤维汇合，树脂和纤维经过进一步的混炼，直接挤出注塑到模具内，成型制件。
综上所述，无论SFT还是LFT被加工成的制品，其内在纤维均需要经过螺杆挤出机的混炼和剪切，纤维受到断裂损伤，并大大降低纤维原始长度。虽然和SFT材料比，LFT有较长的保留纤维长度以及相对应的力学性能优势，但纤维的性能由于较短的纤维保留长度和较宽的纤维长度分布而并没有得到充分的发挥，进而导致复合材料的性能受到损失而未能完全发挥出来。
专利201410226841.4提供一种复合材料建筑模板的LFT-D成型工艺，包括步骤10、树脂由真空上料***至矢量式称重***按照模板重量定量后进入一阶双螺杆挤出机加热熔融后在二阶双螺杆挤出机进料口与玻璃纤维同时进入二阶双螺杆挤出机进行混合塑化，其中，玻纤是由玻纤计量切断装置按设定的初始长度24-25mm切断加入到树脂熔体中，并由树脂熔体的剪切作用进行二次长度变化；步骤20、经二阶双螺杆挤出机塑炼均匀后，生料经二阶螺杆模口切刀按照模板的重量切断后，保温输送至取料位移位置，由机械手将生料取放至压机模具内上模压成型。本发明工艺可使制品内的玻纤长度较长，使制品性能得到有效提升。虽然和其他成型方式相比，该加工方式的纤维长度损失较小，但纤维也同样经过螺杆挤出机混炼剪切断裂。且在最终制品中，纤维保留长度大部分小于10mm，远小于喂入的纤维初始长度。
发明内容
本发明的目的是克服现有SFT、LFT复合材料最终制品中增强纤维保留长度损失带来的力学性能急剧降低的不足，大幅提升长纤维增强热塑性复合材料制品中的纤维保留长度，保持单一纤维长度分布，并相应大幅提升复合材料力学性能的前提下，提供一种适合模压成型的纤维增强热塑性复合材料，拓展该材料在汽车及建筑等领域中的应用。
本发明所述一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料，按重量份算包括以下组分：
玻璃纤维丝 25-75份；
树脂 25-75份。
优选的是：所述树脂是所有可以热塑成型的高分子聚合物树脂，优选为PE、PP、PA、PET、ABS、PC、PPS、PEEK、PEKK中的任意一种。
优选的是：所述玻璃纤维丝质量分数在50±5wt％。
所述可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料制品通过以下方案予以实现：
步骤(1)、将连续的玻璃纤维丝束充分展开后，在牵引机的牵引下，穿过浸渍模头，树脂通过螺杆混料熔融后传递到该模头中，树脂充分充填并分布在模头内；
步骤(2)、玻璃纤维丝和树脂在180-300℃的温度下，充分浸润后经过一定直径的模孔，然后被牵引到冷却槽中冷却，接着被切成一定长度的LFT-G粒子；
步骤(3)、在加热加压设备中，LFT-G粒子被充分分散，根据树脂的不同种类，在一定的温度和压力下，LFT-G粒子被压制成等厚或非等厚，且具有一定2D形状的LFT-G板材；
步骤(4)、对LFT-G板材二次加热软化后，转移到模具中，再加压成型，保压一定时间后，冷却脱模得到最终制品。
优选的是：在步骤(2)中，所述LFT-G粒子的裁剪长度就是纤维的长度，所述模孔的直径为2-10mm，所述LFT-G粒子的长度为5-100mm，纤维保留长度分布单一一般指具有一个长度值的纤维，也可以是两个或两个以上长度值，但最好不多于五个长度值的纤维，过多长度不同的LFT-G粒子的混合物将恶化该发明所涉及的产品的成本，应该予以避免。
优选的是：在步骤(3)中，所述温度和压力的范围为温度范围：170-260℃，压力范围：0.1-50MPa。
优选的是：在步骤(3)中，所述LFT-G板材的厚度范围为0.3mm-60mm。
优选的是：在步骤(4)中，所述保压的时间为20-150s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
综上所述，本发明具有以下优点：
(1)本发明涉及的工艺路线和最终材料的优势是：相比于传统LFT材料，能够不损伤增强纤维的长度，使纤维保留长度分布单一，完整保留原始LFT-G粒子中纤维的长度，能最大程度发挥纤维的力学性能优势。
(2)即使通过该发明生产具有多个纤维保留长度值的复合材料，仍明显有别于传统LFT复合材料较宽泛的保留纤维长度分布，并具有明显的力学性能的优势。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明进行进一步的具体描述。在以下的各实施例中，各组分的用量均为重量用量。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明做一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明涉及的成型工艺和材料，细则如下：
首先，连续的纤维丝束充分展开后，在牵引机的牵引下，穿过浸渍模头，树脂通过螺杆混料熔融后传递到该模头中，树脂充分充填并分布在模头内，纤维和树脂在180-300℃的温度下，充分浸润后经过一定直径的模孔，然后被牵引到冷却槽中冷却，接着被切成一定长度(一般>10mm，某些情况下也可以>5mm)的LFT-G粒子。在该粒子中，纤维的长度就是粒子的裁切长度。然后在加热加压设备中，LFT-G粒子被充分分散，根据树脂的不同种类，在一定的温度(例如PP树脂，需>170C)和压力(例如PP树脂，需>0.1MPa)下，LFT-G粒子被压制成等厚或非等厚，且具有一定2D形状的LFT-G板材。厚度范围从0.3mm-60mm，板材内的所有纤维长度即为LFT-G粒子切后的长度。最后，根据不同最终制件的形状和厚度要求，通过对LFT-G板材二次加热软化后，转移到模具中，再加压成型，保压一定时间后，冷却脱模得到最终制品。在制品的加工过程中，纤维长度能完好地保留下来，即为LFT-G粒子本身的纤维长度。可以灵活根据成本、重量和性能要求等，对LFT-G粒子的长度进行选择。因为纤维保留长度长，完整保留了原始LFT-G粒子里纤维的长度，纤维长度分布单一，所以最终制品复合材料性能得到了最大的发挥。在该复合材料所涉及的树脂是所有可以热塑成型的高分子聚合物树脂，例如PE、PP、PA、PET、ABS、PC、PPS、PEEK、PEKK等树脂。在特定复合材料零部件结构中，可以根据最终零部件成型结构的性能要求和结构几何形状的复杂性，选择一个特定长度的LFT-G粒子，或者选择两种或两种以上特定纤维长度的LFT-G粒子的混合物，能进一步提高模压工艺的成型性和最终复合材料力学性能，进一步降低零部件重量，实现降本环保减排。
本发明的性能测试方法，细则如下：
拉伸性能测试标准和方法参照ASTM D3039，2014年；
弯曲性能测试标准和方法参照ASTM D7264，2015年
实施例1：
一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料，按重量份算包括以下组分：玻璃纤维丝50份；树脂50份。
本实施方式采用2400tex的玻璃纤维丝，树脂采用聚丙烯，熔融指数25g/10min，玻璃纤维质量分数在50±5wt％，LFT-G粒子长度为25mm，在230℃下充分加热后制成4mm的LFT-G板材，该板材在在230℃下加热烘烤后，模压成型，得到制件。
对制得的制件进行拉伸强度、弯曲强度测试和纤维长度表征，拉伸强度为240MPa，弯曲强度为175MPa，纤维长度为25mm，与LFT-G粒子的纤维长度一致，各加工过程并未导致纤维长度损失。
实施例2：
一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料，按重量份算包括以下组分：玻璃纤维丝50份；树脂50份。
本实施方式采用2400tex的玻璃纤维丝，树脂采用聚丙烯，熔融指数25g/10min，玻璃纤维质量分数在50±5wt％，LFT-G粒子长度为15mm，在230℃下充分加热后制成4mm的LFT-G板材，该板材在在230℃下加热烘烤后，模压成型，得到制件。
对制得的制件进行拉伸强度、弯曲强度测试和纤维长度表征，拉伸强度为230MPa，弯曲强度为160MPa，纤维长度为15mm，与LFT-G粒子的纤维长度一致，各加工过程并未导致纤维长度损失。
实施例3：
一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料，按重量份算包括以下组分：玻璃纤维丝50份；树脂50份。
本实施方式采用2400tex的玻璃纤维丝，树脂采用聚丙烯，熔融指数25g/10min，玻璃纤维质量分数在50±5wt％，LFT-G粒子长度为10mm和20mm,占比各50％，在230℃下充分加热后制成4mm的LFT-G板材，该板材在230℃下加热烘烤后，模压成型，得到制件。
对制得的制件进行拉伸强度、弯曲强度测试和纤维长度表征，拉伸强度为215MPa，弯曲强度为165MPa，有10mm和20mm两个纤维长度，与LFT-G粒子的纤维长度一致，各加工过程并未导致纤维长度损失。
实施例4：
一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料，按重量份算包括以下组分：玻璃纤维丝50份；树脂50份。
本实施方式采用2400tex的玻璃纤维丝，树脂采用PA6，玻璃纤维质量分数在50±5wt％。LFT-G粒子长度为15mm，在270℃下充分加热后制成2.0mm的LFT-G板材，该板材在在270℃下加热烘烤后，模压成型，得到制件。
对制得的制件进行拉伸强度、弯曲强度测试和纤维长度表征，拉伸强度为270MPa，弯曲强度为180MPa，纤维长度为25mm，与LFT-G粒子的纤维长度一致，各加工过程并未导致纤维长度损失。
对比例1
一种复合材料建筑模板的LFT-D成型工艺，包括步骤10、树脂由真空上料***至矢量式称重***按照模板重量定量后进入一阶双螺杆挤出机加热熔融后在二阶双螺杆挤出机进料口与玻璃纤维同时进入二阶双螺杆挤出机进行混合塑化，其中，玻纤是由玻纤计量切断装置按设定的初始长度24-25mm切断加入到树脂熔体中，并由树脂熔体的剪切作用进行二次长度变化；步骤20、经二阶双螺杆挤出机塑炼均匀后，生料经二阶螺杆模口切刀按照模板的重量切断后，保温输送至取料位移位置，由机械手将生料取放至压机模具内上模压成型。对对比例1制件进行拉伸强度、弯曲强度测试和纤维长度表征，拉伸强度为200MPa，弯曲强度为120MPa，纤维长度为8mm，与LFT-G粒子的纤维长度不一致，各加工过程导致纤维长度损失，因此实施例中的性能远高于对比例1中的性能。
由实施例1-4可知，本发明涉及的工艺路线和最终材料的优势是：相比于传统LFT材料，能够不损伤增强纤维的长度，使纤维保留长度分布单一，完整保留原始LFT-G粒子中纤维的长度，能最大程度发挥纤维的力学性能优势。纤维保留长度分布单一一般指具有一个长度值的纤维，也可以是两个或两个以上长度值，但最好不多于五个长度值的纤维，过多长度不同的LFT-G粒子的混合物将恶化该发明所涉及的产品的成本，应该予以避免。即使通过该发明生产具有多个纤维保留长度值的复合材料，仍明显有别于传统LFT复合材料较宽泛的保留纤维长度分布，并具有明显的力学性能的优势。
以上所述仅为本发现的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料制品的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将连续的玻璃纤维丝束充分展开后，在牵引机的牵引下，穿过浸渍模头，树脂通过螺杆混料熔融后传递到该模头中，树脂充分充填并分布在模头内；
S2、玻璃纤维丝和树脂在180-300℃的温度下，充分浸润后经过一定直径的模孔，然后被牵引到冷却槽中冷却，接着被切成长度为5-100mm的LFT-G粒子；
所述LFT-G粒子的裁剪长度就是纤维的长度；
S3、在加热加压设备中，LFT-G粒子被充分分散，根据树脂的不同种类，在170-260℃、0.1-50MPa下，LFT-G粒子被压制成等厚或非等厚，且具有一定2D形状的LFT-G板材；
S4、对LFT-G板材二次加热软化后，转移到模具中，再加压成型，保压20-150s后，冷却脱模得到最终制品。
2.根据权利要求1所述一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料制品的制备方法，其特征在于：在S1的操作步骤中：按重量份算，所述玻璃纤维丝为25-75份；所述树脂为25-75份。
3.根据权利要求2所述一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料制品的制备方法，其特征在于：所述树脂是所有可以热塑成型的高分子聚合物树脂。
4.根据权利要求3所述一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料制品的制备方法，其特征在于：所述高分子聚合物树脂为PE、PP、PA、PET、ABS、PC、PPS、PEEK、PEKK中的任意一种。
5.根据权利要求2所述一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料制品的制备方法，其特征在于：所述玻璃纤维丝质量分数在50±5wt％。
6.根据权利要求1所述一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料制品的制备方法，其特征在于：在S2的操作步骤中：所述模孔的直径为2-10mm。
7.根据权利要求1所述一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料制品的制备方法，其特征在于：在S3的操作步骤中：所述LFT-G板材的厚度范围为0.3mm-60mm。
8.权利要求1-7任一所述制备方法所制备的可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料。
9.一种可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料制品，包括权利要求8所述可模压的单一纤维长度分布的高性能热塑性复合材料。
10.如权利要求9所述高性能热塑性复合材料制品在汽车结构件中的应用。
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