論立體混合法制氈工藝及其對(duì)玻纖增強(qiáng)熱塑性材料力學(xué)性能的影響論
1 引言
玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料是近年來迅速發(fā)展的一類高性能復(fù)合材料，是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維( GF) 為增強(qiáng)骨架的板片狀結(jié)構(gòu)材料。基體樹脂可以是聚丙烯( PP) 、滌綸( PET) 、聚酰胺( PA) 、聚苯硫醚( PPS) 等，增強(qiáng)纖維可以是無堿玻璃纖維或短切纖維組成的針刺氈等。玻纖增強(qiáng)材料具有強(qiáng)度高、韌性好、密度小和保存期長(zhǎng)等特點(diǎn)，同時(shí)還具有良好的成型性、耐腐蝕性和耐熱性以及價(jià)格低廉、可再生利用等優(yōu)點(diǎn)。玻纖增強(qiáng)材料屬于綠色材料，在交通、建筑、汽車、環(huán)保、航空航天等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用，已成為國(guó)際復(fù)合材料新的增長(zhǎng)點(diǎn)。
制作高性能的玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，除了原材料本身的性能指標(biāo)，關(guān)鍵還在于基體樹脂對(duì)玻璃纖維的浸漬效果，同等玻璃纖維含量的制品，浸漬越完全，制品的力學(xué)性能越優(yōu)。在相同玻纖含量條件下，要提高浸漬效果，除了對(duì)原材料改性外，還可通過改善成型工藝來提升基體樹脂對(duì)纖維的浸漬效果，此類工藝的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是提升纖維在樹脂中分散的均勻度。針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。費(fèi)傳軍等提出采取GF /PP混纖紗法制備玻纖增強(qiáng)基材，將熱塑性纖維( 如PP)和增強(qiáng)纖維( 如GF) 預(yù)先混合成混雜纖維束，再用其制備成基材，并熱壓成板或制品。該方法可在一定程度上改善基體樹脂對(duì)增強(qiáng)纖維的浸漬效果，提高板材物理機(jī)械性能，但由于混合工藝本身的缺陷導(dǎo)致纖維的混合均勻度偏低，制品的力學(xué)性能不穩(wěn)定。上海杰事杰新材料股份有限公司利用混合干法工藝將玻璃纖維短切之后與粘合樹脂纖維混合，再進(jìn)行復(fù)雜高強(qiáng)的梳理成網(wǎng)形成棉絮狀，針刺后制備成連續(xù)預(yù)浸漬纖維氈，最后制板或成型。該工藝能有效混合玻璃纖維與樹脂纖維，提高混合均勻度，對(duì)于板材力學(xué)性能的提升有一定的推進(jìn)作用，但由于梳理、針刺強(qiáng)度過大，玻璃纖維損傷現(xiàn)象嚴(yán)重，減小了纖維的長(zhǎng)度與強(qiáng)力比。產(chǎn)品的力學(xué)性能受到纖維本身強(qiáng)度的限制，因此只能應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)材料。而且由于玻纖取向明顯，板材物理機(jī)械性能具有明顯的各向異性特征，在縱橫方向差別顯著。
針對(duì)上述研究存在的問題，本文提出了一種新的制氈工藝——立體干法( 混合) 工藝，對(duì)現(xiàn)行的連續(xù)纖維針刺氈制備基材的方法進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，引入了先進(jìn)的制備連續(xù)纖維預(yù)浸漬帶的浸漬工藝技術(shù)。新的干法預(yù)浸漬工藝不僅能保證增強(qiáng)纖維與基體纖維混合的均勻性，而且能大幅度減少纖維的損傷、斷裂現(xiàn)象，有效地解決了增強(qiáng)材料與高溫、高性能、高粘度樹脂熔融流動(dòng)成型困難的技術(shù)瓶頸，顯著提升了玻纖增強(qiáng)熱塑性板材的產(chǎn)品質(zhì)量與力學(xué)性能。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2. 1 立體混合法制氈
由于PP 具有密度小、耐化學(xué)腐蝕、易加工等特點(diǎn)，PP 經(jīng)改性之后耐熱變形溫度及與纖維界面結(jié)合的親和力得到大幅提升，所以本文研究選用PP作為基體材料。玻璃纖維則選用能與PP 界面良好粘結(jié)的巨石362C 系列纖維，且都為束狀。開發(fā)出立體混合法制氈的工藝與設(shè)備。
立體混合法制氈工藝主要是將玻纖與化纖分別拉制成束狀，展纖后，在保持纖維最小長(zhǎng)度( 50 ～60mm) 的前提下，通過特殊的梳理工藝與氣流成網(wǎng)工藝，完成不同比重的玻纖與化纖的均勻混合，制成三維立體結(jié)構(gòu)的混合針刺氈。制作流程如圖1 所示。首先將GF 與PP 分別用疏針開松機(jī)開松，使束狀GF、PP 纖維展開成單絲狀，通過風(fēng)機(jī)輸送至帶電子配比稱重的給棉機(jī)給棉。然后，將GF、PP 按比例配給，經(jīng)混合開松機(jī)進(jìn)一步均勻開松、混合。由風(fēng)機(jī)輸送至高位自動(dòng)給棉機(jī)，通過定量自動(dòng)喂入系統(tǒng)，喂入專用梳理氣流成網(wǎng)機(jī)，均勻成網(wǎng)。最后，經(jīng)上、下針刺加固，切卷成半成品基氈——混合氈。按照上述工藝，采用合適的GF、PP 質(zhì)量配比方案，加工制成混合氈。
2. 2 性能測(cè)試
將立體混合法所制基氈( 簡(jiǎn)稱立體混合氈) 經(jīng)層合熱壓法制備成熱塑性復(fù)合材料板材，參照ISO527-2-2012《塑料: 拉伸性能的測(cè)定: 第二部分: 模壓和擠壓塑料試驗(yàn)條件》、ISO 178-2010《塑料: 彎曲性能的測(cè)定》和ISO 179-1-2006《塑料: 擺錘沖擊特性測(cè)定》的要求，在板材上面分別割取拉伸、彎曲、沖擊試樣。在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸、彎曲性能測(cè)試，在微機(jī)控制擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度測(cè)試，并用電鏡觀察板材的浸漬效果。
3結(jié)果與討論
3. 1 立體混合氈的制備工藝
( 1) 混合均勻性
實(shí)現(xiàn)不同比重的玻璃纖維( 2. 54g /cm3 ) 與聚丙烯纖維( 0. 91g /cm3 ) 的均勻混合是立體混合法的核心問題之一，兩種纖維混合得越均勻，材料的性能就越穩(wěn)定，在后續(xù)制板或成型過程中，由擠壓流動(dòng)所帶來的富樹脂區(qū)及干纖維區(qū)等缺陷也越少。立體混合法制氈工藝中，所選PP 纖維為束狀，且整體比較硬挺，氣流成網(wǎng)時(shí)，兩種纖維下降速率差異較小，可有效保證混合纖維成網(wǎng)均勻、穩(wěn)定，無明顯的拉痕缺陷。GF、PP 纖維經(jīng)梳針開松、風(fēng)機(jī)輸送、混合開松、專用梳理氣流成網(wǎng)等工序，除極少部分還殘留束狀玻纖外，其余部分都體現(xiàn)出較好的分散性，混合均勻度CV 值可達(dá)5%。這對(duì)于后續(xù)的板材浸漬工藝有很大的推動(dòng)作用，有利于節(jié)省設(shè)備成本，提高生產(chǎn)效率。
( 2) 纖維長(zhǎng)度
纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，制品的拉伸性能、抗沖擊性能越好，最終產(chǎn)品的連續(xù)性也越優(yōu)。傳統(tǒng)制氈工藝由于直接借用于無紡機(jī)械設(shè)備，過于密集的針布和刺針使得在梳理、針刺工藝過程中，纖維的損傷、斷裂現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能急劇下降。如圖3所示，本文所研究的工藝，將梳針開松、輕度打擊方式融合于開松、梳理過程，既能有效混合兩種不同比重的纖維，保持纖維的基本長(zhǎng)度及硬挺度，又能在一定程度上提高纖維的`分散性，為后段成網(wǎng)工序提供便利。與此同時(shí)，氈層中的樹脂與高速運(yùn)動(dòng)的刺針產(chǎn)生劇烈的摩擦而部分融化，熔融的樹脂可有效潤(rùn)滑刺針本身，減少刺針在上、下運(yùn)動(dòng)過程中，對(duì)纖維的撕破和打斷現(xiàn)象，對(duì)于纖維長(zhǎng)度的保持及制品力學(xué)性能的提高具有重大的意義。
( 3) 針刺密度、針刺頻率、針刺深度
針刺密度、針刺頻率、針刺深度直接影響著氈層之間的交聯(lián)程度，與氈的拉伸、彎曲、抗沖擊等力學(xué)性能及變形性有很大關(guān)系。針密( 針刺密度) 越大，針頻越高，纖維混合得越充分，纏結(jié)效果也越好，氈的拉伸、彎曲等力學(xué)性能也得到相應(yīng)提高。與此同時(shí)，隨著針密、針頻、針深的增加，纖維也越容易被刺斷，氈層的相關(guān)力學(xué)性能會(huì)隨之下降，特別是對(duì)于抗沖擊強(qiáng)度等性能[15]。所以選擇合理的針密、針頻、針深等參數(shù)十分重要。對(duì)于本次研究的新工藝，針密選擇為50 刺/cm2，針頻則依據(jù)底簾速率而定，為了保證纖維的硬挺性及彈性等，針深控制在10mm 左右。
( 4) 立體結(jié)構(gòu)
常規(guī)的梳理成網(wǎng)工藝，所制基氈纖維取向明顯，板材物理機(jī)械性能具有明顯的各向異性特征，縱橫向強(qiáng)力比值差較大。而本文所研究的立體混合法制氈工藝，采用常熟飛龍無紡機(jī)械有限公司專用的梳理氣流成網(wǎng)機(jī)梳理、鋪網(wǎng)、再針刺，在保證成網(wǎng)均勻度達(dá)到要求的同時(shí)，亦能使基氈獲得三維立體結(jié)構(gòu)，纖維之間雜亂、無規(guī)則排布。在高溫、高壓條件下，此立體結(jié)構(gòu)能為增強(qiáng)樹脂提供多方向的流動(dòng)、浸漬通道，有利于提升板材浸漬效果，提高力學(xué)性能，縮小縱橫向強(qiáng)力比值差。
3. 2 測(cè)試結(jié)果分析
用上述方法，取多組試樣測(cè)定板材的縱向和橫向拉伸、彎曲、沖擊性能值，將其均值與傳統(tǒng)玻纖增強(qiáng)板材相比較( 同等克重條件下)。
相同玻纖含量的混合氈板材與傳統(tǒng)板材相比，拉伸強(qiáng)度增加了22% 左右，彎曲強(qiáng)度提高了30%左右，沖擊強(qiáng)度也提高了27. 3%左右。其主要原因是: 在立體混合氈結(jié)構(gòu)中，玻璃纖維長(zhǎng)度損傷、斷裂情況較少，且與基體樹脂處于共混狀態(tài)，高粘度的基體樹脂經(jīng)高溫塑化后，直接粘結(jié)、浸漬毗鄰的玻璃纖維，浸漬距離縮短，浸漬效果得到明顯改善，板材的力學(xué)性能得以大幅提升。
立體混合氈的均勻三維立體結(jié)構(gòu)中，樹脂纖維尤其是玻璃纖維呈空間三維方向無規(guī)則排布，板材受外力時(shí)，纖維能有效地分擔(dān)載荷至鄰近的板材空間，有利于保證板材各方向力學(xué)性能接近一致。如表4 所示，經(jīng)立體混合法制成的新型GMT 板材，擁有近乎1∶ 1的縱橫向強(qiáng)力比值，體現(xiàn)出一定的各向同性優(yōu)勢(shì)。
傳統(tǒng)熱塑性板材纖維分散性不佳，基體樹脂成塊分布，大部分玻璃纖維仍處于白色裸露狀態(tài)，未經(jīng)基體樹脂的浸漬，即出現(xiàn)干纖維區(qū)域，嚴(yán)重影響了板材力學(xué)性能的提升�；旌蠚职宀牟ＡЮw維分散性較好，基體樹脂也浸漬得相當(dāng)均勻、透徹，未出現(xiàn)如傳統(tǒng)熱塑性板材纖維浸漬不完全、干纖維分布集中和富樹脂區(qū)的現(xiàn)象，且纖維大部分是被拉斷的而非拔出的，這說明基體樹脂對(duì)玻璃纖維的浸漬效果較好，纖維與基體樹脂界面的結(jié)合力穩(wěn)固，對(duì)于板材力學(xué)性能的提升具有重大的意義。
3. 3 應(yīng)用實(shí)例
立體混合氈可廣泛應(yīng)用于各種模壓成型工藝，并且可一次成型出各種復(fù)雜形狀的零部件。將上述所制板材覆蓋一層界面無紡布，在遠(yuǎn)紅外加熱爐中預(yù)熱200℃左右，迅速轉(zhuǎn)移到熱壓模具中( 模具預(yù)熱60 ～ 70℃) 進(jìn)行熱壓成型，壓機(jī)壓力在5MPa 左右即可。其成型件整體界面非常光潔，在拉深較大處成型效果良好，無明顯的縮孔、凹坑等缺陷，說明增強(qiáng)纖維與樹脂纖維分散均勻，使得樹脂在模壓流動(dòng)過程中，流動(dòng)阻力小，從而提升了基體樹脂對(duì)纖維的浸漬效果。因此，由立體混合法制氈工藝制得的混合氈板材在汽車、建筑、通訊、電子行業(yè)、化工設(shè)備等領(lǐng)域?qū)⒂邢喈?dāng)巨大的應(yīng)用價(jià)值。
4 結(jié)論
( 1) 通過新型立體混合干法工藝制備出的基氈，增強(qiáng)纖維和基體樹脂纖維混合均勻，損傷及斷裂少，立體結(jié)構(gòu)明顯，使得樹脂在模壓流動(dòng)過程中，流動(dòng)阻力小，從而提升了基體樹脂對(duì)纖維的浸漬效果;
( 2) 立體混合法制氈工藝制得的混合基氈，其玻璃纖維與基體樹脂的接觸面積增大，浸漬過程由以往鋪膜式的面滲透粘接、或線粘接變?yōu)辄c(diǎn)粘接，浸漬效果有了很大的提升，產(chǎn)品的力學(xué)性能得到明顯改善，縱橫向強(qiáng)力比值接近于1∶ 1;
( 3) 由立體混合法制氈工藝制得的混合基氈可用于制作拉伸深度大，有沖壓負(fù)角等較難成型的模壓產(chǎn)品，且其界面光順、圓整;
( 4) 新型立體混合法制氈工藝制得的立體混合氈可應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件、外觀件和部分結(jié)構(gòu)件，也可用于制作建筑模板、化工設(shè)備等，在家用電器上亦有較好的應(yīng)用前景。
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