為充分發(fā)揮注塑成型生產(chǎn)效率高、成本低的優(yōu)勢(shì),努力將斷纖程度降至最低,20世紀(jì)80年代初LFT-G誕生。LFT-G制品生產(chǎn)的工藝與GMT相似,也需要兩個(gè)成熟的工藝,即長(zhǎng)顆粒的成型和制品的注塑成型或壓塑成型。
LFT-G粒料的直徑大約為3mm,長(zhǎng)度有12mm和25mm兩種,其中12mm左右長(zhǎng)度的粒料主要用于注塑成型,而25mm左右長(zhǎng)度的粒料主要用于壓塑成型。在LFT-G粒料注塑成型過(guò)程中,盡管注塑成型機(jī)經(jīng)過(guò)很多改良,但限于注塑工藝原因,在最后的制成品中纖維只能達(dá)到3.2~6.4mm。雖然這個(gè)長(zhǎng)度比FRTP注塑成型的纖維長(zhǎng),產(chǎn)品的抗沖擊性能也明顯提高,但是比LFT-D注塑或者壓塑成型的纖維要短,強(qiáng)度和抗沖擊性也比LFT-D差。
LFT-D是長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在線直接生產(chǎn)制品的一種工藝技術(shù),它區(qū)別于GMT和LFT-G的關(guān)鍵因素是半成品步驟被省去了,在材料的選擇上也更加靈活。在LFT-D技術(shù)中,不僅纖維的含量和長(zhǎng)度,而且連其基體聚合物也可以直接調(diào)整到最終部件的要求。通過(guò)添加劑的用量多少可以改變和影響制品的機(jī)械性能和特殊應(yīng)用材料的特性,如熱穩(wěn)定性、著色性、紫外穩(wěn)定性以及纖維與基體的粘結(jié)特性等,這也意味著每一種特殊應(yīng)用都可以通過(guò)LFT-D獲得其獨(dú)特的材料配方。
LFT-D典型的工藝是聚合物基體顆粒和添加劑被輸送到重量分析給料單元組合中,該單元根據(jù)部件的機(jī)械性能要求確保適度的混合。經(jīng)混合后的原料進(jìn)入雙螺桿擠塑機(jī)塑化,其熔融化合物通過(guò)一個(gè)薄膜模頭形成類似瀑布的聚合物薄膜,直接進(jìn)入雙螺桿混煉擠塑機(jī)的開(kāi)口處。而玻璃纖維粗紗則通過(guò)特別設(shè)計(jì)的粗紗架,經(jīng)過(guò)預(yù)熱、分散等程序被引入到聚合物薄膜的頂端,與薄膜匯合一同進(jìn)入到雙螺桿擠塑機(jī)中,由螺桿切割粗紗,并把它們?nèi)岷偷鼗旌系筋A(yù)熔的聚合物當(dāng)中,然后直接送入壓制模具中成型.
LFT-D的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩方面:一是降低了成本。由于是一步法生產(chǎn),LFT-D生產(chǎn)的大型結(jié)構(gòu)件比二步法生產(chǎn)的GMT或LFT-G壓制件的成本低20%~50%;二是制品綜合性能優(yōu)異。
LFT-D壓制成型制品的抗沖擊性能比GMT略低,但由于比LFT-G成型后的纖維長(zhǎng)很多,因此其抗沖擊性能明顯高于LFT-G。另外,據(jù)大量的研究表明,LFT-D注塑的生產(chǎn)率比標(biāo)準(zhǔn)的LFT-G粒料高,因?yàn)長(zhǎng)FT-D低的塑化要求改善了纖維發(fā)生斷纖的狀況。對(duì)于成型周期超過(guò)1min的部件用LFT-D注塑設(shè)備在30s內(nèi)就能完成。
LFT除了具有熱塑性塑料的特點(diǎn)之外,還由于混配了長(zhǎng)玻纖,使其產(chǎn)生了更為優(yōu)良的機(jī)械物理性能和力學(xué)性能。其特點(diǎn)如下:
1、密度小、強(qiáng)度高。LFT的密度為1.1~1.6g/cm3,僅為鋼材的1/5~1/7,比SMC輕1/4~1/3,它能夠以較小的單位質(zhì)量獲得較高的機(jī)械強(qiáng)度。
2、可設(shè)計(jì)性的自由度大。LFT的物理、化學(xué)和力學(xué)性能都可以通過(guò)合理選擇原材料的種類、配比、加工方法、纖維含量來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于熱塑性復(fù)合材料的基體材料種類比熱固性復(fù)合材料多很多,因此,其選材設(shè)計(jì)的自由度也就更大。
3、熱性能提高。一般塑料的使用溫度為50~100℃,用玻璃纖維增強(qiáng)后,可提高到100℃以上,一些特殊的LFT使用溫度甚至可提高到200℃以上;線膨脹系數(shù)比未增強(qiáng)的塑料低1/4~1/2;成型收縮率小,僅為0.2%,提高了制品的尺寸精度;導(dǎo)熱系數(shù)為0.3~0.36W,與熱固性復(fù)合材料相近。
4、耐化學(xué)腐蝕性。該特性主要由基體材料的性能決定,熱塑性樹(shù)脂的種類很多,每種樹(shù)脂都有自己的防腐特點(diǎn),因此,可以根據(jù)LFT的使用環(huán)境和介質(zhì)條件,對(duì)基體樹(shù)脂進(jìn)行優(yōu)選。
5、良好的介電性能。 LFT不反射無(wú)線電波,透過(guò)微波性能良好。在LFT中加入導(dǎo)電材料可改善其導(dǎo)電性能,防止產(chǎn)生靜電。
6、廢料能循環(huán)利用。LFT可重復(fù)加工成型,廢品和邊角余料能循環(huán)利用,不會(huì)造成環(huán)境污染。
7、較強(qiáng)的柔韌性、抗沖擊性能,良好的抗破壞能力和阻尼性能。
LFT在歐美及中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)的應(yīng)用
現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)向著以減輕車(chē)身自重為主的節(jié)能降耗方向發(fā)展。當(dāng)前,國(guó)際上已把塑料的用量作為衡量一個(gè)國(guó)家汽車(chē)工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。輕質(zhì)高強(qiáng)的LFT材料也已從小批量的、少數(shù)的汽車(chē)零部件的生產(chǎn)擴(kuò)展到大批量的、廣泛的汽車(chē)零部件生產(chǎn),逐步成為制作汽車(chē)零部件的主流材料,尤其是在那些機(jī)械強(qiáng)度要求高的領(lǐng)域,如前端框架、吸能防撞保險(xiǎn)杠、座椅骨架、車(chē)身底護(hù)板等。
據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車(chē)行業(yè)的LFT消耗量約占世界LFT行業(yè)總消耗量的80%。而在汽車(chē)行業(yè)中,歐美LFT消耗量大約占95%,其中歐洲占80%,美國(guó)占15%,
LFT材料在中國(guó)的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代未、90年代初,應(yīng)該說(shuō)和歐美相比在時(shí)間上相差不多,但是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和應(yīng)用開(kāi)發(fā)相對(duì)滯后。目前,中國(guó)己形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GMT、LFT-G和LFT-D產(chǎn)品,并形成了一定的生產(chǎn)能力,但在產(chǎn)品質(zhì)量和品種門(mén)類上與世界先進(jìn)水平還有相當(dāng)大的距離。在己知的國(guó)產(chǎn)汽車(chē)中,LFT零件原材料90%以上都從歐美、韓國(guó)引進(jìn),而且其應(yīng)用主要集中在從歐美、韓國(guó)引進(jìn)的車(chē)型中。
巨大的市場(chǎng)前景
可以說(shuō),LFT是汽車(chē)復(fù)合材料工業(yè)中的希望之星。美國(guó)Principia咨詢公司的市場(chǎng)報(bào)告顯示,2004年全球LFT市場(chǎng)需求量約為1.08億kg(2.39億磅),銷(xiāo)售額為4.5億美元。LFT完全可以替代汽車(chē)業(yè)、工業(yè)以及園林草坪業(yè)中的壓鑄件、鋼質(zhì)沖壓金屬件以及短玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料件,但是目前汽車(chē)行業(yè)仍然是LFT主要的應(yīng)用領(lǐng)域。汽車(chē)中應(yīng)用LFT的零部件主要包括:前端模塊框架、車(chē)身底護(hù)板、儀表臺(tái)骨架、蓄電池托架、備胎倉(cāng)、外罩、抗沖構(gòu)件及其他??傮w上看,2004~2009年LFT的市場(chǎng)預(yù)計(jì)增長(zhǎng)率平均可達(dá)18%,其中亞洲的增長(zhǎng)率最為強(qiáng)勁,約為25%;西歐和北美洲的增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)分別可達(dá)17%和12%。
另?yè)?jù)專家統(tǒng)計(jì),目前在全世界LFT的銷(xiāo)售總額中,GMT約占52%,LFT-G約占32%,而LFT-D僅占16%。隨著新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷普及和推廣,專家預(yù)測(cè)除GMT以外,LFT的銷(xiāo)售量每年將增長(zhǎng)30%,其中LFT-D的增長(zhǎng)速度會(huì)更快。
國(guó)內(nèi)LFT-D從目前來(lái)看,LFT-D產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)尚未普及。但未來(lái)隨著業(yè)內(nèi)對(duì)LFT-D認(rèn)知度的不斷提高,以及汽車(chē)行業(yè)節(jié)能減排要求的日益嚴(yán)苛,該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用將逐漸增多。
總結(jié):
以LFT-D為代表的連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性汽車(chē)復(fù)合材料成型工藝技術(shù)將會(huì)得到強(qiáng)勁的發(fā)展,尤其在乘用車(chē)輕量化過(guò)程中替代金屬結(jié)構(gòu)件、半結(jié)構(gòu)件中將發(fā)揮重要的作用!