自20世紀(jì)90年代以來，長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（Long-Fiber Reinforced Thermoplastic，簡稱“LFT”）在汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域所占據(jù)的市場份額不斷增加，這里由于，使用該類材料制造汽車結(jié)構(gòu)零部件，具有比重小、剛性高、耐化學(xué)性好以及良好的阻尼特性、高抗振性及疲憊強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。最初，在長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料領(lǐng)域中，使用的是半成品壓制成型技術(shù)。該工藝的第一步是加工長玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料片材或棒狀粒料半成品，即玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性塑料（Glass-Mat Reinforced Thermoplastics，簡稱“LFT-GMT”)和長玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料粒子 (Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Granules，簡稱“LFT-G”)，然后通過壓制過程把它們塑化成型為部件外形。這種成型工藝現(xiàn)在在長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料領(lǐng)域已成為常用既定的工藝。
后來，由于供給廠商面臨著汽車產(chǎn)業(yè)不斷增加本錢的壓力，促使長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的直接加工技術(shù)（Long-Fiber-Thermoplastic-Direct-In-Line-Compounding，簡稱“LFT-D-ILC”或 “LFT-D”)在1996年誕生。在該種加工技術(shù)中，無需半成品加工的生產(chǎn)步驟，通過程序化控制的加工機(jī)械，直接用得到匹配的原材料即熱塑性塑料和增強(qiáng)纖維來生產(chǎn)部件。這也是直接加工技術(shù)從根本上與半成品加工工藝不同的地方。
優(yōu)越性
在LFT-D工藝中，優(yōu)良的活動性能增加了制品表面的透明性，以至外露可見部件可具有凸形表面制品花紋，從而大大降低了纖維印刷（fiber-print）的使用率。
使用LFT-D加工技術(shù)對廢舊回收部件進(jìn)行直接加工，可帶來經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)優(yōu)越性的雙重上風(fēng)。整個工藝過程包括廢舊部件的加工（被切碎并從金屬安裝件上分離），以及使用廢物生產(chǎn)材料。經(jīng)切碎回收的材料直徑范圍為12～50mm。回收材先在專用的單螺桿回收料擠出機(jī)中熔融，然后直接被喂進(jìn)雙螺桿裝置(ZSG)中。同時被喂進(jìn)的還有長纖維，用以增加部件的剛性。對于尺寸范圍為8～12mm的回收料而言，可被直接喂進(jìn)聚合物配混機(jī)中。
需要留意的是，對于LFT-D加工來說，并不像GMT和LFT-G那樣，制品質(zhì)量主要是由半成品性能來決定。實在，對材料性能具有深刻了解的操縱者才是對加工控制起作用的主導(dǎo)因素，特別是對回收料的加工更是如此。
設(shè)備技術(shù)
利用長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料直接加工設(shè)備，可把增強(qiáng)纖維作為一種連續(xù)的粗紗加進(jìn)到已熔融的聚合物中，然后使連續(xù)纖維分裂成長纖維并在聚合物中浸漬、擴(kuò)散和均勻化，最后把產(chǎn)生的這種長纖維配混料模制成部件。
在此，以Dieffenbacher公司開發(fā)的LFT-D設(shè)備為例，介紹一下長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料直接加工設(shè)備。該設(shè)備的最前端是一臺使基體聚合物塑化的雙螺桿擠出機(jī)。該擠出機(jī)的高剪切作用，使之具有很高的熔融能力。其擠出的聚合物熔體以聚合物膜的形式通過專門研制的縫口模頭，從而被傳遞到第二工位，即所謂的“雙螺桿裝置單元（ZSG）”。在此，預(yù)熱的連續(xù)纖維絲束與傳遞過來的基體一并被加進(jìn)。該ZSG裝置由Leistritz公司專門設(shè)計制造，長徑比為13，由大氣或真空控制的透風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行透風(fēng)。熱塑性塑料基體和纖維的均勻化配混物從縫口模頭流出，通過一臺PAL輸送機(jī)被運(yùn)走，然后被鍘刀式切斷機(jī)切成終極部件。除上述裝置和工位外，該設(shè)備還具有用于熱塑性塑料及回收料配混的測重定量供料工位，此工位能按照配方對添加劑如顏料、抗氧劑、熱穩(wěn)定劑及纖維/基體偶聯(lián)劑測重并定量加料。
使用這套設(shè)備加工長纖維增強(qiáng)聚丙烯（PP），在螺桿轉(zhuǎn)速高達(dá)500r/min下，最大可實現(xiàn)500～600kg/h的總擠出量。不過，這種產(chǎn)率能否達(dá)到，還要取決于擠出物中玻璃纖維的含量。
影響材料特性的因素
在對聚丙烯與玻璃纖維結(jié)合進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，繪制出了影響長纖維增強(qiáng)塑料特性的因素圖（如圖1所示）。由此可以得到影響材料特性的3個主要因素：玻璃纖維、纖維表面所涂膠料與纖維/基體樹脂偶聯(lián)劑，以及基體樹脂。
纖維在增強(qiáng)塑料中的主要功能是增強(qiáng)基體以進(jìn)步其剛性和穩(wěn)定性。玻纖具有更低的模量（與碳纖維相比），并且更經(jīng)濟(jì)、更易于加工。
E或E-CR玻纖通常被看作經(jīng)濟(jì)的纖維增強(qiáng)材料。該玻纖高的拉伸屈服性與低的延伸性（3.5%）為其帶來了出色的拉伸、壓縮和沖擊性能，以及較高的拉伸和彎曲彈性模量。另外，玻纖還具有優(yōu)良的耐侯性（高達(dá)650℃）且僅稍微吸濕。
玻纖單絲的直徑為3～24mm。其生產(chǎn)過程是：從熔融的玻璃中抽出細(xì)絲，接著表面涂膠冷卻，噴出纖維，再束成粗紗，然后將其切割或者纏繞在線軸上。
按照直徑及細(xì)絲數(shù)目，可將玻纖粗砂分為不同規(guī)格的粗紗。粗紗的重量在2 400～4 800tex時可以應(yīng)用，但還要取決于其在組分中所占的比例。粗紗線軸被放置在互不纏繞的裝置上，然后進(jìn)行預(yù)熱。
一條玻纖細(xì)絲與另一條玻纖細(xì)絲頂真?zhèn)€結(jié)合性，對LFT-D工藝過程有很大影響。單個纖維細(xì)絲在熔融狀態(tài)分散得越好，則纖維增強(qiáng)塑料的均勻性就越好。然而，由于技術(shù)工藝限制，僅能得到有限分散的單絲。通常，單絲粗紗在LFT-D工藝中應(yīng)用時，顯示了更好的加工能力。
2、纖維表面所涂膠料及纖維/基體樹脂偶聯(lián)劑
通常，玻纖的未處理表面不表現(xiàn)或只表現(xiàn)與聚丙烯很低的結(jié)合性。因此，為了能夠充分利用纖維的增強(qiáng)效果，即進(jìn)步二者之間的結(jié)合性，必須對纖維表面涂膠以及在纖維和基體樹脂間使用偶聯(lián)劑進(jìn)行處理。
在纖維表面涂膠后，單絲和粗紗間的結(jié)協(xié)力得到進(jìn)步，這樣纖維就會順利地穿過設(shè)備中不同的繩股導(dǎo)向系統(tǒng)。
膠料的化學(xué)組成由被加工的基體樹脂所決定。通常膠料的基體多為硅烷(SiH化合物)，由于它與玻璃（硅酸鹽材料）親和。同時，由于其含有活性基團(tuán)，可與纖維和基體樹脂間的偶聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)。氨基硅烷通常用作纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的膠料。
馬來酸酐經(jīng)常被用作纖維/基體樹脂間的偶聯(lián)劑。馬來酸酐分子的易反應(yīng)基團(tuán)與氨基硅烷膠料起反應(yīng)，以此與纖維相結(jié)合。如圖2所示，纖維/基體樹脂間的偶聯(lián)劑與纖維表面通過化學(xué)作用相結(jié)合，同時分解出水分子，由此實現(xiàn)了聚丙烯分子與玻纖的結(jié)合。
當(dāng)纖維取向成直線態(tài)，垂直于纖維取向的基體樹脂的穩(wěn)定性就會受到影響。而基體樹脂的改變會強(qiáng)烈影響纖維與基體樹脂的結(jié)合性。
考慮到熔融工藝過程及基體材料的力學(xué)性能，有一個重要因素必須引起留意，那就是熔體活動速率（熔融粘度）。
通過對30%玻纖增強(qiáng)具有不同熔體活動速率的耐沖擊聚丙烯共聚物的研究，以及對浸漬過程中能量消耗最大值的比較可知，消耗能量隨MFR值的升高而降低。MFR為70g/10min時，共聚物能量消耗最低。然而，由于MFR為70g/10min時共聚物分子鏈長度較短，所以其力學(xué)性能相對較低。經(jīng)研究確定，MFR為44g/10min的PP樹脂作為LFT-D工藝生產(chǎn)用基體樹脂最為適合。
未來走向
目前，自然纖維（例如，通過設(shè)立的柵網(wǎng)）還難以被輸進(jìn)到長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的直接加工工藝過程中，然而經(jīng)研究，利用圖3所示的工藝生產(chǎn)自然纖維增強(qiáng)再循環(huán)復(fù)合材料，要比其他現(xiàn)有工藝技術(shù)更具優(yōu)越性。因此，自然纖維的LFT-D工藝技術(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。
后來，由于供給廠商面臨著汽車產(chǎn)業(yè)不斷增加本錢的壓力，促使長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的直接加工技術(shù)（Long-Fiber-Thermoplastic-Direct-In-Line-Compounding，簡稱“LFT-D-ILC”或 “LFT-D”)在1996年誕生。在該種加工技術(shù)中，無需半成品加工的生產(chǎn)步驟，通過程序化控制的加工機(jī)械，直接用得到匹配的原材料即熱塑性塑料和增強(qiáng)纖維來生產(chǎn)部件。這也是直接加工技術(shù)從根本上與半成品加工工藝不同的地方。
優(yōu)越性
不同LFT材料的比較
在LFT-D工藝中，優(yōu)良的活動性能增加了制品表面的透明性，以至外露可見部件可具有凸形表面制品花紋，從而大大降低了纖維印刷（fiber-print）的使用率。
使用LFT-D加工技術(shù)對廢舊回收部件進(jìn)行直接加工，可帶來經(jīng)濟(jì)性和生態(tài)優(yōu)越性的雙重上風(fēng)。整個工藝過程包括廢舊部件的加工（被切碎并從金屬安裝件上分離），以及使用廢物生產(chǎn)材料。經(jīng)切碎回收的材料直徑范圍為12～50mm。回收材先在專用的單螺桿回收料擠出機(jī)中熔融，然后直接被喂進(jìn)雙螺桿裝置(ZSG)中。同時被喂進(jìn)的還有長纖維，用以增加部件的剛性。對于尺寸范圍為8～12mm的回收料而言，可被直接喂進(jìn)聚合物配混機(jī)中。
需要留意的是，對于LFT-D加工來說，并不像GMT和LFT-G那樣，制品質(zhì)量主要是由半成品性能來決定。實在，對材料性能具有深刻了解的操縱者才是對加工控制起作用的主導(dǎo)因素，特別是對回收料的加工更是如此。
設(shè)備技術(shù)
利用長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料直接加工設(shè)備，可把增強(qiáng)纖維作為一種連續(xù)的粗紗加進(jìn)到已熔融的聚合物中，然后使連續(xù)纖維分裂成長纖維并在聚合物中浸漬、擴(kuò)散和均勻化，最后把產(chǎn)生的這種長纖維配混料模制成部件。
在此，以Dieffenbacher公司開發(fā)的LFT-D設(shè)備為例，介紹一下長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料直接加工設(shè)備。該設(shè)備的最前端是一臺使基體聚合物塑化的雙螺桿擠出機(jī)。該擠出機(jī)的高剪切作用，使之具有很高的熔融能力。其擠出的聚合物熔體以聚合物膜的形式通過專門研制的縫口模頭，從而被傳遞到第二工位，即所謂的“雙螺桿裝置單元（ZSG）”。在此，預(yù)熱的連續(xù)纖維絲束與傳遞過來的基體一并被加進(jìn)。該ZSG裝置由Leistritz公司專門設(shè)計制造，長徑比為13，由大氣或真空控制的透風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行透風(fēng)。熱塑性塑料基體和纖維的均勻化配混物從縫口模頭流出，通過一臺PAL輸送機(jī)被運(yùn)走，然后被鍘刀式切斷機(jī)切成終極部件。除上述裝置和工位外，該設(shè)備還具有用于熱塑性塑料及回收料配混的測重定量供料工位，此工位能按照配方對添加劑如顏料、抗氧劑、熱穩(wěn)定劑及纖維/基體偶聯(lián)劑測重并定量加料。
使用這套設(shè)備加工長纖維增強(qiáng)聚丙烯（PP），在螺桿轉(zhuǎn)速高達(dá)500r/min下，最大可實現(xiàn)500～600kg/h的總擠出量。不過，這種產(chǎn)率能否達(dá)到，還要取決于擠出物中玻璃纖維的含量。
影響材料特性的因素
在對聚丙烯與玻璃纖維結(jié)合進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，繪制出了影響長纖維增強(qiáng)塑料特性的因素圖（如圖1所示）。由此可以得到影響材料特性的3個主要因素：玻璃纖維、纖維表面所涂膠料與纖維/基體樹脂偶聯(lián)劑，以及基體樹脂。
圖1 影響長纖維增強(qiáng)塑料特性的因素
纖維在增強(qiáng)塑料中的主要功能是增強(qiáng)基體以進(jìn)步其剛性和穩(wěn)定性。玻纖具有更低的模量（與碳纖維相比），并且更經(jīng)濟(jì)、更易于加工。
E或E-CR玻纖通常被看作經(jīng)濟(jì)的纖維增強(qiáng)材料。該玻纖高的拉伸屈服性與低的延伸性（3.5%）為其帶來了出色的拉伸、壓縮和沖擊性能，以及較高的拉伸和彎曲彈性模量。另外，玻纖還具有優(yōu)良的耐侯性（高達(dá)650℃）且僅稍微吸濕。
玻纖單絲的直徑為3～24mm。其生產(chǎn)過程是：從熔融的玻璃中抽出細(xì)絲，接著表面涂膠冷卻，噴出纖維，再束成粗紗，然后將其切割或者纏繞在線軸上。
按照直徑及細(xì)絲數(shù)目，可將玻纖粗砂分為不同規(guī)格的粗紗。粗紗的重量在2 400～4 800tex時可以應(yīng)用，但還要取決于其在組分中所占的比例。粗紗線軸被放置在互不纏繞的裝置上，然后進(jìn)行預(yù)熱。
一條玻纖細(xì)絲與另一條玻纖細(xì)絲頂真?zhèn)€結(jié)合性，對LFT-D工藝過程有很大影響。單個纖維細(xì)絲在熔融狀態(tài)分散得越好，則纖維增強(qiáng)塑料的均勻性就越好。然而，由于技術(shù)工藝限制，僅能得到有限分散的單絲。通常，單絲粗紗在LFT-D工藝中應(yīng)用時，顯示了更好的加工能力。
2、纖維表面所涂膠料及纖維/基體樹脂偶聯(lián)劑
通常，玻纖的未處理表面不表現(xiàn)或只表現(xiàn)與聚丙烯很低的結(jié)合性。因此，為了能夠充分利用纖維的增強(qiáng)效果，即進(jìn)步二者之間的結(jié)合性，必須對纖維表面涂膠以及在纖維和基體樹脂間使用偶聯(lián)劑進(jìn)行處理。
在纖維表面涂膠后，單絲和粗紗間的結(jié)協(xié)力得到進(jìn)步，這樣纖維就會順利地穿過設(shè)備中不同的繩股導(dǎo)向系統(tǒng)。
膠料的化學(xué)組成由被加工的基體樹脂所決定。通常膠料的基體多為硅烷(SiH化合物)，由于它與玻璃（硅酸鹽材料）親和。同時，由于其含有活性基團(tuán)，可與纖維和基體樹脂間的偶聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)。氨基硅烷通常用作纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的膠料。
馬來酸酐經(jīng)常被用作纖維/基體樹脂間的偶聯(lián)劑。馬來酸酐分子的易反應(yīng)基團(tuán)與氨基硅烷膠料起反應(yīng)，以此與纖維相結(jié)合。如圖2所示，纖維/基體樹脂間的偶聯(lián)劑與纖維表面通過化學(xué)作用相結(jié)合，同時分解出水分子，由此實現(xiàn)了聚丙烯分子與玻纖的結(jié)合。
圖2 Dieffenbacher的LFT-D設(shè)備
當(dāng)纖維取向成直線態(tài)，垂直于纖維取向的基體樹脂的穩(wěn)定性就會受到影響。而基體樹脂的改變會強(qiáng)烈影響纖維與基體樹脂的結(jié)合性。
考慮到熔融工藝過程及基體材料的力學(xué)性能，有一個重要因素必須引起留意，那就是熔體活動速率（熔融粘度）。
通過對30%玻纖增強(qiáng)具有不同熔體活動速率的耐沖擊聚丙烯共聚物的研究，以及對浸漬過程中能量消耗最大值的比較可知，消耗能量隨MFR值的升高而降低。MFR為70g/10min時，共聚物能量消耗最低。然而，由于MFR為70g/10min時共聚物分子鏈長度較短，所以其力學(xué)性能相對較低。經(jīng)研究確定，MFR為44g/10min的PP樹脂作為LFT-D工藝生產(chǎn)用基體樹脂最為適合。
未來走向
目前，自然纖維（例如，通過設(shè)立的柵網(wǎng)）還難以被輸進(jìn)到長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的直接加工工藝過程中，然而經(jīng)研究，利用圖3所示的工藝生產(chǎn)自然纖維增強(qiáng)再循環(huán)復(fù)合材料，要比其他現(xiàn)有工藝技術(shù)更具優(yōu)越性。因此，自然纖維的LFT-D工藝技術(shù)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。
圖3 馬來酸酐反應(yīng)機(jī)理
圖4 自然纖維的LFT-D工藝過程(end)
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