长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的高性能_低成本化技术_周晓东

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
3 8
纤 维 复 合 材 料
2008 年
差距 ,由连续纤维毡增强的 GMT 材料其缺口悬臂梁 冲击 强 度 在 650J / m 左 右 ( 纤 维 含 量 为 30 % 左 右
212 材料的制备 在线混炼直接挤出长玻璃纤维增强热塑性复合
材料 ,采用自行研发的特殊结构双螺杆挤出机制备 , 工艺过程如图 1 所示 。
3 结果与讨论
311 双螺杆挤出混炼制备的 LFT 材料的力学性能 玻璃纤维与热塑性聚合物经普通双螺杆挤出机
挤出时 ,纤维在螺杆的剪切作用下容易断裂 ,挤出的 复合体系中 ,纤维的长度基本上在 012～018mm 范 围内 。用于长玻璃纤维增强热塑性模塑料挤出的双 螺杆挤出机 ,必须设计特殊的螺杆结构及组合 。本 课题组自行研制的双螺杆挤出机 ,在保证纤维与聚 合物分散均匀的同时 ,对纤维的损伤较小 ,图 2 是挤 出的模塑料的照片 ,图 3 是模塑料在高温电炉中聚 丙烯分解后玻璃纤维的照片 。
与编织物复合的 LFT 材料是将编织物置于烘箱 中加热至 200 ℃以上 ,平铺于平板模腔内 ,再将挤出 的 LFT 模塑料置于模腔内 ,经模压成片材 。
使用聚丙烯回收料时 ,加入少量增韧剂并适当 添加抗老化助剂 。无机填料经表面处理 ,基体中加 入界面改性剂 。
213 材料的性能测试 将所制备的片材切割成样坯 ,经铣床按 GB1040
1 前 言
长纤维增强热塑性复合材料 (LFT) 具备短纤维 增强复合材料难于达到的力学性能 ,其拉伸 、弯曲强 度及模量均与已在汽车制造领域获得广泛应用的玻 璃纤维毡增强热塑性复合材料 ( GMT) 相当 ,仅在冲 击强度方面 , GMT 具有一定的优势 。但 LFT 具有良 好的成型加工性能 ,可通过注塑 、模压 、挤出等多种 工艺成型 ,成型时模塑料的成模流动性好 ,可在较低 的压力下成型 ,可成型形状复杂的制品 ,制品的表观 质量亦优于 GMT ,同时 ,LFT 的成本比 GMT 有较大 的优势 。可取代热固性的 SMC、BMC 及一些工程塑 料在汽车及其它车辆制造 、建筑 、电气 、包装 、仓储设 备 、化工等领域获得广泛的应用[1～6] 。目前 ,LFT 已 成为热塑性复合材料领域研究开发的重要方向 ,已 开发成功并具有实用价值的浸渍技术包括 :粉体浸 渍 、熔融浸渍 、混纤纱技术等[7～9] ,其中直接挤出混 炼技术 (在线混炼) 已在汽车零部件制造中获得应
玻璃纤维与聚丙烯相互作用较弱 ,在聚丙烯树 脂中加入接枝极性基团的功能化聚丙烯可改善基体 与增强材料的界面粘结 。不同纤维含量的材料其力 学性能如表 1 ,从表 1 可以看到 ,纤维在模塑料中含 量对材料性能有较大的影响 , 在玻璃纤维含量在 20 %～40 %的范围内 ,随着纤维含量的提高 ,材料的 拉伸 、弯曲及缺口冲击强度均增大 。与玻璃纤维毡 增强热塑性复合材料 ( GMT) 相比 , 双螺杆挤出的 LFT 模塑料经模压成型后在拉伸 、弯曲性能 (包括强 度 、模量) 相当 ,但在缺口冲击强度方面存在较大的
材料种类
拉伸强度 (MPa)
拉伸模量 (MPa)
弯曲强度 (MPa)
弯曲模量 (MPa)
30 %玻璃纤维含量的 LFT + 混纤纱双向编织物
98152
5739
159121
5603
40 %玻璃纤维含量的 LFT +
混纤纱双向编织物
114175
6981
178104
6738
30 %玻璃纤维含量的 LFT + 预浸料双向编织物
基体树脂中回收
拉伸强度 拉伸模量 弯曲强度 弯曲模量
缺口悬臂梁
聚丙烯含量 ( %)
(MPa)
(MPa)
4期
周晓东等 :长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的高性能 、低成本化技术
3 7
高品质 SMC 及 GMT 的应用创造条件 ;降低成本 ,可 为 LFT 材料取代 BMC、SMC 的应用铺平道路 。本文 通过组合增强 、添加廉价填料和回收聚丙烯等方法 , 进行长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料高性能 、低成 本化的探索 。
用 ,连续玻璃纤维粗纱连续进入特殊设计的挤出机 , 与已经熔融的热塑性树脂混合 ,在挤出机螺杆的剪 切作用下 ,连续玻璃纤维切断成一定的长度并与树 脂混合均匀 ,通过控制螺杆的剪切作用 ,抑制对脆性 纤维的损伤 ,以保持较长的纤维长度 。混合均匀的 长纤维增强热塑性复合材料可挤出形成坯料 ,在保 温的状态下经切割后置于模具中压缩模塑 ,亦可直 接挤入注塑机的储料缸中进行注塑成型[10 ,11 ] ,国外 已有几家公司开发成功这样的技术 ,华东理工大学 热塑性复合材料研究团队在开发成功 GMT 的制备 与成型技术后 ,即着手 LFT 材料制备工艺的研究 ,研 发成功多种 LFT 的制备技术与成套设备 ,开发成功 的单螺杆直接挤出混炼技术及双螺杆直接挤出混炼
96131
6853
172165
6714
缺口悬臂梁 冲击强度 (J/ m)
784
861
769
从表 2 中可以看到 ,引入补强的编织物 ,可使 LFT 制品的性能有较大的提升 ,特别是缺口悬臂梁 冲击强度 ,由于吸收冲击能量途径的增加及能力大 幅度提高 ,提高非常显著 。编织物的引入 ,可以有效 地实现 LFT 材料的补强 ,可以根据结构对性能的需 要 ,引入适当结构 、形式及数量的编织物 。通过编织
2 实验
211 主要原材料 连续无碱玻璃纤维无捻粗纱 ,巨石集团有限公
司产品 ;玻璃纤维/ 聚丙烯纤维混纤纱织物 ,自制 ;玻 璃纤维/ 聚丙烯预浸料编织物 ,自制 ,先通过熔融浸 渍制备连续纤维增强聚丙烯预浸带 ,预浸带经编织 形成织物 。聚丙烯 , Y1600 ,上海石油化工股份有限 公司塑料事业部产品 ;接枝马来酸酐的功能化聚丙 烯 ,自制 。
- 79 、GB9341 - 88 、GB1843 - 80 等标准加工成拉伸 、 弯曲及冲击样条 ,然后在室温下测定材料的拉伸 、弯 曲及冲击性能 。
图 3 双螺杆挤出模塑料中的玻璃纤维
从照片中可以看到 ,模塑料中的纤维保持较长 的长度 。多数纤维的长度在 20mm 以上 ,长度达到 50mm 的也有较高的含量 。
技术已与相关的企业合作 ,建立工业生产装置 。 高性能 、低成本是材料开发不断追求的目标 ,是
拓展材料应用范围 、提高市场竞争力的重要手段 。 提升 LFT 的力学性能 ,可为其进一步取代金属材料 、
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
第 4 期 3 6 2008 年 12 月
材料研究
纤维复合材料 FIBER COMPOSITES
No14 Dec1 ,2008
长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的
高性能 、低成本化技术
周晓东 ,方 立 ,袁冠军
(华东理工大学化学工程联合国家重点实验室 ,上海 200237)
摘 要 本文通过直接挤出混炼的方法制备了长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料 ,研究了长纤维增强聚丙烯复合材 料高性能 、低成本化的方法 。通过与连续玻璃纤维增强聚丙烯织物的组合 ,获得了力学性能超过玻璃纤维毡增强 聚丙烯复合材料的高性能复合材料 。在树脂基体中掺混廉价的填料及回收的聚丙烯树脂 ,结合适当的填料表面处 理方法及废弃回收树脂的增韧及抗老化改性 ,在力学性能保持一定水平的基础上 ,可有效降低材料的成本 。 关键词 玻璃纤维 ;聚丙烯 ;长纤维增强热塑性复合材料 (LFT) ;在线混炼 ;填充 ;组合增强
时) ,在对冲击强度要求较高的应用方面 , GMT 有一 定的优势 。
纤维 含量 20 % 30 % 40 %
表 1 纤维含量对 LFT 力学性能的影响
拉伸强度
拉伸模量
弯曲强度
弯曲模量
(MPa)
(MPa)
(MPa)
(MPa)
54187
3290
91136
3184
80152
5094
131172
4998
93166
5879
150128
5783
缺口悬臂梁 冲击强度 (J/ m)
155
243
286
312 编织物的引入及其对材料力学性能的影响 为了进一步提升 LFT 的性能 ,本文采用几种类
型的编织物与 LFT 复合 ,对 LFT 进行补强 ,获得的材 料其力学性能如表 2 。
ห้องสมุดไป่ตู้
表 2 编织物的引入对 LFT 材料力学性能的影响
物的引入 ,LFT 材料的力学性能可以全面达到 GMT 的水平 。 313 回收聚丙烯的添加对 LFT 材料力学性能的影响
选用市售的回收聚丙烯 ,在复合过程中加入适 当的抗老化及相关改性成分 ,按同样的过程制备的 LFT 复合材料其力学性能见表 3 。
表 3 回收聚丙烯作为基体或基体成分的 LFT 材料力学性能 (纤维含量为 30 %)
图 2 双螺杆挤出模塑料的照片
图 1 双螺杆直接挤出长纤维增强热塑性模塑料过程示意图
聚丙烯树脂及相关添加剂从料斗进入双螺杆挤 出机 ,连续玻璃纤维无捻粗纱经预热后在挤出机机 筒的下游部位进入 ,熔化的聚合物树脂与进入的纤 维混合 ,在螺杆的剪切作用下 ,纤维切断成一定长度 并与聚丙烯熔体分散均匀 ,形成长玻璃纤维增强聚 丙烯模塑料 ,该模塑料经平板压机于片状模具中模 压成片材 。
High - performance and Lo w - cost Technology of Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene Composites
ZHOU Xiaodong , FANG Li , YUAN Guanjun
(State Key Laboratory of Chemical Engineering , East China University of Science and Technology , Shanghai , 200237) AB STRACT Long glass fiber reinforced polypropylene composites (LFT) were prepared by direct extrusion mixture , and the high - performance and low - cost technology of LFT is studied in this article. By assembling with continuous glass fiber reinforced polypropylene weaves , high - performance composites were obtained , which have higher mechanical properties than glass fiber mat reinforced thermoplastic composites ( GMT) . By mixing polypropylene matrix with cheap fillers and recycled polypropylene , com2 bining suitable surface treatment of fillers and modification of toughness and ageing resistance of recycled polypropylene , the cost will be reduced effectively when mechanical properties are maintained at a certain level. KEYWORDS Glass fiber ;Polypropylene ;LFT;DLFT;On - line Mixture ;Filling ;Combined reinforcement