论立体混合法制毡工艺及其对玻纤增强热塑性材料力学性能的影响论

论立体混合法制毡工艺及其对玻纤增强热塑性材料力学性能的影响论1 引言玻纤增强热塑性复合材料是近年来迅速发展的一类高性能复合材料，是以热塑性树脂为基体， 以玻璃纤维 (GF)为增强骨架的板片状结构材料。基体树脂可以是聚丙烯(PP) 、涤纶 (PET)、聚酰胺 (PA) 、聚苯硫醚 (PPS)等，增强纤维可以是无碱玻璃纤维或短切纤维组成的针刺毡等。玻纤增强材料具有强度高、韧性好、密度小和保存期长等特点，同时还具有良好的成型性、耐腐蚀性和耐热性以及价格低廉、可再生利用等优点。玻纤增强材料属于绿色材料，在交通、建筑、汽车、环保、航空航天等方面得到越来越广泛的应用，已成为国际复合材料新的增长点。制作高性能的玻纤增强热塑性复合材料，除了原材料本身的性能指标，关键还在于基体树脂对玻璃纤维的浸渍效果，同等玻璃纤维含量的制品，浸渍越完全， 制品的力学性能越优。在相同玻纤含量条件下，要提高浸渍效果，除了对原材料改性外，还可通过改善成型工艺来提升基体树脂对纤维的浸渍效果，此类工艺的关键技术瓶颈是提升纤维在树脂中分散的均匀度。针对这一问题， 国内外一些学者对其进行了研究。费传军等提出采取GF/PP混纤纱法制备玻纤增强基材，将热塑性纤维 ( 如 PP)和增强纤维 ( 如 GF)预先混合成混杂纤维束，再用其制备成基材， 并热压成板或制品。 该方法可在一定程度上改善基体树脂对增强纤维的浸渍效果，提高板材物理机械性能， 但由于混合工艺本身的缺陷导致纤维的混合均匀度偏低， 制品的力学性能不稳定。上海杰事杰新材料股份有限公司利用混合干法工艺将玻璃纤维短切之后与粘合树脂纤维混合，再进行复杂高强的梳理成网形成棉絮状，针刺后制备成连续预浸渍纤维毡， 最后制板或成型。 该工艺能有效混合玻璃纤维与树脂纤维， 提高混合均匀度， 对于板材力学性能的提升有一定的推进作用，但由于梳理、针刺强度过大，玻璃纤维损伤现象严重，减小了纤维的长度与强力比。 产品的力学性能受到纤维本身强度的限制，因此只能应用于非结构材料。而且由于玻纤取向明显，板材物理机械性能具有明显的各向异性特征，在纵横方向差别显著。针对上述研究存在的问题，本文提出了一种新的制毡工艺立体干法 ( 混合 ) 工艺，对现行的连续纤维针刺毡制备基材的方法进行技术改进，引入了先进的制备连续纤维预浸渍带的浸渍工艺技术。 新的干法预浸渍工艺不仅能保证增强纤维与基体纤维混合的均匀性， 而且能大幅度减少纤维的损伤、 断裂现象，有效地解决了增强材料与高温、高性能、高粘度树脂熔融流动成型困难的技术瓶颈，显著提升了玻纤增强热塑性板材的产品质量与力学性能。2 实验部分2.1立体混合法制毡由于 PP具有密度小、耐化学腐蚀、易加工等特点， PP经改性之后耐热变形温度及与纤维界面结合的亲和力得到大幅提升， 所以本文研究选用 PP作为基体材料。玻璃纤维则选用能与 PP界面良好粘结的巨石 362C系列纤维，且都为束状。开发出立体混合法制毡的工艺与设备。立体混合法制毡工艺主要是将玻纤与化纤分别拉制成束状，展纤后，在保持纤维最小长度 (50 60mm)的前提下，通过特殊的梳理工艺与气流成网工艺， 完成不同比重的玻纤与化纤的均匀混合，制成三维立体结构的混合针刺毡。 制作流程如图 1 所示。首先将 GF与 PP分别用疏针开松机开松，使束状GF、PP纤维展开成单丝状，通过风机输送至带电子配比称重的给棉机给棉。然后，将 GF、PP按比例配给，经混合开松机进一步均匀开松、 混合。由风机输送至高位自动给棉机，通过定量自动喂入系统， 喂入专用梳理气流成网机， 均匀成网。最后，经上、下针刺加固，切卷成半成品基毡混合毡。按照上述工艺，采用合适的 GF、PP质量配比方案，加工制成混合毡。2.2性能测试将立体混合法所制基毡 ( 简称立体混合毡 ) 经层合热压法制备成热塑性复合材料板材，参照ISO527-2-xx 塑料 : 拉伸性能的测定 : 第二部分 : 模压和挤压塑料试验条件、ISO178-xx塑料 : 弯曲性能的测定和 ISO179-1-xx 塑料 : 摆锤冲击特性测定的要求，在板材上面分别割取拉伸、弯曲、冲击试样。在万能试验机上进行拉伸、弯曲性能测试，在微机控制摆锤冲击试验机上进行简支梁冲击强度测试，并用电镜观察板材的浸渍效果。3 结果与讨论3.1立体混合毡的制备工艺(1) 混合均匀性实现不同比重的玻璃纤维(2.54g/cm3) 与聚丙烯纤维(0.91g/cm3) 的均匀混合是立体混合法的核心问题之一，两种纤维混合得越均匀，材料的性能就越稳定，在后续制板或成型过程中，由挤压流动所带来的富树脂区及干纤维区等缺陷也越少。 立体混合法制毡工艺中，所选 PP纤维为束状，且整体比较硬挺，气流成网时，两种纤维下降速率差异较小，可有效保证混合纤维成网均匀、稳定，无明显的拉痕缺陷。 GF、PP纤维经梳针开松、风机输送、混合开松、专用梳理气流成网等工序， 除极少部分还残留束状玻纤外， 其余部分都体现出较好的分散性，混合均匀度 CV值可达 5%。这对于后续的板材浸渍工艺有很大的推动作用，有利于节省设备成本，提高生产效率。(2) 纤维长度纤维长度越长，制品的拉伸性能、抗冲击性能越好，最终产品的连续性也越优。 传统制毡工艺由于直接借用于无纺机械设备，过于密集的针布和刺针使得在梳理、针刺工艺过程中，纤维的损伤、断裂现象严重，导致最终产品力学性能急剧下降。如图3 所示，本文所研究的工艺，将梳针开松、轻度打击方式融合于开松、梳理过程，既能有效混合两种不同比重的纤维，保持纤维的基本长度及硬挺度，又能在一定程度上提高纤维的分散性，为后段成网工序提供便利。 与此同时，毡层中的树脂与高速运动的刺针产生剧烈的摩擦而部分融化，熔融的树脂可有效润滑刺针本身，减少刺针在上、下运动过程中，对纤维的撕破和打断现象， 对于纤维长度的保持及制品力学性能的提高具有重大的意义。(3) 针刺密度、针刺频率、针刺深度针刺密度、针刺频率、针刺深度直接影响着毡层之间的交联程度，与毡的拉伸、弯曲、抗冲击等力学性能及变形性有很大关系。针密( 针刺密度 ) 越大，针频越高，纤维混合得越充分，缠结效果也越好，毡的拉伸、弯曲等力学性能也得到相应提高。与此同时，随着针密、针频、针深的增加，纤维也越容易被刺断，毡层的相关力学性能会随之下降，特别是对于抗冲击强度等性能 15 。所以选择合理的针密、针频、针深等参数十分重要。对于本次研究的新工艺，针密选择为50 刺/cm2，针频则依据底帘速率而定，为了保证纤维的硬挺性及弹性等，针深控制在 10mm左右。(4) 立体结构常规的梳理成网工艺，所制基毡纤维取向明显，板材物理机械性能具有明显的各向异性特征，纵横向强力比值差较大。 而本文所研究的立体混合法制毡工艺， 采用常熟飞龙无纺机械有限公司专用的梳理气流成网机梳理、铺网、 再针刺，在保证成网均匀度达到要求的同时，亦能使基毡获得三维立体结构，纤维之间杂乱、无规则排布。在高温、高压条件下，此立体结构能为增强树脂提供多方向的流动、浸渍通道，有利于提升板材浸渍效果，提高力学性能，缩小纵横向强力比值差。3.2测试结果分析用上述方法，取多组试样测定板材的纵向和横向拉伸、弯曲、冲击性能值，将其均值与传统玻纤增强板材相比较( 同等克重条件下 ) 。相同玻纤含量的混合毡板材与传统板材相比，拉伸强度增加了22%左右，弯曲强度提高了 30%左右，冲击强度也提高了 27.3%左右。其主要原因是 : 在立体混合毡结构中，玻璃纤维长度损伤、断裂情况较少，且与基体树脂处于共混状态， 高粘度的基体树脂经高温塑化后，直接粘结、浸渍毗邻的玻璃纤维，浸渍距离缩短，浸渍效果得到明显改善，板材的力学性能得以大幅提升。立体混合毡的均匀三维立体结构中，树脂纤维尤其是玻璃纤维呈空间三维方向无规则排布， 板材受外力时， 纤维能有效地分担载荷至邻近的板材空间， 有利于保证板材各方向力学性能接近一致。 如表 4 所示，经立体混合法制成的新型 GMT板材，拥有近乎 11 的纵横向强力比值，体现出一定的各向同性优势。传统热塑性板材纤维分散性不佳，基体树脂成块分布，大部分玻璃纤维仍处于白色裸露状态，未经基体树脂的浸渍， 即出现干纤维区域，严重影响了板材力学性能的提升。混合毡板材玻璃纤维分散性较好，基体树脂也浸渍得相当均匀、透彻，未出现如传统热塑性板材纤维浸渍不完全、 干纤维分布集中和富树脂区的现象，且纤维大部分是被拉断的而非拔出的， 这说明基体树脂对玻璃纤维的浸渍效果较好，纤维与基体树脂界面的结合力稳固，对于板材力学性能的提升具有重大的意义。3.3应用实例立体混合毡可广泛应用于各种模压成型工艺，并且可一次成型出各种复杂形状的零部件。 将上述所制板材覆盖一层界面无纺布，在远红外加热炉中预热200左右，迅速转移到热压模具中( 模具预热6070) 进行热压成型， 压机压力在 5MPa左右即可。其成型件整体界面非常光洁，在拉深较大处成型效果良好，无明显的缩孔、凹坑等缺陷，说明增强纤维与树脂纤维分散均匀，使得树脂在模压流动过程中，流动阻力小，从而提升了基体树脂对纤维的浸渍效果。因此，由立体混合法制毡工艺制得的混合毡板材在汽车、建筑、通讯、电子行业、化工设备等领域将有相当巨大的应用价值。4 结论(1) 通过新型立体混合干法工艺制备出的基毡， 增强纤维和基体树脂纤维混合均匀，损伤及断裂少，立体结构明显，使得树脂在模压流动过程中，流动阻力小，从而提升了基体树脂对纤维的浸渍效果;(2) 立体混合法制毡工艺制得的混合基毡， 其玻璃纤维与基体树脂的接触面积增大， 浸渍过程由以往铺膜式的面渗透粘接、 或线粘接变为点粘接，浸渍效果有了很大的提升， 产品的力学性能得到明显改善，纵横向强力比值接近于 11;(3) 由立体混合法制毡工艺制得的混合基毡可用于制作拉伸深度大，有冲压负角等较难成型的模压产品，且其界面光顺、圆整;(4) 新型立体混合法制毡工艺制得的立体混合毡可应用于汽车内饰件、外观件和部分结构件，也可用于制作建筑模板、 化工设备等，在家用电器上亦有较好的应用前景。