中国巨石热塑用玻璃纤维在汽车领域的应用

张志坚，樊家澍，章建忠，费振宇，徐胜杰

(巨石集团有限公司 浙江省巨石玻璃纤维研究院浙江省玻璃纤维研究重点实验室，浙江 桐乡 314500)

中国巨石热塑用玻璃纤维在汽车领域的应用

张志坚，樊家澍，章建忠，费振宇，徐胜杰

(巨石集团有限公司 浙江省巨石玻璃纤维研究院浙江省玻璃纤维研究重点实验室，浙江 桐乡 314500)

玻纤增强热塑性复合材料在汽车领域应用十分广泛。作为玻纤行业的龙头企业，中国巨石拥有针对不同工艺增强车用热塑性材料的各种玻纤产品。568H适用于短玻纤增强工艺，经其改性的PA制件不仅具有优良的干态力学性能，同时具有优异的耐水解/醇解性能，可用于增强发动机周边的PA部件，比如冷却系统以及散热器水室等。362J是长玻纤增强的代表产品，其优良的加工性能、力学性能、疲劳性能以及气味等决定其在汽车领域应用十分广泛。362C适用于连续玻纤增强工艺，其显著特点是具有优异的浸渍性和力学性能。随着汽车行业的快速发展，中国巨石热塑用玻璃纤维必将在汽车领域发挥越来越重要的作用。

车用塑料； SFT； LFT； CFRT； 568H； 362J； 362C

0 前言

热塑性复合材料由于其质轻、强度高以及易于成型加工等特点，在汽车行业应用广泛，对实现以塑代钢以及汽车轻量化具有重要意义。玻纤增强热塑性复合材料是热塑性复合材料中占比最高、应用最广泛的一类。作为具有一定长径比的高强高模量材料，玻纤能很好地增强热塑性材料，得到轻质高强的复合材料[1]。

中国巨石股份有限公司(以下简称“中国巨石”)，是中国建材股份有限公司玻璃纤维业务的核心企业，也是中国乃至世界玻璃纤维行业的龙头企业，现已建成玻璃纤维大型池窑拉丝生产线10多条，玻纤纱年产能超过140万t，且产品品种广泛、品类齐全。在增强车用热塑性材料方面，中国巨石拥有针对各种不同工艺的玻纤产品，目前市场应用广泛，反馈良好。

1 玻纤增强车用热塑性材料的加工工艺

玻纤增强热塑性复合材料有许多不同的成型工艺。如图1所示，本文将按照最终制件中玻纤保留长度的由短至长，依次介绍3种常用的成型工艺，即短玻纤增强(short glass fiber reinforced technology, SFT)，长玻纤增强(long glass fiber reinforced technology, LFT)以及连续纤维增强(continuous glass fiber reinforced technology, CFRT)。SFT工艺一般是通过将短切纱与热塑性粒子共同挤出，然后注塑成制品[2]。在这3种工艺中，SFT具有其独特的技术优势，比如工艺技术成熟，玻纤分散均匀；玻纤含量可变范围广；成型工艺简单、周期短，适于大批量生产同时兼顾高的生产效率等。目前SFT应用广泛，占玻纤增强热塑性复合材料的90%以上。在SFT制件中，玻纤保留长度一般小于1 μm，因此制件性能较低，很多情况下并不能满足车用材料的使用要求。相比之下，LFT制件中玻纤保留长度一般为1～25 μm，制件的强度和冲击性能相应比SFT制件更高，尺寸稳定性也更好[3]，在汽车方面应用也更广泛。LFT工艺主要包括两种：第一种是造粒法(LFT-G)，是指通过电缆包覆法将玻纤与树脂混合得到粒子后再注塑成制品；第二种是直接法(LFT-D)，即将玻纤和树脂以在线挤出的方式直接进行注塑。CFRT工艺一般是将玻纤和树脂先进行预浸渍制成预浸带，然后再将预浸带通过模压和缠绕等方式制成制件[4]。CFRT制件中的玻纤保留长度等于整制件长度，因此具有相当优异的力学性能。但是由于工艺限制，CFRT很难制作结构精细复杂的制件，而只能用于生产结构相对单一的制件，因此应用并不如SFT和LFT广泛。本文将分不同工艺介绍中国巨石的热塑用玻纤产品及其在汽车领域的应用。

图1玻纤保留长度由短及长的SFT、LFT和CFRT3种加工工艺

2 SFT用纱

中国巨石目前拥有针对不同热塑性材料的各类SFT产品，常用的包括用于增强PA的560A和568H、增强PP/PE的508A和508H以及增强PBT等的534A等。下面主要介绍一种可用于增强车用PA的典型产品568H。由于568H表面涂覆有特殊的反应型浸润剂，经其改性的尼龙的各方面性能都非常优异。首先，经568H改性的PA具有更强的干态力学性能。图2显示了PA6和PA66在玻纤质量分数为30%条件下，568H与我司普通增强PA产品560A以及市面上同类产品的干态拉伸性能和冲击性能对比。拉伸性能和冲击性能分别按照ISO 527和ISO 179 Charpy测得。图2中显示的相对值都是以560A的测试值作为100%标准对比得到。从图2中可以看出，无论是增强PA6还是PA66，568H改性PA的拉伸强度都比常规560A以及其他同类产品更高，同时抗冲击性能也更好。

568H的一个显著特点是其具有优异的耐水解和耐醇解特性。使用水和乙二醇比例为1∶1的混合溶液，在135 ℃的条件下，将568H以及同类产品改性的PA66样条水煮2 000 h，然后对比拉伸和冲击的性能保留率。图3(a)显示的是水煮前后的拉伸性能保留率。从图3(a)中可以看到，经过水煮之后，所有样品的拉伸性能都有不同程度的下降。同类产品改性PA66的拉伸强度保留率达41.3%，而568H改性PA66的保留率为45.1%。拉伸模量水煮之后的保留率也是以568H更高。

(a) PA6

(b) PA66

图2568H、560A和其他同类产品改性PA6和PA66的干态力学性能对比

(a) 拉伸性能

(b) 冲击性能

图3568H和其他同类产品改性PA66水煮前后拉伸性能和冲击性能变化

从图3(b)的冲击性能保留率也看以看出，568H产品的冲击性能保留率也比同类产品更好。568H的缺口冲击性能水煮之后甚至比之前更高，这可能是由于与水煮过程中发生的某些化学反应有关，具体原因还有待深入研究。总而言之，568H改性的PA66具有非常优异的耐水煮/醇解性能。因此，568H可以应用于需要耐水解/耐冷冻液的环境中，尤其是发动机周边的PA部件，比如冷却系统以及散热器水室。

3 LFT用纱

尽管SFT增强热塑性材料拥有成型工艺简单的优势，但是其性能在很多地方仍不能满足汽车零部件的需求。相比之下，LFT增强热塑性复合材料的性能比SFT高很多。因此，LFT产品在汽车领域的应用比SFT更加广泛。诸如仪表板支架、底护板、前端支架、备胎底壳和后掀背门等部件都可由LFT工艺制得。用于LFT增强聚烯烃的代表产品为362J，其在树脂中分散良好，同时适用于LFT-D和LFT-G工艺，并通过FDA认证。本文重点介绍362J的相关性能。

LFT技术对纱的工艺性要求较高，特别是纱线的耐磨性能，因此首先重点考察362J产品的毛羽量。图4显示的是362J与市面上两种同类产品的每千克毛羽量。从图4中可以看到，在湿度为50%时，两个对比产品分别为63.2和75.7 mg，而362J的每千克毛羽量仅为42.4 mg，明显优于对比产品。当湿度上升至75%时，所有产品的毛羽量都增加，这是由纱线本身的浸润剂特性决定的。在湿度为75%时，362J的毛羽量在3种产品中同样最少。因此，总体来说，362J的耐磨性能是非常优异的。

图4362J与其他两种同类产品每千克产生的毛羽量对比

为考察362J的力学性能，本文在玻纤质量分数为30%条件下，对比测试了362J与同类产品的拉伸性能和冲击性能，其中拉伸性能和冲击性能分别按照ISO 527和ISO 179 Charpy测得。图5(a)是362J与同类产品的拉伸强度比较，可以看出其他两种同类产品的拉伸强度分别只有362J的95%和91%。图5(b)是362J与同类产品的缺口冲击性能比较，同样可以看出，其他两种同类产品的拉伸强度分别为362J的93%和91%。因此，362J同时具备比同类产品更高的强度和韧性。

(a) 拉伸强度

(b) 缺口冲击强度

图5362J与其他两种同类产品的拉伸强度和缺口冲击强度对比

362J优良的力学性能由多方面因素共同决定。首先，362J与PP树脂具有很强的界面相互作用。图6为362J与同类产品冲击样条断面的SEM图。从图6可以看出，与同类产品相比，362J样条断面的玻纤上包覆有更多的PP树脂，说明362J和PP树脂具有更好的相容性和更强的界面相互作用。这与362J表面独特的浸润剂处理密不可分。为提高362J与PP树脂的相容性，362J的浸润剂配方中引入了大量独特的双亲性大分子相容剂成分。其既可以与玻纤表面有较强的相互作用，同时也能够与PP树脂分子链密切缠结，因此可以大幅增强玻纤与树脂的界面相互作用，从而保证在树脂中良好的分散性和最终优良的力学性能。

(a) 362J冲击样条断面

(b) 同类产品冲击样条断面图6 362J与同类产品冲击样条断面的SEM图

与此同时，362J在PP树脂中的玻纤保留长度更长。如图7所示，362J和同类产品的保留长度均值分别为7 801和7 062 μm，标准差分别为2 065和2 541。与同类产品相比，362J在最终制件中的玻纤保留长度更长，同时长度分布更窄。这是362J拥有比同类产品更高性能的另一个重要原因。

近年来，车用材料对气味和VOC的要求越来越高。经过不断改进，目前362J的气味按照大众标准测试可以达到6级，按照长安标准测试可以达到2级。VOC测试结果也较良好，比较符合车用材料标准。总体来说，362J是一款非常适合用于车用LFT材料的玻纤产品。

4 CFRT用纱

CFRT产品主要有两种，其中362C适用于PP/PE，352B适用于PA/PET。这些产品的主要特点包括纱线易分散，毛羽少，以及与热塑性树脂相容性优异。以362C产品为例，本文对比考察了其在玻纤的质量分数为60%PP预浸带中的分散情况。如图8中所示，对比产品预浸带表面的玻纤与PP树脂界面分明，而且截面中玻纤团聚明显，说明浸渍性能一般。而362C产品预浸带表面玻纤与树脂界面模糊，而且截面图中玻纤在树脂中分散均匀，可以明显看出362C具有更加优良的分散和浸渍性能。这是由362C玻纤表面特殊处理的浸润剂决定的。在CFRT预浸带生产过程中，玻纤与树脂熔体接触时间很短，这就对玻纤与树脂的快速浸润性能提出了很高的要求。362C表面的浸润剂配方经过特殊设计，含有许多促进玻纤与树脂相容性的成分，保证了其在极短的时间内就可以与树脂充分结合，故而能在CFRT过程中快速浸渍，良好分散。

(a) 362J制件中玻纤保留长度

(b) 同类产品制件中玻纤保留长度

图7最终制件中362J与同类产品的纤维保留长度统计分析

表1对比考察了362C改性产品的力学性能。力学性能测试样条是由362C与对比产品的预浸带压成的板裁剪制得，玻纤质量分数均约为60%，拉伸性能按照ISO 527测得。可以看出，在相同测试条件下，362C制成样品的拉伸强度比对比样品高出将近67 MPa，模量也高出2.1 GPa，也就是说，362C具有比对比样品更高的力学性能。但是由于CFRT成型工艺特殊，不适合制作复杂精细的部件，目前在汽车领域的应用并不是很广泛，现主要用于卡车的车厢以及集装箱的护板、顶棚以及衬垫等。

(a) 同类产品预浸带表面

(b) 362C预浸带表面

(c) 同类产品预浸带截面

(d) 362C预浸带截面图8 同类产品预浸带的表面和截面与362C的比较表1 362C与同类产品制品拉伸性能比较

产品树脂玻纤质量分数/%拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa362CPP61.9933.827.7同类产品PP61.2867.225.6

5 结论与展望

在未来较长一段时间内，汽车行业依然会保持快速稳定的发展势头。与此同时，为响应国家节能环保的号召，汽车领域也在向轻量化方向不断努力。因此，车用塑料也会始终保有较高且不断增长的需求量。用于增强车用塑料的玻纤的需求量也同样会越来越多，而且对玻纤品质的要求也会越来越高，比如更高强度、更高模量等。针对这方面需求，中国巨石推出了高强高模量的新一代E7/E8玻纤产品，其各方面品质性能都全面优于普通E玻璃。相信在不远的未来，高强高模量的E7/E8玻纤产品必将在车用塑料领域发挥越来越重要的作用。

[1] 刘学习，戴干策.玻璃纤维增强热塑性复合材料的研究进展[J].纤维复合材料, 2004(4): 55-58.

[2] 曾天卷.玻璃纤维增强热塑性塑料——短纤维粒料和长纤维粒料[J].玻璃纤维, 2008(4): 33-39.

[3] 赵若飞, 周晓东, 戴干策.玻璃纤维增强热塑性复合材料的增强方式及纤维长度控制[J].纤维复合材料,2000(1): 19-23.

[4] 周效谅, 钱春香, 王继刚, 等.连续纤维增强热塑性树脂基复合材料拉挤工艺研究与应用现状[J].高科技纤维与应用,2004(29): 41-45.

ApplicationsofChinaJushiFiberglassforThermoplasticsinAutomobile

ZHANGZhi-jian,FANJia-shu,ZHANGJian-zhong,FEIZhen-yu,XUSheng-jie

(Jushi Fiberglass Research Institute, Zhejiang Key Laboratory for Fiberglass Research, Jushi Group Co., Ltd., Tongxiang 314500, Zhejiang, China)

Fiberglass reinforced thermoplastics are widely used in automobile. As a leading enterprise in the fiberglass industry, China Jushi has various fiberglass products for various techniques to reinforce thermoplastic materials for automobile. 568H is suitable for short fiberglass reinforcing technique. PA modified by 568H has not only high dry state mechanical properties but also excellent hydrolysis/glycol resistance, which can be used for the PA parts around the engine, such as cooling systems and water chamber of radiator. 362J is the typical product for long fiberglass reinforcing technique. The fine abrasion resistance, mechanical properties, fatigue resistance and smell properties make 362J very popular in automobile field. 362C is suitable for continuous fiberglass reinforcing technique with outstanding impregnation and mechanical properties. With the rapid development of the automobile industry, China Jushi fiberglass for thermoplastics will surely play an increasingly important role in automobile field.

thermoplastic for automobile； SFT； LFT； CFRT； 568H； 362J； 362C

张志坚(1980—)，男，博士，教授级高级工程师，主要从事玻璃纤维以及复合材料的研究工作。

TQ 327.1

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1009-5993(2017)04-0049-06

2017-11-22)

普立万携多种符合法规、可靠耐用的聚合物解决方案亮相2017年东南亚国际线缆及线材展

普立万在泰国举行的第12届东南亚国际线缆及线材展览会(也称2017年东南亚线缆线材展)期间推出多样化的高性能聚合物产品组合以及着色剂解决方案。

全套聚合物解决方案包括阻燃、无卤、低烟聚合物、轻质发泡，以及交联聚乙烯和高温材等。所有解决方案均旨在满足严格的法规要求并简化电线和电缆生产。

“随着东南亚线材与线缆市场持续快速发展，采用新的设计解决方案和创新材料来维持竞争优势比以往更为重要。”普立万亚洲区副总裁Barto Du Plessis表示。“我们在开发特种聚合物配方这一块具有丰富的经验，我们制造的产品可以承受严苛环境中所面临的挑战，与此同时，我们也在不断开发新技术以更好地满足客户的需求。”

普立万多样化的产品组合包括：

● OnCapTM干硅烷添加剂：抗氧化剂、铜钝化剂和抗紫外线剂，可在同一生产线上与可交联的标准热塑性塑料灵活配合使用；

● OnCapTM成核发泡剂：与聚乙烯混合物搭配使用，采用吹气发泡工艺制造同轴电缆；

● ECCOHTM无卤配方：高度阻燃，毒性和烟雾密度极低 ；

● SyncureTM交联聚乙烯配方：两步法硅烷接枝水分交联聚乙烯系统(XLPE)，可提高产品的耐热性、耐油性、抗蠕变性和耐磨性；

● Colorant ChromaticsTM交联配方：耐高温且具有出色的耐切割性、耐磨性和机械韧性；

● Colorant ChromaticsTM分散颜料：对印刷和划线而言，这些颜料均匀分散，非常适合PTFE和FEP涂层。