短切纤维不同短切长度在热塑性复合材料中应用研究

周长汶，咸家玉，王培毅，杨 坤

（泰山玻璃纤维有限公司，泰安 271000）

0 前言

玻璃纤维具有高抗拉强度、电绝缘性优良、成本低等特性，因而广泛应用于热塑性树脂的改性领域，赋予其高比强度、耐醇解等方面的优异性能［1，2］。当前玻纤改性热塑性树脂基体以PA、PP及热塑性聚酯（PET、PBT）为主，玻纤用量一般在20%～50%左右。随着应用需求的不断提高，已拓展至PEEK、LCP等特种树脂领域［3-5］。

短切玻璃纤维对热塑树脂的增强机理，除玻纤-树脂的界面结合性、树脂中的玻纤保留长度、加工成型工艺外［6，7］，短切玻璃纤维使用时的喂料稳定性亦为不可忽视的要素。喂料稳定性对短切玻璃纤维集束性提出较高的要求，可归结于配方设计及生产过程等因素；当前行业内各类短切玻纤的浸润剂配方基本固定，配方的改进研发可能因时耗长、涉及产品变化及供货验证等环节而需谨慎进行，因此重点关注短切玻璃纤维生产工艺改进，可缩短改进时耗、减少相关风险。本文结合短切玻璃纤维生产流程特性，设计不同长度的短切玻纤原丝，探究长度变化所带来的短切玻纤工艺性、复合材料性能等影响，为短切玻纤产品优化、改进喂料稳定性提供参考方案。

1 实验部分

1.1 原料

PA66树脂，EPR27型，河南神马尼龙化工有限公司；

短切玻璃纤维T435N，纤维直径10μm，泰山玻璃纤维有限公司。

1.2 试验设备

双螺杆挤出机：ZE25A-39D型，德国克劳斯玛菲机械公司；

熔融指数测试仪：RL-Z1B1型，上海思尔达科学仪器有限公司；

注塑机：HTF86XB-YFT型，宁波海天注塑机械有限公司；

电子万能试验机：E44.304型，美特斯工业系统（中国）公司；

冲击试验机：E21.251型，美特斯工业系统（中国）公司。

1.3 试样制备

将PA66、短切玻纤及其他助剂按比例加入双螺杆挤出机进行挤出造粒，然后用注塑机注射成样条，具体工艺参数如表1所示：

表1 T435N/PA66复合材料试样制备工艺条件

1.4 性能指标测试

1.4.1 玻璃纤维指标性能

容重：参考JC/7896-2002《玻璃纤维短切原丝》标准，将玻纤充满已知体积的容器并称重，用玻纤的质量除以容器的体积即得容重，单位：g/cm3；

流动性指数：将玻纤充满固定容器中，玻纤从容器底部自然流出，记录玻纤质量及完全流出容器的时间，以玻纤质量除以完全流出的时间即得流动性指数，单位：kg/s；

细丝量、颗粒度：取一定质量的玻纤置于带有不同孔径的组合标准筛中，在筛分机上震动，固定时间后计算底盘、最大孔径筛面上的纤维束含量称为细丝量（纤维束宽度≤0.5 mm）、颗粒度，单位：%。

1.4.2 玻纤复合材料性能

拉伸强度：按照ASTM D638-14《塑料拉伸性能的标准测试方法》检测，每种试样重复5次，取平均值；

弯曲强度：按照ASTM D790-17《未增强塑料和增强塑料及电绝缘材料弯曲性能的标准试验方法》检测，每种试样重复5次，取平均值；

冲击强度：按照ASTM D256-10《测定塑料抗悬臂梁摆锤冲击强度的试验方法》检测，每种试样重复5次，取平均值；

熔融指数：按照ASTM D1238-10《用挤压式塑性计测定热塑塑料熔体流动速率的标准试验方法》检测，每种试样重复5次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 不同玻纤长度对T435N玻纤指标的影响

由表2可知，T435N玻纤长度由3.0 mm增至4.5 mm时，其容重、流动指数在0.72～0.75 g/cm3及0.90～0.97 kg/s之间，数据略有下降，但较稳定；这是因为玻纤长度增加，纤维束的间隙增加，流动过程中出现“搭桥”的情况，堆积密实性降低，因此固定体积内的填充量、玻纤流动性降低；为增加短切的玻纤长度，会通过减少短切刀具的刀片数量以增加间隙，因此上述刀具在短切固定长度的连续原丝时，该段原丝的切割受力点会减少，即对原丝的破坏会降低，对应最终的短切玻纤纤维束分叉少、完整性更好，最终体现在细丝量的降低。玻纤长度由4.5 mm增至6.0 mm时，玻纤自身细丝量由0.85%降低至0.15%，但对应容重、流动指数亦有13%、23%降幅，对于玻纤的使用过程的稳定性可能产生影响。

表2 不同玻纤长度T435N玻纤指标

因热塑短切玻纤采取湿态连续原丝经刀具短切、烘炉流化床烘干的生产模式，其中湿态短切玻纤在流化床表面震动前进，该过程中湿态玻纤存在相互叠加、碰撞，最终经烘干、成膜后形成一定的纤维束粘连物。纤维束粘连物含量对玻纤喂料及在树脂中的分散性也有一定影响，这里以筛分检测时最小目数筛网收集的玻纤质量分数进行表征（即颗粒度）。由图1的颗粒度趋势线可知：玻纤长度由3.0 mm增加至3.5 mm时，颗粒度波动明显稳定，玻纤长度继续增加至4.5 mm时，颗粒度整体变高但波动性依旧较小；对上图中比不同长度T435N玻纤状态及最小目数筛网收集粘连物情况可发现：玻纤长度增加至3.5 mm/4.5 mm时，玻纤纤维束均匀性、纤维束间差异性明显降低，对应纤维束宽度、对应粘连物增加；而玻纤长度由4.5 mm增至6.0 mm时，玻纤使用相同条件筛分，其最大孔径筛网收集物与玻纤自身基本无差异且质量分数（80%～85%）明显高于其他玻纤长度的玻纤，玻纤纤维束开叉进一步减少，对应集束性达到最好。

图1 不同玻纤长度对T435N玻纤实物及颗粒度的影响

综上所述，增加玻纤长度时在提高玻纤集束性的同时，其对应容重、玻纤流动性等指标也会发生变化，可能对玻纤使用稳定性造成一定影响。

2.2 玻纤长度对T435N/PA66复合材料性能影响

为验证玻纤长度变化对复合材料性能产生的影响，现选定玻纤长度、纤维用量为变量因素，探究T435N/PA66复合材料性能变化。结合文献分析及行业内PA类玻纤应用情况，玻纤用量分别选择30%、50%：

由图2可知，30%纤维用量T435N/PA66复合材料的拉伸、弯曲强度随使用玻纤的长度增加，对应数据分别在193～195 MPa及299～303 MPa之间，另外复合材料缺口冲击强度、熔融指数（熔融指数测试条件2.16 kg载荷/275℃）分别在11～12 MPa、32～33 g /10 min，整体力学、熔体流动性能无明显变化，纤维用量50%的复合材料性能数据亦有类似趋势。除复合材料力学性能外，我们还对上述2组复合材料的纤维含量及纤维保留长度进行分析：30%/50%玻纤用量复合材料纤维含量检测值较稳定（29%～30%、49%～50%），对应纤维保留长度均在0.31～0.34 mm之间，与复合材料力学性能趋势基本一致。

图2 不同玻纤长度下T435N/PA66复合材料的拉伸强度及弯曲强度（30%玻纤用量）

图3 不同玻纤长度下T435N/PA66复合材料的缺口冲击强度及熔体流动指数（30%玻纤用量）

图4 不同玻纤长度下T435N/PA66复合材料的拉伸强度及弯曲强度（50%玻纤用量）

图5 不同玻纤长度下T435N/PA66复合材料的缺口冲击强度及熔体流动指数（50%玻纤用量）

因此可以得出：当前实验室条件下，使用3.0～6.0 mm的T435N，其PA66复合材料性能并不受影响。

3 结论

（1）随玻纤长度增加，T435N玻纤的细丝量降低，集束性逐步提高；当玻纤长度由3.0 mm增加至4.5 mm时，其容重、流动性指标整体平稳、略有下行，而玻纤长度继续增加至6.0 mm时，其容重、流动性指标分别出现13%、23%的明显降幅；

（2）当前验证条件下，T435N玻纤长度变化并不影响其复合材料的性能，但结合玻纤长度增加带来的玻纤自身性能的变化，我们认为本次试验中玻纤长度增加至3.5～4.5 mm时，能使玻纤集束性及使用稳定性达到最佳。