成型短纤维增强聚合物的实用技巧

文/Avient公司 Zachary Alderman

短纤维增强材料与非增强材料之间最显著的区别主要体现在加工方面，这主要是由纤维引起的材料性能和成型行为的变化而导致的。本文将主要介绍成型短纤维增强聚合物时需要考虑的因素，以及一些实用技巧。

短玻璃纤维或碳纤维增强材料几乎可用于任何基础聚合物中，从而创造一种拥有更高强度/重量比和力学性能的配混料，如更好的刚度和耐磨性能。强度的提高是由于较弱的聚合物将载荷应力传递给较强的增强纤维而导致的。在体育用品和海洋基础设施等行业中，坚固、轻质且无腐蚀的玻璃纤维或碳纤维复合材料是用于取代金属以及适合高要求应用的最佳选项。

短纤维增强聚合物虽然用途广泛，但也存在一些问题。由于纤维会产生纹理（这在尼龙如PA6 和PA66 中尤为明显），因此它们可能不适用于要求富含树脂的表面和光滑的外观应用。此外，由于纤维不吸收着色剂，因而会对部件外观带来不利影响或使之受限。使用碳纤维时，还会形成一种斑驳的外观，为掩盖这种效果，对部件的颜色选择通常仅限于深灰色和黑色。

然而，短纤维增强材料与非增强材料之间最显著的区别主要体现在加工方面，这主要是由纤维引起的材料性能和成型行为的变化而导致的。因此，本文将主要介绍成型短纤维增强聚合物时需要考虑的因素，以及一些实用技巧。

短纤维概述

短纤维增强聚合物是采用配混挤出机对短切纤维和树脂进行熔融混合后被生产出来的，其中，玻璃纤维的长度通常为5 mm，碳纤维的长度通常为6 mm。这些配混好的材料随后被挤成条状，然后制成颗粒。与之不同的是，生产长纤维增强聚合物的工艺是先采用拉挤法生产出连续的纤维粗纱，然后将粗纱切成所需的长度。由于短纤维配混料的生产工艺相对简单，所以它们通常比长纤维配混料要便宜。

在短纤维类别中，玻璃纤维比碳纤维便宜，这是因为碳纤维的生产成本高，所以价格更高。碳纤维的确具有更加卓越的力学性能，其刚性是玻璃纤维的4～5倍，这就是为什么在要求减重的应用场景中碳纤维通常是金属替代的首选。

玻璃纤维的重量百分比（最高60%）要比碳纤维的重量百分比（最高50%）高，但这两种最高的纤维重量百分比最终会压倒树脂基体，导致性能下降。高的纤维重量百分比广泛地适用于应用广泛的树脂，如聚丙烯（PP）和尼龙（聚酰胺或PA）。而包括高温树脂在内的一些树脂却只能承受较低的纤维重量百分比，否则性能会下降。

短纤维增强聚合物适用于注射成型、模压成型和挤出。半结晶材料得到增强的普遍性要比无定形聚合物的大，部分原因是，纤维对无定形树脂力学性能的提升通常是有限的。可以用短纤维来进行增强的普通基础树脂包括尼龙、聚烯烃及工程热塑性塑料。

考虑收缩

成型未改性树脂与成型短纤维增强配混料之间的一个主要区别是收缩行为。虽然短纤维是随机分布在粒料之中，但是，当粒料在成型过程中熔化时，其中的纤维会在充模过程中沿流动方向平行排列。冷却过程中，纤维在流动方向抵抗收缩，但允许横向收缩，这种各向异性的收缩会导致翘曲变形。纤维含量越高以及（或）部件长度越长，变形的风险就越大。相比之下，未增强的聚合物通常是在两个方向上均匀收缩。

虽然可以将为成型未增强树脂而设计的模具用于纤维增强材料，但通常需要改变加工参数，比如，较冷的模具会冻结纤维方向而不允许有过多的收缩，从而减少了翘曲，模具温度较低还允许部件更快地脱模而不会在顶出时产生变形。而加工后当部件遭受升温时，会出现例外的定向凝固过程，更高的温度会使聚合物链松弛，这可能导致成型后的翘曲行为。

冷却过程中出现翘曲或变形，这在薄壁部件中很常见,但厚壁部件也不能幸免。当然，冷却过程中的收缩是必要的，以便使部件能够从模具中顶出。这种必要的冷却只有在收缩不一致或意外时才会产生问题。有时可以在部件设计中将翘曲问题考虑进来，一种方法是在模具中加入“偏差”或反向变形，这样，当翘曲发生时，最终部件的形状就会得到修正。或者，让部件在热模中多停留一段时间，这将使聚合物链松弛，从而有助于减少翘曲，同时还能借助模具来保持部件的形状。但是，成型商们可能不会选择这种方法，因为会增加循环时间。

模具材料和模具设计

由于增强纤维具有磨损性，因此会随着时间的推移而损坏模具的表面。分布于整个粒料中的短纤维，其末端就像针一样，从不同的角度撞击模具钢。出乎意料的是，作用在工具钢上的短纤维要比长纤维更具磨损性，这是因为，相同重量百分比的长纤维要比短纤维的末端少。

因此，在加工短纤维增强材料时，建议使用硬度较高的模具钢，如H-13 铬钼热加工钢，或P-20低合金钢。此外，在型腔表面添加某种类型的电镀硬化层也是明智的。

设计模具时，建议采用开放性（弧形）的流道，以避免可能破坏纤维的90°角，同时，还应避免没有圆角或半径的90°急转弯。此外，使用全圆形流道可以消除死流区或塑料的凝固层不允许充分流动的区域，所有其他形状的流道都在这些区域中。

浇口应位于不干扰纤维取向的区域，这对优化强度和刚度至关重要。浇口的理想位置是在部件的末端，而未经改性的塑料经常使用的技术则与之相反，其浇口可能位于部件的中央以平衡填充。此外，浇口应大一些（避免针式浇口），以适应纤维增强树脂的较高粘度并确保完全填满模具。推荐的浇口类型包括扇形浇口、直浇口和侧浇口。

另一个需要考虑的重点是熔接线。加入玻璃纤维会降低熔接线的强度，因为纤维无法穿过交叉的流体前锋并在流体前锋相遇处提供强度。如果它们只是简单地互相碰撞而不混合在一起，那么力学性能将只限于树脂基体的性能。而且纤维含量越高，可以在熔接线处缠绕的聚合物链就越少。

虽然还有许多其他因素影响到熔接线的强弱，但浇口依然起着关键作用。浇口的放置应小心设置，以避免在关键的结构点处形成熔接线，比如部件在使用过程中容易产生高应力的区域。浇口的位置应该使两个流体前锋易于熔合并流过熔接线。

成型设备

为了尽量减少纤维断裂，再考虑到纤维含量高的材料拥有较高的粘度，通常需要对成型设备作一些调整，比如，大于正常尺寸的喷嘴孔（17.78/81.28 cm 或22.86/81.28 cm）可以确保材料的流动不受限制。对于纤维增强材料而言，最好是采用倒锥形喷嘴，因为倒锥形喷嘴没有通用喷嘴那样的限制因素，有助于减少作用在材料上的剪切力。剪切力低有助于保持纤维长度，防止纤维变成粉末，同时还有助于减少因过热而导致聚合物降解的可能。

另一种降低剪切力的方法是使用低压螺杆，它以较低的速率（50～199 r/min）转动，背压也较低（3.5～14 kg/cm2）。

扁平螺杆在喷嘴处产生的温度最高，其为螺杆机筒的5 个热区带来的温差也较小，或者说，反向螺杆的最热区就在进料位置。这种反向剖面设计的螺杆有时还被用于加工长纤维增强复合材料，它使得聚合物的熔化依靠的是热量而不是螺杆转动产生的剪切力，因为剪切力会导致纤维磨损。此外，当喷嘴处出现过度垂涎时，也可使用这种螺杆。

部件设计

与加工一样，部件的设计对于充分发挥短纤维增强材料的优点以及规避其缺点至关重要，其中需要考虑的因素包括壁厚。壁厚太薄可能会在填充过程中增加剪切力并引起纤维断裂，也会使纤维在成品部件中更加显而易见，因此，建议壁厚不应小于0.762 mm，尤其是拥有较长流动长度的部件。

短纤维增强材料的前景

纤维增强聚合物配混料的市场巨大且在不断增长。基于交通运输、电气、电子、风能、管道和油箱等行业的巨大需求，估计有1/3 的聚合物是与纤维和（或）其他的粒状增强添加剂进行配混的。预计2019～2024 年，碳纤维增强复合材料将以8% 以上的平均速度增长，其中，航空和汽车工业对碳纤维增强材料用量的增加是一个主要推动因素，但高成本和有限的产量却阻碍了收益率的增加。

短纤维增强材料的普及使得很多成型商可以使用这些材料。一开始，他们可以在现有设备上采用标准参数来对这些材料进行加工。如果目标是为了提高力学性能，那么他们会获得满意的结果。希望本文的建议能够为加工商们优化部件的强度和刚度提供帮助。