中國(guó)巨石熱塑用玻璃纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

張志堅(jiān)，樊家澍，章建忠，費(fèi)振宇，徐勝杰

(巨石集團(tuán)有限公司 浙江省巨石玻璃纖維研究院浙江省玻璃纖維研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

中國(guó)巨石熱塑用玻璃纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

張志堅(jiān)，樊家澍，章建忠，費(fèi)振宇，徐勝杰

(巨石集團(tuán)有限公司 浙江省巨石玻璃纖維研究院浙江省玻璃纖維研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。作為玻纖行業(yè)的龍頭企業(yè)，中國(guó)巨石擁有針對(duì)不同工藝增強(qiáng)車用熱塑性材料的各種玻纖產(chǎn)品。568H適用于短玻纖增強(qiáng)工藝，經(jīng)其改性的PA制件不僅具有優(yōu)良的干態(tài)力學(xué)性能，同時(shí)具有優(yōu)異的耐水解/醇解性能，可用于增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)周邊的PA部件，比如冷卻系統(tǒng)以及散熱器水室等。362J是長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)的代表產(chǎn)品，其優(yōu)良的加工性能、力學(xué)性能、疲勞性能以及氣味等決定其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。362C適用于連續(xù)玻纖增強(qiáng)工藝，其顯著特點(diǎn)是具有優(yōu)異的浸漬性和力學(xué)性能。隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)巨石熱塑用玻璃纖維必將在汽車領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

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

0 前言

熱塑性復(fù)合材料由于其質(zhì)輕、強(qiáng)度高以及易于成型加工等特點(diǎn)，在汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛，對(duì)實(shí)現(xiàn)以塑代鋼以及汽車輕量化具有重要意義。玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料是熱塑性復(fù)合材料中占比最高、應(yīng)用最廣泛的一類。作為具有一定長(zhǎng)徑比的高強(qiáng)高模量材料，玻纖能很好地增強(qiáng)熱塑性材料，得到輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料[1]。

中國(guó)巨石股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)巨石”)，是中國(guó)建材股份有限公司玻璃纖維業(yè)務(wù)的核心企業(yè)，也是中國(guó)乃至世界玻璃纖維行業(yè)的龍頭企業(yè)，現(xiàn)已建成玻璃纖維大型池窯拉絲生產(chǎn)線10多條，玻纖紗年產(chǎn)能超過140萬t，且產(chǎn)品品種廣泛、品類齊全。在增強(qiáng)車用熱塑性材料方面，中國(guó)巨石擁有針對(duì)各種不同工藝的玻纖產(chǎn)品，目前市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，反饋良好。

1 玻纖增強(qiáng)車用熱塑性材料的加工工藝

玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料有許多不同的成型工藝。如圖1所示，本文將按照最終制件中玻纖保留長(zhǎng)度的由短至長(zhǎng)，依次介紹3種常用的成型工藝，即短玻纖增強(qiáng)(short glass fiber reinforced technology, SFT)，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)(long glass fiber reinforced technology, LFT)以及連續(xù)纖維增強(qiáng)(continuous glass fiber reinforced technology, CFRT)。SFT工藝一般是通過將短切紗與熱塑性粒子共同擠出，然后注塑成制品[2]。在這3種工藝中，SFT具有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，比如工藝技術(shù)成熟，玻纖分散均勻；玻纖含量可變范圍廣；成型工藝簡(jiǎn)單、周期短，適于大批量生產(chǎn)同時(shí)兼顧高的生產(chǎn)效率等。目前SFT應(yīng)用廣泛，占玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的90%以上。在SFT制件中，玻纖保留長(zhǎng)度一般小于1 μm，因此制件性能較低，很多情況下并不能滿足車用材料的使用要求。相比之下，LFT制件中玻纖保留長(zhǎng)度一般為1～25 μm，制件的強(qiáng)度和沖擊性能相應(yīng)比SFT制件更高，尺寸穩(wěn)定性也更好[3]，在汽車方面應(yīng)用也更廣泛。LFT工藝主要包括兩種：第一種是造粒法(LFT-G)，是指通過電纜包覆法將玻纖與樹脂混合得到粒子后再注塑成制品；第二種是直接法(LFT-D)，即將玻纖和樹脂以在線擠出的方式直接進(jìn)行注塑。CFRT工藝一般是將玻纖和樹脂先進(jìn)行預(yù)浸漬制成預(yù)浸帶，然后再將預(yù)浸帶通過模壓和纏繞等方式制成制件[4]。CFRT制件中的玻纖保留長(zhǎng)度等于整制件長(zhǎng)度，因此具有相當(dāng)優(yōu)異的力學(xué)性能。但是由于工藝限制，CFRT很難制作結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜的制件，而只能用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)相對(duì)單一的制件，因此應(yīng)用并不如SFT和LFT廣泛。本文將分不同工藝介紹中國(guó)巨石的熱塑用玻纖產(chǎn)品及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1玻纖保留長(zhǎng)度由短及長(zhǎng)的SFT、LFT和CFRT3種加工工藝

2 SFT用紗

中國(guó)巨石目前擁有針對(duì)不同熱塑性材料的各類SFT產(chǎn)品，常用的包括用于增強(qiáng)PA的560A和568H、增強(qiáng)PP/PE的508A和508H以及增強(qiáng)PBT等的534A等。下面主要介紹一種可用于增強(qiáng)車用PA的典型產(chǎn)品568H。由于568H表面涂覆有特殊的反應(yīng)型浸潤(rùn)劑，經(jīng)其改性的尼龍的各方面性能都非常優(yōu)異。首先，經(jīng)568H改性的PA具有更強(qiáng)的干態(tài)力學(xué)性能。圖2顯示了PA6和PA66在玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%條件下，568H與我司普通增強(qiáng)PA產(chǎn)品560A以及市面上同類產(chǎn)品的干態(tài)拉伸性能和沖擊性能對(duì)比。拉伸性能和沖擊性能分別按照ISO 527和ISO 179 Charpy測(cè)得。圖2中顯示的相對(duì)值都是以560A的測(cè)試值作為100%標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比得到。從圖2中可以看出，無論是增強(qiáng)PA6還是PA66，568H改性PA的拉伸強(qiáng)度都比常規(guī)560A以及其他同類產(chǎn)品更高，同時(shí)抗沖擊性能也更好。

568H的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其具有優(yōu)異的耐水解和耐醇解特性。使用水和乙二醇比例為1∶1的混合溶液，在135 ℃的條件下，將568H以及同類產(chǎn)品改性的PA66樣條水煮2 000 h，然后對(duì)比拉伸和沖擊的性能保留率。圖3(a)顯示的是水煮前后的拉伸性能保留率。從圖3(a)中可以看到，經(jīng)過水煮之后，所有樣品的拉伸性能都有不同程度的下降。同類產(chǎn)品改性PA66的拉伸強(qiáng)度保留率達(dá)41.3%，而568H改性PA66的保留率為45.1%。拉伸模量水煮之后的保留率也是以568H更高。

(a) PA6

(b) PA66

圖2568H、560A和其他同類產(chǎn)品改性PA6和PA66的干態(tài)力學(xué)性能對(duì)比

(a) 拉伸性能

(b) 沖擊性能

圖3568H和其他同類產(chǎn)品改性PA66水煮前后拉伸性能和沖擊性能變化

從圖3(b)的沖擊性能保留率也看以看出，568H產(chǎn)品的沖擊性能保留率也比同類產(chǎn)品更好。568H的缺口沖擊性能水煮之后甚至比之前更高，這可能是由于與水煮過程中發(fā)生的某些化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，具體原因還有待深入研究?？偠灾?，568H改性的PA66具有非常優(yōu)異的耐水煮/醇解性能。因此，568H可以應(yīng)用于需要耐水解/耐冷凍液的環(huán)境中，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)周邊的PA部件，比如冷卻系統(tǒng)以及散熱器水室。

3 LFT用紗

盡管SFT增強(qiáng)熱塑性材料擁有成型工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但是其性能在很多地方仍不能滿足汽車零部件的需求。相比之下，LFT增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的性能比SFT高很多。因此，LFT產(chǎn)品在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用比SFT更加廣泛。諸如儀表板支架、底護(hù)板、前端支架、備胎底殼和后掀背門等部件都可由LFT工藝制得。用于LFT增強(qiáng)聚烯烴的代表產(chǎn)品為362J，其在樹脂中分散良好，同時(shí)適用于LFT-D和LFT-G工藝，并通過FDA認(rèn)證。本文重點(diǎn)介紹362J的相關(guān)性能。

LFT技術(shù)對(duì)紗的工藝性要求較高，特別是紗線的耐磨性能，因此首先重點(diǎn)考察362J產(chǎn)品的毛羽量。圖4顯示的是362J與市面上兩種同類產(chǎn)品的每千克毛羽量。從圖4中可以看到，在濕度為50%時(shí)，兩個(gè)對(duì)比產(chǎn)品分別為63.2和75.7 mg，而362J的每千克毛羽量?jī)H為42.4 mg，明顯優(yōu)于對(duì)比產(chǎn)品。當(dāng)濕度上升至75%時(shí)，所有產(chǎn)品的毛羽量都增加，這是由紗線本身的浸潤(rùn)劑特性決定的。在濕度為75%時(shí)，362J的毛羽量在3種產(chǎn)品中同樣最少。因此，總體來說，362J的耐磨性能是非常優(yōu)異的。

圖4362J與其他兩種同類產(chǎn)品每千克產(chǎn)生的毛羽量對(duì)比

為考察362J的力學(xué)性能，本文在玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%條件下，對(duì)比測(cè)試了362J與同類產(chǎn)品的拉伸性能和沖擊性能，其中拉伸性能和沖擊性能分別按照ISO 527和ISO 179 Charpy測(cè)得。圖5(a)是362J與同類產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度比較，可以看出其他兩種同類產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度分別只有362J的95%和91%。圖5(b)是362J與同類產(chǎn)品的缺口沖擊性能比較，同樣可以看出，其他兩種同類產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度分別為362J的93%和91%。因此，362J同時(shí)具備比同類產(chǎn)品更高的強(qiáng)度和韌性。

(a) 拉伸強(qiáng)度

(b) 缺口沖擊強(qiáng)度

圖5362J與其他兩種同類產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度對(duì)比

362J優(yōu)良的力學(xué)性能由多方面因素共同決定。首先，362J與PP樹脂具有很強(qiáng)的界面相互作用。圖6為362J與同類產(chǎn)品沖擊樣條斷面的SEM圖。從圖6可以看出，與同類產(chǎn)品相比，362J樣條斷面的玻纖上包覆有更多的PP樹脂，說明362J和PP樹脂具有更好的相容性和更強(qiáng)的界面相互作用。這與362J表面獨(dú)特的浸潤(rùn)劑處理密不可分。為提高362J與PP樹脂的相容性，362J的浸潤(rùn)劑配方中引入了大量獨(dú)特的雙親性大分子相容劑成分。其既可以與玻纖表面有較強(qiáng)的相互作用，同時(shí)也能夠與PP樹脂分子鏈密切纏結(jié)，因此可以大幅增強(qiáng)玻纖與樹脂的界面相互作用，從而保證在樹脂中良好的分散性和最終優(yōu)良的力學(xué)性能。

(a) 362J沖擊樣條斷面

(b) 同類產(chǎn)品沖擊樣條斷面圖6 362J與同類產(chǎn)品沖擊樣條斷面的SEM圖

與此同時(shí)，362J在PP樹脂中的玻纖保留長(zhǎng)度更長(zhǎng)。如圖7所示，362J和同類產(chǎn)品的保留長(zhǎng)度均值分別為7 801和7 062 μm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2 065和2 541。與同類產(chǎn)品相比，362J在最終制件中的玻纖保留長(zhǎng)度更長(zhǎng)，同時(shí)長(zhǎng)度分布更窄。這是362J擁有比同類產(chǎn)品更高性能的另一個(gè)重要原因。

近年來，車用材料對(duì)氣味和VOC的要求越來越高。經(jīng)過不斷改進(jìn)，目前362J的氣味按照大眾標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試可以達(dá)到6級(jí)，按照長(zhǎng)安標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試可以達(dá)到2級(jí)。VOC測(cè)試結(jié)果也較良好，比較符合車用材料標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來說，362J是一款非常適合用于車用LFT材料的玻纖產(chǎn)品。

4 CFRT用紗

CFRT產(chǎn)品主要有兩種，其中362C適用于PP/PE，352B適用于PA/PET。這些產(chǎn)品的主要特點(diǎn)包括紗線易分散，毛羽少，以及與熱塑性樹脂相容性優(yōu)異。以362C產(chǎn)品為例，本文對(duì)比考察了其在玻纖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%PP預(yù)浸帶中的分散情況。如圖8中所示，對(duì)比產(chǎn)品預(yù)浸帶表面的玻纖與PP樹脂界面分明，而且截面中玻纖團(tuán)聚明顯，說明浸漬性能一般。而362C產(chǎn)品預(yù)浸帶表面玻纖與樹脂界面模糊，而且截面圖中玻纖在樹脂中分散均勻，可以明顯看出362C具有更加優(yōu)良的分散和浸漬性能。這是由362C玻纖表面特殊處理的浸潤(rùn)劑決定的。在CFRT預(yù)浸帶生產(chǎn)過程中，玻纖與樹脂熔體接觸時(shí)間很短，這就對(duì)玻纖與樹脂的快速浸潤(rùn)性能提出了很高的要求。362C表面的浸潤(rùn)劑配方經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，含有許多促進(jìn)玻纖與樹脂相容性的成分，保證了其在極短的時(shí)間內(nèi)就可以與樹脂充分結(jié)合，故而能在CFRT過程中快速浸漬，良好分散。

(a) 362J制件中玻纖保留長(zhǎng)度

(b) 同類產(chǎn)品制件中玻纖保留長(zhǎng)度

圖7最終制件中362J與同類產(chǎn)品的纖維保留長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)分析

表1對(duì)比考察了362C改性產(chǎn)品的力學(xué)性能。力學(xué)性能測(cè)試樣條是由362C與對(duì)比產(chǎn)品的預(yù)浸帶壓成的板裁剪制得，玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)均約為60%，拉伸性能按照ISO 527測(cè)得?？梢钥闯觯谙嗤瑴y(cè)試條件下，362C制成樣品的拉伸強(qiáng)度比對(duì)比樣品高出將近67 MPa，模量也高出2.1 GPa，也就是說，362C具有比對(duì)比樣品更高的力學(xué)性能。但是由于CFRT成型工藝特殊，不適合制作復(fù)雜精細(xì)的部件，目前在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用并不是很廣泛，現(xiàn)主要用于卡車的車廂以及集裝箱的護(hù)板、頂棚以及襯墊等。

(a) 同類產(chǎn)品預(yù)浸帶表面

(b) 362C預(yù)浸帶表面

(c) 同類產(chǎn)品預(yù)浸帶截面

(d) 362C預(yù)浸帶截面圖8 同類產(chǎn)品預(yù)浸帶的表面和截面與362C的比較表1 362C與同類產(chǎn)品制品拉伸性能比較

產(chǎn)品樹脂玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸模量/GPa362CPP61.9933.827.7同類產(chǎn)品PP61.2867.225.6

5 結(jié)論與展望

在未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，汽車行業(yè)依然會(huì)保持快速穩(wěn)定的發(fā)展勢(shì)頭。與此同時(shí)，為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能環(huán)保的號(hào)召，汽車領(lǐng)域也在向輕量化方向不斷努力。因此，車用塑料也會(huì)始終保有較高且不斷增長(zhǎng)的需求量。用于增強(qiáng)車用塑料的玻纖的需求量也同樣會(huì)越來越多，而且對(duì)玻纖品質(zhì)的要求也會(huì)越來越高，比如更高強(qiáng)度、更高模量等。針對(duì)這方面需求，中國(guó)巨石推出了高強(qiáng)高模量的新一代E7/E8玻纖產(chǎn)品，其各方面品質(zhì)性能都全面優(yōu)于普通E玻璃。相信在不遠(yuǎn)的未來，高強(qiáng)高模量的E7/E8玻纖產(chǎn)品必將在車用塑料領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

[1] 劉學(xué)習(xí)，戴干策.玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].纖維復(fù)合材料, 2004(4): 55-58.

[2] 曾天卷.玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料——短纖維粒料和長(zhǎng)纖維粒料[J].玻璃纖維, 2008(4): 33-39.

[3] 趙若飛, 周曉東, 戴干策.玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的增強(qiáng)方式及纖維長(zhǎng)度控制[J].纖維復(fù)合材料,2000(1): 19-23.

[4] 周效諒, 錢春香, 王繼剛, 等.連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料拉擠工藝研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].高科技纖維與應(yīng)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

張志堅(jiān)(1980—)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事玻璃纖維以及復(fù)合材料的研究工作。

TQ 327.1

A

1009-5993(2017)04-0049-06

2017-11-22)

普立萬攜多種符合法規(guī)、可靠耐用的聚合物解決方案亮相2017年東南亞國(guó)際線纜及線材展

普立萬在泰國(guó)舉行的第12屆東南亞國(guó)際線纜及線材展覽會(huì)(也稱2017年東南亞線纜線材展)期間推出多樣化的高性能聚合物產(chǎn)品組合以及著色劑解決方案。

全套聚合物解決方案包括阻燃、無鹵、低煙聚合物、輕質(zhì)發(fā)泡，以及交聯(lián)聚乙烯和高溫材等。所有解決方案均旨在滿足嚴(yán)格的法規(guī)要求并簡(jiǎn)化電線和電纜生產(chǎn)。

“隨著東南亞線材與線纜市場(chǎng)持續(xù)快速發(fā)展，采用新的設(shè)計(jì)解決方案和創(chuàng)新材料來維持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)比以往更為重要?！逼樟⑷f亞洲區(qū)副總裁Barto Du Plessis表示?！拔覀?cè)陂_發(fā)特種聚合物配方這一塊具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，我們制造的產(chǎn)品可以承受嚴(yán)苛環(huán)境中所面臨的挑戰(zhàn)，與此同時(shí)，我們也在不斷開發(fā)新技術(shù)以更好地滿足客戶的需求。”

普立萬多樣化的產(chǎn)品組合包括：

● OnCapTM干硅烷添加劑：抗氧化劑、銅鈍化劑和抗紫外線劑，可在同一生產(chǎn)線上與可交聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)熱塑性塑料靈活配合使用；

● OnCapTM成核發(fā)泡劑：與聚乙烯混合物搭配使用，采用吹氣發(fā)泡工藝制造同軸電纜；

● ECCOHTM無鹵配方：高度阻燃，毒性和煙霧密度極低 ；

● SyncureTM交聯(lián)聚乙烯配方：兩步法硅烷接枝水分交聯(lián)聚乙烯系統(tǒng)(XLPE)，可提高產(chǎn)品的耐熱性、耐油性、抗蠕變性和耐磨性；

● Colorant ChromaticsTM交聯(lián)配方：耐高溫且具有出色的耐切割性、耐磨性和機(jī)械韌性；

● Colorant ChromaticsTM分散顏料：對(duì)印刷和劃線而言，這些顏料均勻分散，非常適合PTFE和FEP涂層。