擠出工藝條件對玻纖增強聚丙烯復合材料中玻纖保留長度的影響

趙 勃

(上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714)

0 前言

短玻纖增強聚丙烯(SGFPP)是以聚丙烯(PP)為基體、玻纖為分散質組合而成的復合材料。SGFPP具有質輕、模量高、抗疲勞、耐腐蝕、電磁和電絕緣性能優(yōu)良等優(yōu)點，正逐步代替金屬材料，并在汽車制造業(yè)、電子產(chǎn)品、日常生活用品等領域廣泛應用[1]。近年來電動汽車行業(yè)快速發(fā)展，在汽車輕量化趨勢下行業(yè)對SGFPP性能的要求越來越高。以往對SGFPP材料的研究工作重點集中在材料配方結構優(yōu)化，如開發(fā)高性能樹脂、高性能玻纖及高效相容劑等，然而對共混改性加工工藝的系統(tǒng)性研究相對較少。據(jù)已有研究可知，纖維長度是決定纖維增強復合材料性能最主要的因素之一[2]。筆者重點從擠出加工工藝參數(shù)和混煉螺桿構型方面進行設計，研究擠出工藝對玻纖保留長度的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

均聚PP，PP H9018，相對密度0.9 g/cm3，熔融指數(shù)55 g/(10 min)，中國石油蘭州石化公司；

馬來酸酐改性PP，BONDYRAM 1001CN，Polyram以色列公司；

玻纖，249A-10C 4MM，單絲直徑10 μm，歐文斯科寧玻璃纖維有限公司。

1.2 主要設備及儀器

同向雙螺桿擠出機，NE-27E型，長徑比為40∶1，四川中裝科技有限公司；

注塑機，BM90E型，廣州正茂精機有限公司；

馬弗爐，SXZ-8-10型，濟南精密科學儀器儀表有限公司；

萬能材料試驗機，Z010型，德國Zwick/Roell集團；

纖維長度分布測量儀，3E-ECO型，德國FASEP公司。

1.3 試樣制備及處理

將PP、馬來酸酐改性PP均勻混合后通過計量稱從主喂料口喂入，玻纖通過計量稱從側喂料口喂入，再通過同向雙螺桿擠出機擠出造粒得到成品。擠出溫度為180 ℃、230 ℃、230 ℃、220 ℃、220 ℃、210 ℃、210 ℃、210 ℃、210 ℃，機頭溫度設定為220 ℃，實際溫度控制偏差在±10 K,并通過注塑機制成標準(ISO)樣條。試樣成型后在溫度為(23±2) ℃、相對濕度為(50±5)%的環(huán)境中放置(48±1) h，隨后測試其力學性能。

1.4 性能測試

拉伸性能按ISO 527-2—2012 《塑料 拉伸性能測試方法》測試拉伸強度，拉伸速度為50 mm/min。

彎曲性能按ISO 178—2010 《塑料 彎曲性能的測定》測試彎曲強度和彎曲模量，試驗速度為2 mm/min。

玻纖保留長度測定方法為取馬弗爐中獲得的玻纖分散在玻璃器皿上，用纖維長度分布測量儀測試，測量每根玻纖的長度及分布情況。

2 結果與討論

2.1 擠出溫度對復合材料玻纖保留長度及拉伸強度的影響

在制備SGFPP復合材料時通常采用常規(guī)捏合塊 (KB)螺桿構型進行擠出加工，加工過程中擠出溫度是非常重要的工藝參數(shù)，不同擠出溫度對復合材料玻纖保留長度和拉伸強度的影響見圖1。

圖1 擠出溫度對玻纖保留長度及拉伸強度的影響

從圖1可以看出：在常規(guī)KB螺桿構型及螺桿轉速500 r/min條件下，隨著擠出溫度的提升，復合材料的玻纖保留長度逐漸從496 μm增大至547 μm；材料的拉伸性能略微提升(4 MPa內(nèi))。分析其原因為隨著擠出溫度的提高，熔體溫度提高，體系的黏度降低，玻纖受到的剪切力相對較小，使玻纖保留長度隨熔體溫度升高而增加，從而使復合材料的拉伸強度提高[3-7]。

2.2 螺桿轉速對復合材料玻纖保留長度及拉伸強度的影響

在同一螺桿構型擠出過程中,螺桿轉速的變化直接導致加工過程中物料受到的剪切速率相應發(fā)生變化。因此筆者研究了不同螺桿轉速對復合材料玻纖保留長度和拉伸強度的影響，結果見圖2。

圖2 螺桿轉速對復合材料玻纖保留長度及拉伸強度的影響

從圖2可以看出：在常規(guī)KB螺桿構型條件下，隨著螺桿轉速的提高，復合材料中的玻纖保留長度從633 μm逐漸降低至482 μm(降幅為23.8%)，但材料的拉伸性能基本沒有受到影響。這主要是由于隨著螺桿轉速的提高，螺桿對玻纖剪切作用加強，從而使玻纖保留長度下降[8]。

2.3 螺桿構型對復合材料玻纖保留長度及拉伸強度的影響

根據(jù)玻纖增強改性的特點，實驗所設計的螺桿構型包括加料段、熔融段、玻纖加入段、混合段、排氣段和計量段等功能段。結合實驗設備情況，針對玻纖加入后的混合段設計了6種不同的螺桿組合，分別為常規(guī)KB、三頭、ZME1、ZME2、SFV、SME螺桿構型，具體組合形式見圖3。圖4、圖5是6種螺桿構型在同一擠出溫度和螺桿轉速工藝條件下對復合材料玻纖保留長度和拉伸強度的影響結果。

圖3 不同螺桿構型示意圖

圖4 不同螺桿構型對復合材料玻纖保留長度影響

圖5 不同螺桿構型對復合材料拉伸強度影響

從圖4可以看出：在不同的螺桿構型中(擠出溫度為230 ℃)，材料的玻纖保留長度差異較大。隨著螺桿對玻纖剪切強度的提高，對玻纖的分布混合作用增強，玻纖在混煉流場中的流動更加絮亂，玻纖和螺桿、玻纖之間的相互作用頻率提高，加劇了玻纖的斷裂[9]，從而導致ZME1螺桿構型的玻纖保留長度最短，SFV和SME螺桿構型的玻纖保留長度最長(935 μm)。

從圖5可以看出:不同的螺桿構型對材料的拉伸性能影響較小。雖然SFV螺桿構型的玻纖保留長度雖最長，但是其力學性能最低，主要是玻纖分散情況差導致。

2.4 玻纖在機筒不同區(qū)段玻纖保留長度分布情況

圖6為加工SGFPP復合材料常規(guī)KB螺桿構型擠出機不同區(qū)段玻纖取樣點示意圖,其中取樣點1為玻纖入口處,取樣點2為距離玻纖入口4D(D為螺桿直徑)處,取樣點3為距離玻纖入口8D處,取樣點4為距離玻纖入口16D處,取樣點5為螺桿頭部位置。玻纖在擠出機筒的不同區(qū)段至注塑樣條后玻纖保留長度的分布情況見表1。

圖6 擠出機不同區(qū)段玻纖取樣點示意圖

表1 不同區(qū)段玻纖保留長度數(shù)據(jù)

從表1可以看出：在常規(guī)KB螺桿構型條件下，玻纖在擠出機內(nèi)部不同區(qū)段處的損失情況差異很大。玻纖加入到螺桿中被剪斷，經(jīng)過第一組混合剪切元件(取樣點2處)后長度明顯降低，玻纖保留長度下降幅度高達33%；在經(jīng)過第二組、第三組混合剪切元件(分別為取樣點3、取樣點4處)后玻纖保留長度又會有一個明顯的下降，玻纖保留長度下降幅度為20%和24%，下降幅度小于經(jīng)過第一組時的下降幅度。物料在經(jīng)過螺桿頭部后，玻纖保留長度又會有一定程度的下降，下降幅度為9%。而物料在注塑過程中，玻纖保留長度降低較少，玻纖保留長度下降幅度僅為1%。以上數(shù)據(jù)可以直觀地反映出玻纖保留長度在螺桿軸向擠出方向上的變化規(guī)律，因此在螺桿構型設計中科學運用混合剪切元件，可以更加精準地控制復合材料中玻纖保留長度。

3 結語

(1) 隨著擠出溫度的升高，復合材料的玻纖保留長度逐漸增大，復合材料的拉伸強度也逐漸增加。

(2) 隨著螺桿轉速的提高，復合材料中的玻纖保留長度逐漸降低，但對材料的拉伸強度影響不明顯。

(3) 不同螺桿構型對復合材料的玻纖保留長度影響較大，ZME螺桿構型的玻纖保留長度最短，SFV和SME螺桿構型的玻纖保留長度最長。

(4) 玻纖保留長度在螺桿軸向擠出方向上的變化規(guī)律為玻纖進入螺筒后玻纖保留長度不斷降低，尤其在混合剪切元件處玻纖保留長度減小幅度最大，從玻纖進入螺筒至擠出機頭，復合材料的玻纖保留長度僅剩14%。