车用纤维增强热塑性塑料技术进展

车用热塑性增强塑料工艺技术进展,常州轻工职业技术学院戚亚光,一、引言,1、中国车用塑料工业的极大机遇中汽协：2009年中国汽车 生产1379.10万辆 销售1364.48万辆(全球最大新车市场) 2009年中国乘用车 生产1038.38万辆 销售1033.13万辆，尚存的发展空间：世界平均每千人汽车保有量120辆 目前我国每千人拥有汽车不足50辆 (2008年数据),汽车产业为改性塑料提供极大的市场空间 2000年世界平均:塑料单车用量105kg，约占汽车总质量的 8%12% 2005 年欧洲:平均单车用量达到13%,塑料单车用量最大的是德国，塑料用量占材料总用量的15% 奥迪A2 型轿车：塑料件总重量已达220kg，占材料总用量的24.6%。 预计到2030年，发达国家汽车平均用车用塑料的用量将达到500kg以上 车用塑料在塑料工业中显现出重要地位 发达国家：汽车用塑料已经占到塑料总消耗量的7%8%，预计不久将达到10%11%。 欧洲：2005年度汽车塑料用量合计329 万吨 2010 年预计将达到397.3 万吨 中国：按2005 年欧洲的平均用量(每辆车150 kg) , 则 2010 年市场容量预计达到200万吨左右。 今后？ 汽车越是向高端发展，塑料用量越大!,2、车用塑料的发展重点纤维增强热塑性塑料纤维增强热塑性塑料的优势轻量化 高速，节能降耗，提高发动机效率，低碳排放；减振、消音降噪、隔热提高乘座舒适性；比强度与比刚度高安全耐疲劳性、耐腐蚀性能较好零部件使用寿命长成型工艺性好简化工艺，并适宜于大面积整体成型、外形复杂（凹凸型）的薄壁型零部件可组合采用多种工艺技术设计灵活、自由度高，同时能减少零部件及紧固件数目工程创新、美化外观再生性好，便于回收利用积极承担环保责任，发展循环经济(传统热固性增强塑料玻璃钢、SMC、BMC、RTM、RIM制品等难以回收再利用),欧洲汽车业使用纤维增强热塑性塑料概况 按工艺分布排列： 玻纤增强热塑性塑料（FRTP）占42 SMC/BMC 占26 RTM/RIM 占11 其它占21目前欧洲FRTP 保险杠销售量为13 万吨/年玻纤增强热塑性塑料（FRTP）发展空前 工艺技术：SFTGMTLFTD-LFT 材料技术：纤维品种与处理、反应性加工 混杂增强与复合 模具技术：A级表面(表面快速加热与冷却),二、D-LFT技术质量更高、成本更省,1、LFT(粒料)过程,优点,LFT应用 20062011，全球LFT年增长率12% (还将更快) 预计，2011年，LFT的生产与销售将新增收入4亿美元(按现在销售价) 2006，全球消费180,000吨 LFT 区域消费情况,近80%LFT应用于汽车领域LFT的应用的主要形式 粒料 长纤维母粒 D-LFT,2、D-LFT工艺技术,D-LFT(Derect In-line Long Fiber Reinforced Thermoplastics) 指将连续纤维与热塑性基体树脂进行在线配混后直接注射成型或压制成型为长纤维增强热塑性塑料制品的工艺方法，即直接加工长纤维增强热塑性塑料工艺。,D-LFT优点：配料与成型一体化，省去预浸料的制备，大大节省人力；受热次数少，没有二次熔融塑化，节能降耗；工艺过程及生产周期缩短，提高生产效率；避免二次熔融塑化对树脂和长纤维造成的影响，不过度损伤加入的纤维，纤维长度可保持在20mm以上； 与使用LFT粒料成型相比，平均纤维长度高出1520%，具有高品质的制品性能，通过制品与模具设计和工艺条件的优化，制品的力学性能可以接近GMT制品 ；与GMT相比，成型时的流动性好,能成型形状更为复杂的制品；生产成本低，相对于长纤维粒料，产品成本可以减少约40%。,Pushtrusion工艺 首创：Woodshed Technologies公司 近年来，不断发展完善 基本工艺原理：通过挤出机向一包覆（浸渍）模中供给热塑性树脂熔体,然后利用高压熔体包覆长纤维并将其拖向浸渍模末端的切刀,切刀根据事先设定的长度将包覆在熔体中的长纤维切断,而后熔体进入注塑机内注射成型。,性能比较,1、现行热塑性增强塑料模塑工艺之不足热物料一接触冷模即刻便会冷凝固化需要很高的注射速度与注射压力;易导致制品处于应力状态、表面有熔接线、收缩痕等因此难以成型平整光滑的制品;纤维极易受损伤,在接近模腔边缘的部位剪切作用强烈，过大的压力亦会导致纤维在此处表面裸露;易产生许多肉眼可见的波纹、孔洞,花纹不清晰;高的注射速率和注塑压力使得注射成型设备的成本急剧上升，产品经济性下降，而且过高的注塑压力和注射速率使模具尤其是型芯变形量增大，产品精度降低,三、快速变换模温提高表面质量,2、快速变换模温，改善模塑工艺模塑料温度对粘度有很大影响如何良好地保持熔料在注模过程中的流动性？ 升高模温至接近熔料温度！热塑性增强塑料制品必须冷却至HDT以下脱模！ 通常的模具冷却仍然需要！为了满足工艺需要，必须要快速变换模温 （主要是型腔表面温度） 如何使型腔表面温度快速升高？,3、RocTool的解决方案模具感应加热感应加热原理涡流导体线圈中通过交变电流时，在线圈外将会产生一个频率相同的交变磁场。若把金属导体放入线圈或感应器内，导体上就会产生与线圈电流频率相同方向相反的感应电流，该电流在导体内自成回路，呈涡漩状流动，称之为涡流。强大的涡流在金属中流动时，会释放出大量的热。集肤效应(skin effect)又叫趋肤效应当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，即电子聚集于导体表层流动，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，集肤效用越显著。邻近效应 相互彼此靠近且有交变电流通过的导体，不仅处于自身的电磁场中，还处于其他载流导体的电磁场中，所以每一个导体内的电流分布与单独存在时不同（即邻近效应）。频率越高，导体越靠得越近，邻近效应越显著。 如在靠得很近的两平行板上施加方向相反的交变电流，则感应涡流的大部分会集中在两相邻平行板的内侧表面。感应加热的集肤效应和邻近效应，使感应涡流主要集中在模具型腔表面，而在内部很弱，在芯部则接近于零。因此，感应加热时只是型腔模中靠近外表皮透入深度很薄的一层直接发热，内部发热很少。通过大量汇集于表层的涡流的发热，实现对型腔表面快速加热。在模芯内设置绝缘块则可以防止热量由型腔表面向模芯内部传递。在切换至降温时，在冷却孔中通入冷却水可以快速降低型腔表面温度。,感应加热系统RocTool公司推出两类模具感应加热系统笼式系统（CageTM System）集成在模具内部的内置感应器（3iTechTM）Wittmann Battenfeld公司推出 IndumoldTM感应加热系统加热注塑模具，提升模塑件的表面质量。 模具内置一个感应加热器，在几秒内将模腔表面加热至160C以上，有助于消除熔接线和缩痕，并使产品呈现出闪亮的光泽。,4、模具感应加热的成功与优点仅对模具型腔表面进行加热与冷却，其周期时间与传统方法相比，要快得多。接通感应器电源，仅需几秒到几分钟加热即可，加热深度只在模具表面以下0.2mm范围的表面层，模具总体的99.9%并不处于加热状态。模具感应加热技术已被Azdel、PPG等大公司用于GMT（如SuperLite）模压成型，生产汽车外饰所需的A级表面制品。Krauss-Maffei等机器制造商在长纤维增强热塑性塑料注射成型系统中，采用感应加热模具技术，用于长纤维增强热塑性塑料成型模具，生产具有A级表面的大型汽车部件。,通过使用RocTool技术，几乎瞬时达到所需温度的感应加热使GMT在模具中易于被延伸，且热塑性树脂富集在表面，没有纤维外露，从而易于达到A级表面要求。迅速的冷却使生产过程有较好的经济性。尽管也是采用片材预热，但以传统的油加热模具进行模压成型，周期要长得多。 RocTool还能设计不同导电性的材料作模具表面层，使模具某些部位的温度较其它部位高些，从而可以使制品仅在某一区域达到A级表面要求。,RocTool还专门为设计感应加热模具开发了模拟软件，它能模拟电磁场、显示模具温度、加热时间、冷却时间、感应器与冷却水道的位置，甚至还能给出最适合模塑制件及模制材料的模具合金。,四、长纤维母粒,1、D-LFT的不足之处需要配料与成型“二合一”的成套装备；适合大批量、大部件的生产，而对小批量、小产品生产不便2、长纤维母粒的优缺点使用方便、灵活适应制品生产成本介于LFT与D-LFT之间性能介于LFT与D-LFT之间不适于高纤维含量制品,3、Dow汽车公司的长纤维母粒先制备添加剂母粒,制备长纤维母粒,使用母粒与长纤维PP粒料(LFT-PP性能对比),4、RTP公司的长纤维母粒玻纤含量，60%，成型时按需要比例用纯树脂稀释即可使用；纤维长度12mm,可在825mm范围内定制；易于分散，并为成型制品提供富树脂的光滑表面；由于纤维被树脂完全浸润，与树脂间有良好的结合，使制品具有优异的性能根据需要，组合抗紫外、抗静电、阻燃、润滑、着色等功能。,应用效果,五、新的原材料技术,1、原位聚合基于环状齐聚酯的FRTP,环状齐聚酯(CBT),Cyclic Corp.Dow Automotive,原位聚合与催化剂,催化剂,CBT的基本性状不同低分子量环状齐聚物的混合物，常温为固体；熔点165以上，熔体粘度极低，“水”样的流动性；在加工过程中加入催化剂，在适当的温度下开环聚合成线性PBT，分子量是通用PBT树脂的2倍。,CBT的加工优点(热固性与热塑性双重特性)能快速和极佳地润湿填料/纤维增强材料，并可以在很低的压力下成型；可达到很高的增强纤维含量(75%)；快速聚合，选择不同的催化剂和反应温度，CBT的完全聚合时间可以控制为几十秒到几十分钟；几乎可以用所有的热塑性和热固性树脂的加工方式，进行加工；(通常PBT方法单一) (滚塑、铸塑、压铸、真空袋、RTM、RIM、 SMC、缠绕、淤浆法、粉末涂层、注塑、挤出)聚合后的材料又具有通常PBT树脂的可重复加工的热塑性特征；,DOW汽车公司的应用开发 重点领域 轿车、卡车、巴士以及轨道列车等5个应用领域； 汽车部件 车身底盘、车厢、承重板以及保险杠等部件的应用； 工艺开发 CBT的注塑成型 RTM传递模塑成型 SMC片状模压料成型 离心成型 喷射成型,2、更适合LFT(或D-LFT)的玻璃纤维直接纱PPG工业公司：TUFROVTM 4575 LFT玻璃纤维无捻粗纱 针对汽车工业和各种要求高性能复合 材料领域 专用于制造高性能长纤维增强热 塑性塑料 拉伸强度可提高20% 冲击强度可提高40% 极佳的纤维表面性能与分散性 突出的耐水解性 此外，还有： TUFROVTM 4510