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长玻纤
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长玻纤增强反应注射成型技术及应用摘要：本文介绍了反应成型和长玻纤增强反应成型原理和工艺，讨论了长玻纤增强反应成型材料的增强和破坏机理，论述了长玻纤增强反应成型特点及其一些应用。关键词：反应注射成型（RIM）；长玻纤增强反应注射成型（PULFI）；长玻纤一、引言反应注射成型工艺(RIM)是从70年代发展起来的一项新型高分子加工技术，反应注射成型具有工艺简单、设备能耗低、生产周期短、劳动强度低、易于实现自动化连续生产等诸多特点,适合结构复杂、薄壁、大型制品的成型等优点,目前在汽车、仪表、机电产品、建筑、制鞋、印刷、印染等行业等领域应用十分广泛,使用的树脂有聚氨酯、环氧树脂、聚酯甲基丙烯酸系共聚物、有机硅等。增强反应注射成型（RRIM）聚氨酯，是在RIM聚氨酯基础上完善发展起来的，它是在RIM聚氨酯中加入增强剂，使之在保持RIM工艺的基本优点基础上，又赋予RIM-PU更多的优异性能。RRIM制品具有模量高、耐热性能好、线膨胀系数小等特点，因而特别适合替代钢材做汽车车体和各种结构部件。RRIM-PU所用的增强剂一般有玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维及不锈钢纤维等，而用量最大的为玻璃纤维。玻纤RRIM-PU是在RIM-PU基础体系中添加玻璃纤维，以提高和改善复合材料的刚性和热稳定性能，同时亦可以降低制品成本，因此，自80年代以来，玻纤RIM-PU得到迅速发展和应用，美国目前RRIM-PU产量已占RIM-PU的55%以上。而我国的玻纤RRIM起步较晚，也相对较落后，因此对玻纤RRIM-PU研究具有重要的现实意义和应用价值。二、反应注射成型原理和工艺所谓“反应注射成型RIM (Reaction Injection Moulding)”是一种成型热固性树脂的特殊注射成型方法。它是由低粘度高活性的原料,经过高压碰撞混合,在模腔中发生聚合反应,直接固化成型为塑件的特殊注射成型方法。因为热固性树脂液态单体的聚合、聚合物的造型、定型是在一个流程中完成的,所以也称为“一步法”注射技术。1.1反应注射成型（RIM）工艺反应注射成型（RIM）用两种主液体,使用不同的催化剂、发泡剂和改性剂,可得到硬质或软质、密度不同的发泡体制品。反应注射设备一般都包括两组液料的供给系统和液料泵出、混合及注射系统。RIM材料的固化时间一般少于1 min,通常是20 s,与大多数塑料加工过程不同,周期时间同制品壁厚相对无关。目前大多数RIM材料皆以聚氨酯树脂为基础,聚氨酯反应注射的两种主浆料是多元醇和二异氰酸酯,每种原料浆中除树脂外,还常加入填料和其它添加剂。其成型过程通常由成型物料准备、充模造型和固化定型三个阶段组成。首先将异氰酸酯和多元醇两种原料分别放入两只容器内,精确控制桶内物料的温度,两种原料分别通过各自的加热系统及定量泵进入混合注射器内混合,材料混合后发生化学反应,然后迅速、完全被注射入模具型腔内,待固化后即可启模。反应注射成型工艺流程见图1。图1反应注射成型工艺流程图三、长玻纤增强反应注射成型法（PU-LFI）长玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型工艺(PU-LFI)是在聚氨酯反应注射成型工艺基础上开发的一种新型增强PU-RIM 生产技术。该技术是在高压浇注机混合头附近将长玻璃纤维切割成长度为1.0-10cm 的长纤维，PU 物料注入模腔之前，在混料腔内与直接添入的切碎纤维浸润、混合，经化学反应固化成型，制得玻璃纤维增强 P U 制品。（一）、玻纤增强和破坏的机理当聚氨酯材料与长玻纤通过PU-LFI复合成纤维增强聚氨酯泡沫塑料后，材料的模量与其强度都得到了提高，这是什么原因呢？这可以从纤维增强和破坏的机理的过程来理解。在拉伸应力作用下,基体的薄弱部位首先产生裂纹,当裂纹遇到纤维时,可能出现终止、偏转、纤维脱粘拉出、纤维带树脂外壳拉出、纤维断裂等几种情形。当玻璃纤维长度小于临界纤维长度时,在拉伸载荷作用下,泡沫内的裂纹扩展,裂纹遇到玻璃纤维时发生终止或转向,最终玻璃纤维被拔出、树脂被拉断破坏,此时增强效果较差。而当玻璃纤维长度大于临界纤维长度时,玻璃纤维被拉断,起到的增强效果较好。在压缩应力作用下, 增强反应成型塑料的破坏主要是由树脂支柱的弯曲、扭转变形引起的。在纤维增强泡沫塑料体系中,纤维贯穿于若干个泡孔,使其周围一定范围内的泡孔以其为核心联成一个较大的柱体,承受压缩应力时纤维的存在减少了树脂细杆及薄膜的弯曲扭转变形,相应提高了其破坏应力及压缩模量。（二）、与传统的反应成型工艺比较的特点为 ：A 、PU原料与长纤维在混合头处开始混合，一直到进入模具。 在进入模具之前就二者就已混合良好，使纤维的分布非常的均匀，可以大大提高原料的充模性能，同时可以显著提高材料的机械性能。 材料机械性能的提高为减少原料的用量提供可能，尤其是一些大型薄壁制件，在引入LFI 工艺后可以大大减少材料的用量， 同时降低了制件本身的重量。B、由于纤维长短和浇注数量的可调节性，工件不同部分的纤维含量和长度可以根据负载（使用要求）的不同来调整， 从而达到最佳的性能成本比（性能重量比）。C、完全省略预成型工艺，相应的工艺成本可以百分之百地去除，（预成型或编织的纤维和普通长纤维的价格相差很多），从而大大降低生产成本。D、LFI工艺加工的材料强度高， 重量轻， 在汽车行业的应用前景非常好。现在， 各大原料公司都在对其进行研究， 包括BAYER， HICI， DOW，BASF等公司， 有相当数量的设备被他们应用在实验室中做研究开发。预计在不久的将来， 该工艺可获得大规模的应用。（目前德国宝马汽车公司、江森内饰件公司等已经将该工艺应用于大批量生产）。E、天然纤维也可以替代玻璃纤维应用于这种设备中， 从而进一步降低成本。拓展应用领域。F、在大型部件的制造方面，LFI 工艺的优势尤为明显：密度（强度）可以根据需要调整，可以省略大型予成型或编织件的搬运装模、以及在模具内的均匀排布， 可大大提高生产效率并节省了原料。三、长玻纤增强反应注射成型技术的一些应用近年来，国内外对注射反应成型又作了较大改进，采用长玻纤增强材料预置于模具中强化制品的物理性能，使其刚性和强度甚至赶上钢材，但质量却只有钢材的55。LIF-PU是一种很有发展前途的聚氨酯制品，该类聚氨酯制品在汽车上可以制作方向盘、保险杠、车身壁板、发动机罩、行李箱盖、散热器格栅、挡泥板、扰流板门内板、仪表台、保险杠、皮卡车的货柜挡板、顶棚，以及其他增强结构件等多种部件。下面我们举例介绍在汽车方面的三个应用。1、方向盘方向盘是汽车安全件之一，为保证驾驶员的行车安全，要求方向盘在发生碰撞时能吸收大部分冲击能量，满足这一要求的最佳材料就是聚氨酯注射反应成型泡沫塑料。汽车方向盘一般采用RIM工艺一次成型制成，其外表是一层坚韧致密的聚氨酯皮层、内部是具有高回弹性的聚氨酯泡沫，从内芯到表皮密度逐渐增大，中间预置钢骨架，从而保证了方向盘既有牢固的强度，又有较好的弹性；现在基于轻量化考虑，出现了一种采用玻璃纤维增强尼龙PA代替钢骨架的趋势。在制作聚氨酯方向盘工艺过程中，调整原料配比和模具温度，特别是使模具温度与化学发泡反应达到精确平衡，是制得优良成品质量的关键。2、保险杠保险杠是汽车部件中最早采用塑料制作的大型部件，当前中低档轿车普遍采用改性聚丙烯，高档轿车则采用聚氨酯制造。聚氨酯保险杠是通过RIM工艺在模具中注入聚氨酯反应物制作而成，内部一般嵌有钢质加强筋。近年来，开始出现采用微孔聚氨酯弹性体制作新型悬架结构保险杠。由于微孔弹性体硬度低、压缩率高，通过变形能够吸收80的冲击能量，其余的冲击能量可转移到底架上，这种保险杠具有质轻、安全、平稳、消音的功效。3、车身壁板聚氨酯车身壁板通常采用RRIM工艺制造，通过长玻璃纤维的增强作用，使聚氨酯制品的弹性模量大大提高，在高、低温条件下均有很好的抗冲击性。采用RRIM制造的车身壁板，进一步提高了制品的综合性能，具有优异的耐热性和尺寸稳定性。聚氨酯车身壁板与钢板车身相比，质量轻、耐腐蚀、汽车在低速碰撞时更不易变形。四、结束语随着玻璃纤维制品制造技术的发展和PULFI工艺技术的成熟, 纤维增强泡沫塑料作为一种性能优良的工程塑料品种在合成枕木、汽车制造、管道建设等诸多领域将会大量投入使用,市场需求不断增长,潜力巨大,并出现了生物聚醚型和新型纤维、天然纤维增强聚氨酯泡沫塑料等新的发展动向。LFI-PU市场的急剧扩大将为国内聚氨酯产品研究、开发和制造企业与机构提供发展良机。参考文献1、张晓明 ,刘雄亚 编著.纤维增强热塑性复合材料及其应用 . 化学工业出版社 .2007年1月第1版2、毛孟进 .PU生产车间自控方案设计及应用宁波化工 .2006年第1、2期3、张惠敏,姜法治.旋转注射反应成型机的研制与特点.橡胶技术与装备.2000年第26卷 第1期4、李光耀,姜胜远.聚氨酯塑料在汽车中的应用及发展前景 .汽车与配件.2006 325、冯小军.反应注射成型固化和冷却的数值模拟. 模具制造.2004年第4期6、曹长兴，李睃.反应注射成型设备混合系统的类型与性能 .塑料科技.2004年第2期7、申长雨,陈静波,刘春太, 李菁.反应注射成型技术 . 工程塑料应用 .1999年第27卷，第10期8、胡海青.热固性塑料注射成型专题讲座. 热固性树脂. 2001年7月 第16卷第4期9、梁书恩 ,田春蓉, 王建华, 周秋明.纤维增强聚氨酯泡沫塑料技术及应用. 聚氨酯工业. 2006年第21卷第6期10、杜俊超，孙海欧，于文杰.低密度长玻璃纤维增强PU-RIM 材料制备研究. 化学推进剂与高分子材料.2007年第5卷第1期11、陈长青, 郦华兴.反应注射成型工艺进展 . 湖北工学院学报.1994年6月第9卷第2期12、吴壮利.RIM聚氨酯加工设备及其在汽车内饰件生产中的应用 .聚氨酯工业 .2006年第21卷第4期13、刘益军 译.长纤维增强聚氨酯的新方法.现代加工技术.1996年第4期15、王士才 ,李宝霞.玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型. 现代塑料加工应用.19
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