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論立體混合法制氈工藝及其對玻纖增強熱塑性材料力學性能的影響論
1 引言
玻纖增強熱塑性復合材料是近年來迅速發展的一類高性能復合材料，是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維( GF) 為增強骨架的板片狀結構材料。基體樹脂可以是聚丙烯( PP) 、滌綸( PET) 、聚酰胺( PA) 、聚苯硫醚( PPS) 等，增強纖維可以是無堿玻璃纖維或短切纖維組成的針刺氈等。玻纖增強材料具有強度高、韌性好、密度小和保存期長等特點，同時還具有良好的成型性、耐腐蝕性和耐熱性以及價格低廉、可再生利用等優點。玻纖增強材料屬于綠色材料，在交通、建筑、汽車、環保、航空航天等方面得到越來越廣泛的應用，已成為國際復合材料新的增長點。
制作高性能的玻纖增強熱塑性復合材料，除了原材料本身的性能指標，關鍵還在于基體樹脂對玻璃纖維的浸漬效果，同等玻璃纖維含量的制品，浸漬越完全，制品的力學性能越優。在相同玻纖含量條件下，要提高浸漬效果，除了對原材料改性外，還可通過改善成型工藝來提升基體樹脂對纖維的浸漬效果，此類工藝的關鍵技術瓶頸是提升纖維在樹脂中分散的均勻度。針對這一問題，國內外一些學者對其進行了研究。費傳軍等提出采取GF /PP混纖紗法制備玻纖增強基材，將熱塑性纖維( 如PP)和增強纖維( 如GF) 預先混合成混雜纖維束，再用其制備成基材，并熱壓成板或制品。該方法可在一定程度上改善基體樹脂對增強纖維的浸漬效果，提高板材物理機械性能，但由于混合工藝本身的缺陷導致纖維的混合均勻度偏低，制品的力學性能不穩定。上海杰事杰新材料股份有限公司利用混合干法工藝將玻璃纖維短切之后與粘合樹脂纖維混合，再進行復雜高強的梳理成網形成棉絮狀，針刺后制備成連續預浸漬纖維氈，最后制板或成型。該工藝能有效混合玻璃纖維與樹脂纖維，提高混合均勻度，對于板材力學性能的提升有一定的推進作用，但由于梳理、針刺強度過大，玻璃纖維損傷現象嚴重，減小了纖維的長度與強力比。產品的力學性能受到纖維本身強度的限制，因此只能應用于非結構材料。而且由于玻纖取向明顯，板材物理機械性能具有明顯的各向異性特征，在縱橫方向差別顯著。
針對上述研究存在的問題，本文提出了一種新的制氈工藝——立體干法( 混合) 工藝，對現行的連續纖維針刺氈制備基材的方法進行技術改進，引入了先進的制備連續纖維預浸漬帶的浸漬工藝技術。新的干法預浸漬工藝不僅能保證增強纖維與基體纖維混合的均勻性，而且能大幅度減少纖維的損傷、斷裂現象，有效地解決了增強材料與高溫、高性能、高粘度樹脂熔融流動成型困難的技術瓶頸，顯著提升了玻纖增強熱塑性板材的產品質量與力學性能。
2 實驗部分
2. 1 立體混合法制氈
由于PP 具有密度小、耐化學腐蝕、易加工等特點，PP 經改性之后耐熱變形溫度及與纖維界面結合的親和力得到大幅提升，所以本文研究選用PP作為基體材料。玻璃纖維則選用能與PP 界面良好粘結的巨石362C 系列纖維，且都為束狀。開發出立體混合法制氈的工藝與設備。
立體混合法制氈工藝主要是將玻纖與化纖分別拉制成束狀，展纖后，在保持纖維最小長度( 50 ～60mm) 的前提下，通過特殊的梳理工藝與氣流成網工藝，完成不同比重的玻纖與化纖的均勻混合，制成三維立體結構的混合針刺氈。制作流程如圖1 所示。首先將GF 與PP 分別用疏針開松機開松，使束狀GF、PP 纖維展開成單絲狀，通過風機輸送至帶電子配比稱重的給棉機給棉。然后，將GF、PP 按比例配給，經混合開松機進一步均勻開松、混合。由風機輸送至高位自動給棉機，通過定量自動喂入系統，喂入專用梳理氣流成網機，均勻成網。最后，經上、下針刺加固，切卷成半成品基氈——混合氈。按照上述工藝，采用合適的GF、PP 質量配比方案，加工制成混合氈。
2. 2 性能測試
將立體混合法所制基氈( 簡稱立體混合氈) 經層合熱壓法制備成熱塑性復合材料板材，參照ISO527-2-2012《塑料: 拉伸性能的測定: 第二部分: 模壓和擠壓塑料試驗條件》、ISO 178-2010《塑料: 彎曲性能的測定》和ISO 179-1-2006《塑料: 擺錘沖擊特性測定》的要求，在板材上面分別割取拉伸、彎曲、沖擊試樣。在萬能試驗機上進行拉伸、彎曲性能測試，在微機控制擺錘沖擊試驗機上進行簡支梁沖擊強度測試，并用電鏡觀察板材的浸漬效果。
3結果與討論
3. 1 立體混合氈的制備工藝
( 1) 混合均勻性
實現不同比重的玻璃纖維( 2. 54g /cm3 ) 與聚丙烯纖維( 0. 91g /cm3 ) 的均勻混合是立體混合法的核心問題之一，兩種纖維混合得越均勻，材料的性能就越穩定，在后續制板或成型過程中，由擠壓流動所帶來的富樹脂區及干纖維區等缺陷也越少。立體混合法制氈工藝中，所選PP 纖維為束狀，且整體比較硬挺，氣流成網時，兩種纖維下降速率差異較小，可有效保證混合纖維成網均勻、穩定，無明顯的拉痕缺陷。GF、PP 纖維經梳針開松、風機輸送、混合開松、專用梳理氣流成網等工序，除極少部分還殘留束狀玻纖外，其余部分都體現出較好的分散性，混合均勻度CV 值可達5%。這對于后續的板材浸漬工藝有很大的推動作用，有利于節省設備成本，提高生產效率。
( 2) 纖維長度
纖維長度越長，制品的拉伸性能、抗沖擊性能越好，最終產品的連續性也越優。傳統制氈工藝由于直接借用于無紡機械設備，過于密集的針布和刺針使得在梳理、針刺工藝過程中，纖維的損傷、斷裂現象嚴重，導致最終產品力學性能急劇下降。如圖3所示，本文所研究的工藝，將梳針開松、輕度打擊方式融合于開松、梳理過程，既能有效混合兩種不同比重的纖維，保持纖維的基本長度及硬挺度，又能在一定程度上提高纖維的分散性，為后段成網工序提供便利。與此同時，氈層中的樹脂與高速運動的刺針產生劇烈的摩擦而部分融化，熔融的樹脂可有效潤滑刺針本身，減少刺針在上、下運動過程中，對纖維的撕破和打斷現象，對于纖維長度的保持及制品力學性能的提高具有重大的意義。
( 3) 針刺密度、針刺頻率、針刺深度
針刺密度、針刺頻率、針刺深度直接影響著氈層之間的交聯程度，與氈的拉伸、彎曲、抗沖擊等力學性能及變形性有很大關系。針密( 針刺密度) 越大，針頻越高，纖維混合得越充分，纏結效果也越好，氈的拉伸、彎曲等力學性能也得到相應提高。與此同時，隨著針密、針頻、針深的增加，纖維也越容易被刺斷，氈層的相關力學性能會隨之下降，特別是對于抗沖擊強度等性能[15]。所以選擇合理的針密、針頻、針深等參數十分重要。對于本次研究的新工藝，針密選擇為50 刺/cm2，針頻則依據底簾速率而定，為了保證纖維的硬挺性及彈性等，針深控制在10mm 左右。
( 4) 立體結構
常規的梳理成網工藝，所制基氈纖維取向明顯，板材物理機械性能具有明顯的各向異性特征，縱橫向強力比值差較大。而本文所研究的立體混合法制氈工藝，采用常熟飛龍無紡機械有限公司專用的梳理氣流成網機梳理、鋪網、再針刺，在保證成網均勻度達到要求的同時，亦能使基氈獲得三維立體結構，纖維之間雜亂、無規則排布。在高溫、高壓條件下，此立體結構能為增強樹脂提供多方向的流動、浸漬通道，有利于提升板材浸漬效果，提高力學性能，縮小縱橫向強力比值差。
3. 2 測試結果分析
用上述方法，取多組試樣測定板材的縱向和橫向拉伸、彎曲、沖擊性能值，將其均值與傳統玻纖增強板材相比較( 同等克重條件下)。
相同玻纖含量的混合氈板材與傳統板材相比，拉伸強度增加了22% 左右，彎曲強度提高了30%左右，沖擊強度也提高了27. 3%左右。其主要原因是: 在立體混合氈結構中，玻璃纖維長度損傷、斷裂情況較少，且與基體樹脂處于共混狀態，高粘度的基體樹脂經高溫塑化后，直接粘結、浸漬毗鄰的玻璃纖維，浸漬距離縮短，浸漬效果得到明顯改善，板材的力學性能得以大幅提升。
立體混合氈的均勻三維立體結構中，樹脂纖維尤其是玻璃纖維呈空間三維方向無規則排布，板材受外力時，纖維能有效地分擔載荷至鄰近的板材空間，有利于保證板材各方向力學性能接近一致。如表4 所示，經立體混合法制成的新型GMT 板材，擁有近乎1∶ 1的縱橫向強力比值，體現出一定的各向同性優勢。
傳統熱塑性板材纖維分散性不佳，基體樹脂成塊分布，大部分玻璃纖維仍處于白色裸露狀態，未經基體樹脂的浸漬，即出現干纖維區域，嚴重影響了板材力學性能的提升。混合氈板材玻璃纖維分散性較好，基體樹脂也浸漬得相當均勻、透徹，未出現如傳統熱塑性板材纖維浸漬不完全、干纖維分布集中和富樹脂區的現象，且纖維大部分是被拉斷的而非拔出的，這說明基體樹脂對玻璃纖維的浸漬效果較好，纖維與基體樹脂界面的結合力穩固，對于板材力學性能的提升具有重大的意義。
3. 3 應用實例
立體混合氈可廣泛應用于各種模壓成型工藝，并且可一次成型出各種復雜形狀的零部件。將上述所制板材覆蓋一層界面無紡布，在遠紅外加熱爐中預熱200℃左右，迅速轉移到熱壓模具中( 模具預熱60 ～ 70℃) 進行熱壓成型，壓機壓力在5MPa 左右即可。其成型件整體界面非常光潔，在拉深較大處成型效果良好，無明顯的縮孔、凹坑等缺陷，說明增強纖維與樹脂纖維分散均勻，使得樹脂在模壓流動過程中，流動阻力小，從而提升了基體樹脂對纖維的浸漬效果。因此，由立體混合法制氈工藝制得的混合氈板材在汽車、建筑、通訊、電子行業、化工設備等領域將有相當巨大的應用價值。
4 結論
( 1) 通過新型立體混合干法工藝制備出的基氈，增強纖維和基體樹脂纖維混合均勻，損傷及斷裂少，立體結構明顯，使得樹脂在模壓流動過程中，流動阻力小，從而提升了基體樹脂對纖維的浸漬效果;
( 2) 立體混合法制氈工藝制得的混合基氈，其玻璃纖維與基體樹脂的接觸面積增大，浸漬過程由以往鋪膜式的面滲透粘接、或線粘接變為點粘接，浸漬效果有了很大的提升，產品的力學性能得到明顯改善，縱橫向強力比值接近于1∶ 1;
( 3) 由立體混合法制氈工藝制得的混合基氈可用于制作拉伸深度大，有沖壓負角等較難成型的模壓產品，且其界面光順、圓整;
( 4) 新型立體混合法制氈工藝制得的立體混合氈可應用于汽車內飾件、外觀件和部分結構件，也可用于制作建筑模板、化工設備等，在家用電器上亦有較好的應用前景。
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