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《华东理工大学》 2011年
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长纤维热塑性复合材料的制备,性能和成型

庄辉  
【摘要】:汽车轻量化是节约能源、减少尾气排放的重要措施之一。中国是一个汽车消费大国,但是在汽车材料轻量化上,还处于应用不足以及技术匮乏的现状。以聚丙烯PP为基体的LFT复合材料(长纤维增强热塑性片材,long fiber reinforced thermoplastics sheet),具有轻质高强的优点,并且易于制造和实现成本优化,正在逐步成为工程塑料和金属材料的替代品,已是汽车轻量化使用的聚合物基复合材料首选。本文以此为背景,开发LFT-PP制备、应用的成套技术,并作相关基础研究。 首先,通过改进单螺杆挤出机,建成年产200吨在线混合LFT中试生产线,提供了一种简便的制备LFT-PP片材的方法。开发过程中发现,采用强化混合螺杆、结合适宜的分流板和挤出口模,以及直接无捻粗纱,能够制备力学性能良好的LFT-PP复合材料。 以自由流动螺杆为研究对象,考察了螺杆转速、混合长度、螺槽深度等因素对于RTD曲线(residence time distribution, RTD),以及平均停留时间(mean residence time)和标准化方差的影响。采用Yeh模型拟合RTD数据,柱塞流反应器(Plug flow reactor)分数P以及连续搅拌槽反应器(continuous stirred tank reactor)死体积分数d用作模型的双参数,并且将工艺参数和螺杆结构与纤维断裂和分散进行了关联。在RTD数据分析基础上,通过对纤维受到的熔体剪切作用分析,结合在线挤出过程中不同结构螺杆的混合特性,探讨了纤维断裂和分散的原因。从而为装置的进一步工程放大,实施LFT的工业化制备奠定必要的技术基础。 再次,考察了基体,纤维以及界面结合等因素对LFT-PP力学性能的影响,纤维含量增加是提高LFT-PP力学性能最基本的因素;增加纤维长度能够明显改善强度和韧性,提高纤维分散能够改善刚性;界面改性剂PP-g-MAH能够提高LFT-PP的强度和刚性,但是会降低韧性。 采用Kelly-Tyson模型、Cox混合定律以及强度-应变关系,结合纤维长度因子以及纤维分散度因子,分别对LFT-PP的拉伸强度、拉伸模量和冲击强度进行了模拟,试验数据和模拟数据的一致性良好。 添加界面改性剂PP-g-MAH会导致LFT-PP韧性下降,组合增强和界面优化可改善韧性,探讨了组合增韧效应。研究表明,组合增强以及采用弱极性界面相容剂PP-g-KH570,能够得到强度韧性均衡的材料,特别是PP/LGF/Nano-CaCO3组合增强体系,能够兼顾高强度高刚性和高韧性。 最后,对LFT-PP产品的流动模塑成型进行研究,考察LFT-PP片材预热,模内冷却过程的温度变化,以及模具温度和成型压力对LFT-PP流动模压的影响。结合发动机防护罩和汽车前端模块的模压试制,探讨坯料设计对模压成型的影响,提供了LFT-PP流动模塑成型的关键参数,并且对成型过程中可能出现的缺陷进行讨论,可以作为LFT-PP制品成型工艺的指导。 利用自主开发的在线混合LFT生产线,成功研制了适用于发动机防护罩的LFT-PP材料,通过模压工艺优化,试制了合格的产品,并得到工业应用,自2006年以来,累计生产片材超过100吨。制备以及成型技术均获得相关企业认可,并用于某企业国产车型的多种零部件。
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