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美高梅电子游戏官方网站长纤维增强热塑性塑料 汽车轻量化的未来



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LFT是纤维增强聚合物领域的一种新型高级轻量化材料,具有可设计性、低密度、高比强度、高比模量和抗冲击性强等特点,它的出现对铝合金、纤维增强热固性复合材料构成了巨大挑战,逐步成为制作汽车零部件的主流材料。

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LFT是英文Long-FiberReinforceThermoplastic的简称,中文译为长纤维增强热塑性塑料,又习惯称之为长纤维增强热塑性复合材料,它是纤维增强聚合物领域的一种新型高级轻量化材料。

  复合耐火材料因为比一般耐火材料强度高、密度低、具有可设计性而成为代替钢铁生产的热门材料,近几年得到了迅速发展,尤其是有关玻璃纤维增强复合耐火材料的技术已经比较成熟并且在汽车行业获得了大量应用。但是,玻璃纤维对人体有害,并且熔融后容易粘结,造成回收利用困难。

在过去的20多年时间里,能源危机和石油涨价促使汽车轻量化逐步成为新型汽车的发展趋势,也使得人们将注意力转移到了LFT低密度材料的研发上,LFT的材料性能和加工技术也不断得到改进。

  而天然纤维却是可回收、可降解、可利用、可再生的,焚烧时无毒物排放,填埋后可生物降解,并且可以循环利用;天然纤维可以采用一步法成型,与其他材质粘接比较容易,生产过程中一般不用胶粘剂。所以天然纤维是环保型材料。天然纤维在节能方面的优势也是非常明显的,如麻纤维生长期短、对生长环境要求不高,生长过程无需农药和化肥。天然纤维在生长、收获和加工过程中的能量消耗较少,生产过程无“三废“污染、使用过程也无有害的游离化学物质析出。

目前,LFT已成为一种可以挑战铝合金、纤维增强热固性复合材料的汽车轻量化新材料,具有很强的市场竞争力。据报道,在最近的几年中,采用LFT制造的汽车产品的市场份额增加了15%左右,并保持强劲的上升趋势,这一现象已引起业内专业人士的极大关注。

  另外,天然纤维复合耐火材料一般使用聚酯或聚丙烯为基体树脂,使用木纤维、麻纤维和其它天然纤维(秸秆、竹子、甘蔗、椰壳等)为增强材料。基体树脂价格低廉,纤维原材料来源广泛、价格也都非常低,所以天然纤维复合耐火材料有其它复合材料无法比拟的价格优势。而且,天然纤维复合耐火材料的强度还高于玻璃纤维复合耐火材料,采用天然纤维复合耐火材料代替玻璃纤维复合耐火材料制造汽车零部件可以实现5%~15%的轻量化。

什么是LFT

  现在,在线生产的天然纤维复合耐火材料和产品已经开发出来,因为采用的是直接挤出注塑成型的工艺,因此复合材料只经历了一次加热过程,这可以减少天然纤维这类热敏感材料发生热降解。通过在线生产,采用挤出模压或挤出注塑工艺生产汽车外装饰件(包括发动机罩、扰流板和挡泥板等)。

LFT是一个广义的塑料专用词汇,在汽车复合材料工业中有一个非正式但却约定俗成的定义,即指长度超过10mm的增强纤维和热塑性聚合物进行混合并生产而成的制品。例如:GMT(Glass-MatReinforceThermoplastic)、LFT-G(Long-FiberReinforceThermoplasticGranules)、LFT-D(Long-FiberReinforceThermoplasticDirect)等皆属于LFT范畴,具有低密度、高比强度、高比模量和抗冲击性强等特性。

  总之,天然纤维增强复合耐火材料是一种极有发展前途的环保材料。据专家评估,5年后其应用将超过玻璃纤维。

LFT材料的机械特性与增强纤维的材性和所占比例有关。汽车用LFT增强纤维通常为玻璃纤维,理论上这种玻璃纤维在制品中的比例可以达到10%~80%,而实际上常用玻璃纤维的比例通常为20%~40%。此外,LFT的机械特性还与增强纤维的长度有着密切的关系。与相类似的短纤维(纤维长度约小于1mm)增强注塑成型热塑性复合材料相比,LFT材料无论在强度、抗撞击性能、能量的吸收率等方面都得到了很大提高。因此,这些特性也为LFT在要求更为严格的汽车内外部的结构件和半结构件上的应用创造了条件,成为受汽车行业青睐的主要原因之一。

  

LFT的几种主要材料

近些年来,LFT材料的性能和成型加工工艺都有了很多新的进展:应用较为普及的材料大致可以归纳为三大类――GMT、LFT-G和LFT-D;较为成熟的成型技术有压塑成型和注塑成型,其中GMT材料为压塑成型,而LFT-G和LFT-D既可以压塑成型,也可以注塑成型,这需要根据制品的具体技术要求、成本、产量规模等因素进行选择。

在20世纪70年代,GMT首先在欧洲得到广泛应用,而进入80年代后期,GMT片材及其制品已成为国际上极为活跃的复合材料制品之一。GMT片材是指以连续玻璃纤维毡或短切玻纤毡和热塑性树脂复合而成的一种片状模塑料,通常是两层玻璃纤维毡复合三层热塑性树脂薄膜层。采用不同类型的玻璃纤维毡和不同品种的热塑性树脂做基体,就可以得到多种多样的GMT材料。

GMT复合材料制品的生产需要两个成熟的加工技术:片材的成型和制品的压塑成型。制品的压塑成型需要通过片材的再次裁割、预热、模压、脱模一系列工艺过程才能完成加工。

GMT产品具有很多优异的性能,如耐化学性好,强度/重量比大,在高、低温环境中的抗冲击性能优良等。GMT的最大单项用途是汽车前端模块框架,其次为座椅骨架、吸能内保险杠等。图1为RANGER公司新开发的用GMT生产的2005蓝旗亚Y-Epsilon车门中间板骨架。

LFT-G是短玻纤热塑性颗粒材料技术创新的成果。早期的FRTP粒料长度虽然可达5~6mm,但经过混炼、切粒、塑化、注塑等工艺流程后,在制品中纤维的最终长度往往小于1mm,仅能作为填充剂增加制品的刚性,而对拉伸强度、抗冲击性能的提高十分有限。因此,在当时FRTP并非主流的复合材料。

为充分发挥注塑成型生产效率高、成本低的优势,努力将断纤程度降至最低,20世纪80年代初LFT-G诞生。LFT-G制品生产的工艺与GMT相似,也需要两个成熟的工艺,即长颗粒的成型和制品的注塑成型或压塑成型。

LFT-G粒料的直径大约为3mm,长度有12mm和25mm两种,其中12mm左右长度的粒料主要用于注塑成型,而25mm左右长度的粒料主要用于压塑成型。在LFT-G粒料注塑成型过程中,尽管注塑成型机经过很多改良,但限于注塑工艺原因,在最后的制成品中纤维只能达到3.2~6.4mm。虽然这个长度比FRTP注塑成型的纤维长,产品的抗冲击性能也明显提高,但是比LFT-D注塑或者压塑成型的纤维要短,强度和抗冲击性也比LFT-D差。图2为用LFT-G生产的2004起亚
Cerato混合结构前端框架。

LFT-D是长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺技术,它区别于GMT和LFT-G的关键因素是半成品步骤被省去了,在材料的选择上也更加灵活。在LFT-D技术中,不仅纤维的含量和长度,而且连其基体聚合物也可以直接调整到最终部件的要求。通过添加剂的用量多少可以改变和影响制品的机械性能和特殊应用材料的特性,如热稳定性、着色性、紫外稳定性以及纤维与基体的粘结特性等,这也意味着每一种特殊应用都可以通过LFT-D获得其独特的材料配方。

LFT-D典型的工艺是聚合物基体颗粒和添加剂被输送到重量分析给料单元组合中,该单元根据部件的机械性能要求确保适度的混合。经混合后的原料进入双螺杆挤塑机塑化,其熔融化合物通过一个薄膜模头形成类似瀑布的聚合物薄膜,直接进入双螺杆混炼挤塑机的开口处。而玻璃纤维粗纱则通过特别设计的粗纱架,经过预热、分散等程序被引入到聚合物薄膜的顶端,与薄膜汇合一同进入到双螺杆挤塑机中,由螺杆切割粗纱,并把它们柔和地混合到预熔的聚合物当中,然后直接送入压制模具中成型。

LFT-D的优点主要体现在两方面:一是降低了成本。由于是一步法生产,LFT-D生产的大型结构件比二步法生产的GMT或LFT-G压制件的成本低20%~50%;二是制品综合性能优异。

LFT-D压制成型制品的抗冲击性能比GMT略低,但由于比LFT-G成型后的纤维长很多,因此其抗冲击性能明显高于LFT-G。另外,据大量的研究表明,LFT-D注塑的生产率比标准的LFT-G粒料高,因为LFT-D低的塑化要求改善了纤维发生断纤的状况。对于成型周期超过1min的部件用LFT-D注塑设备在30s内就能完成。图4为使用
LFT-D生产的2003 大众 Golf V前端框架。

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