一、设备注意事项
经常被问到的一个有关LFRT加工的问题是:我们是否有可能利用现有的注塑设备来成型这些材料。在绝大多数的情况下,用于成型短纤维复合物的设备也可用于成型LFRT。虽然典型的短纤维成型设备对于大多数的LFRT部件和产品是满足要求的,但对设备做一些改造可以更好帮助保持纤维的长度。
一根具有典型“进料—压缩—计量”段的通用螺杆非常适用于该过程,而且通过降低计量段的压缩比可以减少纤维破坏性的剪切。大约为2:1的计量段压缩比对于LFRT产品是最佳的。用特殊金属合金制造螺杆、机筒和其他部件没有必要,因为LFRT的磨损没有传统的短切玻璃纤维增强热塑性塑料大。
另一件可能从设计审查中受益的设备是喷嘴尖梢。一些热塑性材料用一种反向锥形喷嘴尖梢加工更容易,它可以在材料注入到模具型腔中时形成一种高度剪切。然而这种喷嘴尖梢会显著降低长纤维复合材料的纤维长度。因此推荐使用一种100%“自由流动”设计的槽形喷嘴尖梢/阀组件,它使长纤维容易通过喷嘴进入部件中。
此外,喷嘴和浇口孔的直径应该有5.5mm(0.250in)或以上的宽松尺寸,并且没有锋利的边缘。重要的是要了解物料如何流过注塑设备,并确定剪切会使纤维破碎的地方。
采用“100%自由流动”设计的三件式螺杆尖梢和环形阀,可最大限度地减少长纤维的断裂
二、部件与模具设计
好的部件和模具设计对保持LFRT的纤维长度也大有裨益。消除部分边缘(包括肋线、凸台和其他特征)周围的尖角,可避免成型部件中不必要的应力,并减少纤维磨损。
部件应采用壁厚均匀一致的标称壁设计。壁厚上较大的变化会导致部件中不一致的填充和不需要的纤维取向。在必须较厚或较薄的地方,要避免壁厚的突然变化,以避免形成可能损坏纤维的高剪切区域,并成为应力集中的源头。通常试着把浇口开在较厚的壁中,并流向薄的部分,使填充末端保持在薄的部分。
通用的好的塑料设计原则建议,保持壁厚低于4mm(0.160in)将促进良好均匀的流动并减少凹陷和空隙的可能性。对于LFRT复合物,最佳的壁厚通常为3mm(0.120in)左右,最小的厚度为2mm(0.080in)。壁厚小于2mm时,材料在进入模具后其纤维断裂的概率增加。
部件只是设计中的一个方面,考虑材料如何进入模具也很重要。当流道和浇口引导物料进入型腔时,如果没有正确的设计,大量的纤维破坏会发生在这些区域中。
当设计一个成型LFRT复合物的模具时,全圆角的流道是最佳的,它的最小直径为5.5mm(0.250in)。除了全圆角流道,任何其他形式的流道都会有尖角,它们在成型过程中会增加应力而破坏玻璃纤维的增强效果。具有开放浇道的热流道系统是可以接受的。
浇口的最小厚度应该有2mm(0.080in)。如果可能的话,沿着一条不阻碍物料流入型腔的边缘定位浇口。部件表面的浇口将需要进行90°的转动,以防止引发纤维断裂而降低机械性能。
最后,要注意的熔合线的位置,并知道它们如何影响部件使用时承受载荷(或应力)的区域。应通过浇口的合理布局将熔合线移至应力水平预计较低的区域。
计算机充模分析可以帮助确定这些熔合线将定位的地方。结构有限元分析(FEA)可以用来对比高应力的位置和在充模分析中确定的汇合线位置。
应该指出的是,这些部件和模具设计仅仅是建议。有很多部件的例子,它们具有薄壁、壁厚变化和精致或精细特征,利用LFRT复合物实现了良好的性能。然而,偏离这些建议越远,就要花更多的时间和精力来确保实现长纤维技术的全部好处。
三、加工条件
加工条件是LFRT成功的关键。只要采用了正确的加工条件,就有可能使用通用注塑机和正确设计的模具制备好的LFRT部件。换句话说,即使有适当的设备和模具设计,如果采用较差的加工条件,纤维长度也可能会受损。这就需要了解纤维在成型过程时将会遇到的情况,并且确定会引起纤维过度剪切的区域。
首先,要监控背压。高背压引入对物料产生的巨大剪切力,将会降低纤维长度。考虑从零背压开始并且仅使它增加至使螺杆在喂料过程中均匀退回,采用1.5~2.5bar(20~50psi)的背压通常足以获得一致的喂料。
高的螺杆转速也有不利的影响。螺杆旋转越快,固体和未熔材料就越可能进入螺杆压缩段造成纤维损伤。类似于针对背压的建议,应尽量保持转速在稳定填充螺杆所要求的最低水平。在成型LFRT复合物时,30~70r/min的螺杆速度是常见的。
在注射成型过程中,熔融通过两个共同作用的因素发生:剪切和热。因为目的是在LFRT中通过减少剪切来保护纤维的长度,因此将需要更多的热量。根据树脂体系,加工LFRT复合物的温度通常会比常规的成型复合物高10~30℃。
然而,在简单地全面提高机筒温度之前,要注意机筒温度分布的反置。通常情况下,当物料从料斗移动到喷嘴时,机筒温度上升;但对于LFRT,推荐在料斗处的温度更高。反置温度分布会使LFRT粒料在进入高剪切螺杆压缩段之前软化和熔化,从而有利于纤维长度的保持。
有关加工的最后一项注意涉及回用料的利用。研磨成型部件或水口通常会导致更低的纤维长度,因此,回用料的添加会影响整体的纤维长度。为了不明显降低力学性能,建议回用料的最大用量是5%。更高的回用料用量会对冲击强度等力学性能产生负面影响。