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短玻纖增強(qiáng)聚丙烯(SGFPP) 是以聚丙烯(PP) 為基體、玻纖為分散質(zhì)組合而成的復(fù)合材料。SGFPP具有質(zhì)輕、模量高、抗疲勞、耐腐蝕、電磁和電絕緣性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，正逐步代替金屬材料，并在汽車制造業(yè)、電子產(chǎn)品、日常生活用品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

近年來電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展，在汽車輕量化趨勢(shì)下行業(yè)對(duì)SGFPP性能的要求越來越高。其中，纖維長(zhǎng)度是決定纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能最主要的因素之一。本文重點(diǎn)從擠出加工工藝參數(shù)和混煉螺桿構(gòu)型方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究擠出工藝對(duì)玻纖保留長(zhǎng)度的影響。

擠出溫度對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長(zhǎng)度及拉伸強(qiáng)度的影響

在制備SGFPP復(fù)合材料時(shí)通常采用常規(guī)捏合塊 (KB) 螺桿構(gòu)型進(jìn)行擠出加工，加工過程中擠出溫度是非常重要的工藝參數(shù)，不同擠出溫度對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長(zhǎng)度和拉伸強(qiáng)度的影響見圖1。

從圖1可以看出: 在常規(guī)KB螺桿構(gòu)型及螺桿轉(zhuǎn)速500 r/min條件下，隨著擠出溫度的提升，復(fù)合材料的玻纖保留長(zhǎng)度逐漸從496μm增大至547μm; 材料的拉伸性能略微提升(4MPa內(nèi)) 。

分析其原因，因?yàn)殡S著擠出溫度的提高，熔體溫度提高，體系的黏度降低，玻纖受到的剪切力相對(duì)較小，使玻纖保留長(zhǎng)度隨熔體溫度升高而增加，從而使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高

螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長(zhǎng)度及拉伸強(qiáng)度的影響

在同一螺桿構(gòu)型擠出過程中，螺桿轉(zhuǎn)速的變化直接導(dǎo)致加工過程中物料受到的剪切速率相應(yīng)發(fā)生變化。研究了不同螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長(zhǎng)度和拉伸強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出：在常規(guī) KB 螺桿構(gòu)型條件下，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料中的玻纖保留長(zhǎng)度從633μm逐漸降低至482μm(降幅為23.8%) ，但材料的拉伸性能基本沒有受到影響。這主要是由于隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，螺桿對(duì)玻纖剪切作用加強(qiáng)，從而使玻纖保留長(zhǎng)度下降。

螺桿構(gòu)型對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長(zhǎng)度及拉伸強(qiáng)度的影響

根據(jù)玻纖增強(qiáng)改性的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的螺桿構(gòu)型包括加料段、熔融段、玻纖加入段、混合段、排氣段和計(jì)量段等功能段。結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備情況，針對(duì)玻纖加入后的混合段設(shè)計(jì)了6種不同的螺桿組合，分別為常規(guī)KB、三頭、ZME1、ZME2、SFV、SME螺桿構(gòu)型，具體組合形式見圖3。圖4、圖5是6種螺桿構(gòu)型在同一擠出溫度和螺桿轉(zhuǎn)速工藝條件下對(duì)復(fù)合材料玻纖保留長(zhǎng)度和拉伸強(qiáng)度的影響結(jié)果。

從圖4可以看出：在不同的螺桿構(gòu)型中(擠出溫度為230℃) ，材料的玻纖保留長(zhǎng)度差異較大。

隨著螺桿對(duì)玻纖剪切強(qiáng)度的提高，對(duì)玻纖的分布混合作用增強(qiáng)，玻纖在混煉流場(chǎng)中的流動(dòng)更加絮亂，玻纖和螺桿、玻纖之間的相互作用頻率提高，加劇了玻纖的斷裂，從而導(dǎo)致ZME1螺桿構(gòu)型的玻纖保留長(zhǎng)度最短，SFV和SME螺桿構(gòu)型的玻纖保留長(zhǎng)度最長(zhǎng)(935μm) 。從圖5可以看出：不同的螺桿構(gòu)型對(duì)材料的拉伸性能影響較小。雖然SFV螺桿構(gòu)型的玻纖保留長(zhǎng)度雖最長(zhǎng)，但是其力學(xué)性能最低，主要是玻纖分散情況差導(dǎo)致。

玻纖在機(jī)筒不同區(qū)段玻纖保留長(zhǎng)度分布情況

圖6為加工SGFPP復(fù)合材料常規(guī)KB螺桿構(gòu)型擠出機(jī)不同區(qū)段玻纖取樣點(diǎn)示意圖，其中取樣點(diǎn)1為玻纖入口處，取樣點(diǎn)2為距離玻纖入口4D(D為螺桿直徑) 處，取樣點(diǎn)3為距離玻纖入口8D 處，取樣點(diǎn)4為距離玻纖入口16D處，取樣點(diǎn)5為螺桿5頭部位置。玻纖在擠出機(jī)筒的不同區(qū)段至注塑樣條后玻纖保留長(zhǎng)度的分布情況見表1。

從表1可以看出：在常規(guī)KB螺桿構(gòu)型條件下，玻纖在擠出機(jī)內(nèi)部不同區(qū)段處的損失情況差異很大。玻纖加入到螺桿中被剪斷，經(jīng)過第一組混合剪切元件(取樣點(diǎn)2處) 后長(zhǎng)度明顯降低，玻纖保留長(zhǎng)度下降幅度高達(dá)33%；在經(jīng)過第二組、第三組混合剪切元件(分別為取樣點(diǎn)3、取樣點(diǎn)4處) 后玻纖保留長(zhǎng)度又會(huì)有一個(gè)明顯的下降，玻纖保留長(zhǎng)度下降幅度為20%和24%，下降幅度小于經(jīng)過第一組時(shí)的下降幅度。

物料在經(jīng)過螺桿頭部后，玻纖保留長(zhǎng)度又會(huì)有一定程度的下降，下降幅度為9% 。而物料在注塑過程中，玻纖保留長(zhǎng)度降低較少，玻纖保留長(zhǎng)度下降幅度僅為1% 。以上數(shù)據(jù)可以直觀地反映出玻纖保留長(zhǎng)度在螺桿軸向擠出方向上的變化規(guī)律，因此在螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì)中科學(xué)運(yùn)用混合剪切元件，可以更加精準(zhǔn)地控制復(fù)合材料中玻纖保留長(zhǎng)度。

結(jié) 論

(1) 隨著擠出溫度的升高，復(fù)合材料的玻纖保留長(zhǎng)度逐漸增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也逐漸增加。 

(2) 隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料中的玻纖保留長(zhǎng)度逐漸降低，但對(duì)材料的拉伸強(qiáng)度影響不明顯。 

(3) 不同螺桿構(gòu)型對(duì)復(fù)合材料的玻纖保留長(zhǎng)度影響較大，ZME螺桿構(gòu)型的玻纖保留長(zhǎng)度最短，SFV和SME螺桿構(gòu)型的玻纖保留長(zhǎng)度最長(zhǎng)。

(4) 玻纖保留長(zhǎng)度在螺桿軸向擠出方向上的變化規(guī)律為，玻纖進(jìn)入螺筒后玻纖保留長(zhǎng)度不斷降低，尤其在混合剪切元件處玻纖保留長(zhǎng)度減小幅度最大，從玻纖進(jìn)入螺筒至擠出機(jī)頭，復(fù)合材料的玻纖保留長(zhǎng)度僅剩14% 。