Table of Contents
Что такое термопластик, армированный длинными волокнами?
В последние годы наблюдается бурное развитие армированных волокнами термопластичных композитов на основе термопластичных смол. Чистые термопластичные материалы обычно не обладают достаточной прочностью и жесткостью для удовлетворения требований сложных приложений, что делает их склонными к разрушению или разрушению при ударных нагрузках, ограничивая их пригодность для приложений, требующих прочности и долговечности. Коротковолокнистый армированный термопластик (SFRT) обеспечивает решение этих проблем путем введения коротких волокон в термопластичную матрицу.
Волокна действуют как армирующие материалы, обеспечивая композитному материалу дополнительную прочность, жесткость и ударопрочность. Впоследствии для дальнейшего улучшения механических характеристик, таких как прочность, жесткость и ударопрочность, в термопластичную матрицу вводятся длинные волокна, поскольку короткие волокна, диспергированные в матрице, не могут обеспечить такое же усиление, как непрерывные длинные волокна. Разработка термопластичных материалов, армированных длинными волокнами (LFRT или LFT), позволяет преодолеть ограничения традиционных термопластичных материалов, армированных короткими волокнами.
Основные различия между длинными и короткими волокнами заключаются в их размере и ориентации. Длинные волокна обычно достигают миллиметрового уровня, они относительно длинные и расположены более упорядоченно, что эффективно повышает прочность и жесткость материала. Короткие волокна, с другой стороны, обычно находятся на микронном уровне, имеют относительно небольшую длину и более беспорядочное распределение.
Первоначально исследователи и инженеры начали экспериментировать с включением непрерывных волокон, таких как стекло или углерод, в термопластичные матрицы для улучшения механических свойств материалов. С конца 20-го по 21-й век, благодаря достижениям в области армирования волокон, рецептур смол, производственных процессов и областей применения, технология LFRT продолжала развиваться. Сегодня LFRT широко используется в различных отраслях промышленности благодаря своим превосходным механическим свойствам, легкости и экономичности по сравнению с традиционными материалами.
Имплантация относительно длинных волокон в матрицу повышает прочность, жесткость и несущую способность материала, делая его более долговечным и надежным. Ориентация длинных волокон также может определять характеристики материала. Например, расположение волокон перпендикулярно направлению действия силы может увеличить жесткость на изгиб, а параллельное расположение — прочность и жесткость на растяжение.
Области применения LFRT
LFRT широко используется в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная и строительная, благодаря своим улучшенным механическим свойствам, легкости и гибкости конструкции.
Например:
1.материалы LFRT используются в автомобильных конструкциях сидений и панелей кузова, обеспечивая высокое соотношение прочности и веса и ударопрочность.
2.Материалы LFRT используются в аэрокосмической отрасли для изготовления легких структурных компонентов, внутренних панелей и интерьеров самолетов. Они отвечают строгим требованиям аэрокосмической отрасли, снижая общий вес и повышая топливную эффективность.
Производственные проблемы
Неравномерная дисперсия длинных волокон в термопластичной матрице может привести к слабости или нестабильности механических свойств на отдельных участках.
В процессе обработки длинные волокна могут ломаться или повреждаться, что снижает их армирующий эффект и ухудшает общие характеристики композитных материалов.
Высокая температура обработки, необходимая для расплавления термопластичных смол, может привести к термической деградации, влияющей на характеристики материала и создающей проблемы при обработке.
Недостаточное смачивание волокон термопластичной матрицей может привести к плохому межфазному соединению и снижению прочности композита.
Повышение производительности ЛФРТ с помощью двухшнековых экструдеров
Двухшнековые экструдеры позволяют точно контролировать такие параметры обработки, как температура, скорость вращения шнека и время выдержки, что обеспечивает гибкость при разработке рецептуры материала.
Благодаря отличной способности к перемешиванию двухшнековые экструдеры обеспечивают равномерную дисперсию длинных волокон в термопластичной матрице. Это приводит к улучшению механических свойств и эксплуатационных характеристик материалов LFRT.
Сильное перемешивающее действие и передовая технология обработки в двухшнековых экструдерах способствуют лучшему смачиванию волокон термопластичной матрицей, улучшают дисперсию волокон, тем самым повышая межфазную адгезию и прочность композита.
Двухшнековые экструдеры могут непрерывно производить материалы LFRT, обеспечивая высокую производительность и стабильное качество продукции. Это делает их очень подходящими для крупномасштабных производственных операций.
Процесс производства термопластика, армированного длинными волокнами
К распространенным композитным материалам, армированным волокном, относятся композитные материалы, армированные стекловолокном (GFRP), композитные материалы, армированные углеродным волокном (CFRP), и композитные материалы, армированные арамидным волокном (AFRP).
Композитные материалы, армированные длинными волокнами, обычно получают путем разрезания непрерывных волокон, пропитанных смолой, на отрезки определенной длины. Распространенным методом обработки является процесс пултрузии, который включает в себя протягивание непрерывных ровингов, смешанных с термопластичной смолой, через специальные формовочные фильеры для получения непрерывных объемных нитей. В настоящее время термопластичные композиционные материалы PEEK, армированные длинными волокнами, могут достигать структурных свойств более 200 МПа с помощью FDM-печати, с модулем упругости более 20 ГПа, и будут лучше работать при литье под давлением.
Волокна в композитных материалах, армированных непрерывными волокнами, являются «непрерывными», их длина варьируется от метров до километров. Если взять в качестве примера GFRP, то длина стеклянных волокон превышает 3 мм, в то время как длина коммерческих LFRT обычно составляет 6-25 мм. Композитные материалы с непрерывными волокнами в основном представляют собой ламинаты, препреги или ткани, сформированные путем пропитки непрерывных волокон необходимой термопластичной матрицей.
Технологический процесс:
Кратко подразделяется на следующие этапы:
Подготовка материалов
Подготовка сырья, тщательный отбор частиц смолы и волокон в соответствии с характеристиками, требуемыми для конечного продукта LFRT.
Подготовка композита
Термопластичная смола смешивается в двухшнековом экструдере для получения однородного композита. Это очень важно для достижения требуемых механических свойств.
Пропитка
После полной пропитки непрерывных волокон расплавленной термопластичной смолой в пропиточной пресс-форме композит LFRT вытягивается в однородные и стабильные в поперечном сечении соединения в форме полос через формующую матрицу.
Охлаждение, резка
Затем, после охлаждения через систему охлаждения и резки, компаунд разрезается на однородные и одинаковые по длине гранулы. Наконец, формируются необходимые гранулы LFRT.
