热塑性长纤复材的介绍与量测

■科盛科技

热塑性长纤复材的简介

近年来，轻量化技术以其高效性受到了人们关注，复合材料目前被广泛运用于现今大部分的产业上，其中与环保议题并进的汽车轻量化在近年来发展非常迅速。汽车轻量化有助于提高汽车能源效益达节能减排之功效。电动汽车因大型电池以及气体钢瓶重量影响，相较于传统汽车更重视轻量化的议题，因此使用高分子复合材料的比例不断提高，藉由此契机，提供了复合材料应用于汽车领域的发展契机。

热塑性复合材料常使用玻璃纤维作为树脂的增强成分，藉此提高成型制品的机械性能或耐热性。热塑性长纤复材（Long Fiber Reinforced Thermoplastics，以下将简称为LFRT或LFT）是近几年来发展迅速的一类高性能复合材料，是将纤维（长度一般为10~15mm以上）与热塑性树脂基材经特殊的制程及设备造粒生产出的制品。

LFT基本组成即为热塑性基材与增强纤维两大成分，热塑性基材种类一般以PP与PA为主，此外如有特别用途，也有使用PET、PBT或PPS等塑料种类。而在纤维的部分大多则使用玻璃纤维。

因LFT纤维长度相较于短纤复材而言于制程中较能保有更足够的长度，使纤维之间有足够的长度能交互搭接，形成立体3D网状结构，于基体树脂内作为增强骨架。因此使此材料具备了高耐冲击、收缩率低、高刚性、高尺寸稳定性、耐高温、抗蠕变性与抗疲惫性等许多优点。除此之外，LFT于生产成本上因工法较不复杂，相较于GMT而言成本更低廉；在加工方面可使用射出成型快速加工，更易贴合现行市场产品制作的方式。

图1：(a)LFT板材示意图；

 

图1：(b)LFT板材纤维特写

LFT的量测

复合材料因材料制作过程繁杂，基材与加工类型非常多，不论是制作过程还是材料的选用皆会直接影响到成品性能。LFT的功能性于射出成型中最关键的问题为长纤维断裂问题，而纤维长度与其机械表现成正比关系，这将显著的降低产品的机械强度。因此，找到适合的加工条件会是一大重点。如欲优化加工条件的设定，则需要先掌握材料的特性。

在Moldex3D中的计算中，LFT在射出成型中，因纤维长度、纤维比例与基材之间的交互影响，于充填阶段黏度特性是重要的观察指标，而在保压与冷却阶段黏弹特性则是预测产品收缩重要的性质。

图2(a)为Göttfert的毛细管流变仪(Capillary Rheometer)，是目前发展最成熟且应用最广的流变测量仪器之一，可用来量测巨观下之黏度特性，用以模拟材料于加工中的流动行为。而图2(b)Anton paar所生产之旋转流变仪，于装置上旋转夹具时可以进行动态黏弹性(Viscoelasticity)测量，利用旋转流变仪进行动态频率振荡(Oscillation)实验，得到一般旋转流变仪于稳态(Rotation)实验中无法获取储存模数(Storage modulus, G’)与损失模数(Loss modulus, G”)。储存模数(G’)与损失模数(G”)分别代表着高分子的弹性与黏性。

   

图2：(a) Göttfert毛细管流变仪 

图2：(b) Anton paar旋转流变仪

LFT的量测结果

图3为毛细管流变仪实验所得的剪切黏度，可藉由实验数据进行数学模型拟合，取得黏度、温度与剪切速率的相依性，进而分析出LFT的流动特性。

图4则是旋转流变仪的黏弹特性实验结果，藉由时间-温度迭加原理（Time-Temperature Superposition，简称TTS）处理实验数据，并将实验结果结合数学模型拟合成一条主曲线(master curve)，可从曲线内观察到温度、模数与角频率的关联性，并利用黏弹特性延伸至降温时产品的收缩与翘曲。

图3：LFT的剪切黏度

图4：LFT的黏弹特性

结语

在LFT的加工制程上，能掌握材料的特性可有效的提升良率与更有系统化的调整制程参数。科盛科技材料量测实验室因应近年轻量化对于复材的需求，致力于优化复合材料的量测。量测数据转换成材料特性参数，并结合Moldex3D进行数值分析，可使客户更快速且系统性的找出符合材料的加工参数，以较低的成本花费制作出所需的产品。

文章摘录自ACMT SMARTMOLDING2023/9月刊

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