新材料与工艺手册

长纤维增强热塑性塑料 汽车轻量化的未来

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发表于 2012-11-19 00:00:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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。
        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
        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。
        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。
        什么是LFT
        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(一般是玻璃纤维)和热塑性聚合物(一般是聚丙烯)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。
        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%(指重量比),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。
        1、GMT
        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(大多是PP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(预浸渍)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。
       

长纤维增强热塑性塑料 汽车轻量化的未来

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        图1 RANGER公司新开发的用GMT材料生产的2005蓝旗亚Y-Epsilon门中间板骨架
        2、LFT-G
        LFT-G是短玻纤热塑性颗粒材料(FRTP)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。
       

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        图2 用LFT-G材料生产的2004起亚 Cerato混合结构前端框架
        3、LFT-D
        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(见图3)。
        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。
       

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        图3 LFT-D的生产工艺
        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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        图4 用LFT-D生产的2003 大众 Golf V前端框架
        LFT的特点
        LFT除了具有热塑性塑料的特点之外,还由于混配了长玻纤,使其产生了更为优良的机械物理性能和力学性能。其特点如下:
        1、密度小、强度高。LFT的密度为1.1~1.6g/cm3,仅为钢材的1/5~1/7,比SMC轻1/4~1/3,它能够以较小的单位质量获得较高的机械强度。
        2、可设计性的自由度大。LFT的物理、化学和力学性能都可以通过合理选择原材料的种类、配比、加工方法、纤维含量来进行设计。由于热塑性复合材料的基体材料种类比热固性复合材料多很多,因此,其选材设计的自由度也就更大。
        3、热性能提高。一般塑料的使用温度为50~100℃,用玻璃纤维增强后,可提高到100℃以上,一些特殊的LFT使用温度甚至可提高到200℃以上;线膨胀系数比未增强的塑料低1/4~1/2;成型收缩率小,仅为0.2%,提高了制品的尺寸精度;导热系数为0.3~0.36W(m2?K),与热固性复合材料相近。
        4、耐化学腐蚀性。该特性主要由基体材料的性能决定,热塑性树脂的种类很多,每种树脂都有自己的防腐特点,因此,可以根据LFT的使用环境和介质条件,对基体树脂进行优选。
        5、良好的介电性能。 LFT不反射无线电波,透过微波性能良好。在LFT中加入导电材料可改善其导电性能,防止产生静电。
        6、废料能循环利用。LFT可重复加工成型,废品和边角余料能循环利用,不会造成环境污染。
        7、较强的柔韧性、抗冲击性能,良好的抗破坏能力和阻尼性能。
        LFT在欧美及中国汽车市场的应用
        现代汽车工业向着以减轻车身自重为主的节能降耗方向发展。当前,国际上已把塑料的用量作为衡量一个国家汽车工业水平的重要标志之一。轻质高强的 LFT材料也已从小批量的、少数的汽车零部件的生产扩展到大批量的、广泛的汽车零部件生产,逐步成为制作汽车零部件的主流材料,尤其是在那些机械强度要求高的领域,如前端框架、吸能防撞保险杠、座椅骨架、车身底护板等。
        据统计,汽车行业的LFT消耗量约占世界LFT行业总消耗量的80%。而在汽车行业中,欧美LFT消耗量大约占95%,其中欧洲占80%,美国占15%,如图5所示。
       

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        图5 2003年LFT在欧洲的总消耗量以及在各种汽车零部件中的应用比例
        LFT材料在中国的研发始于20世纪80年代未、90年代初,应该说和欧美相比在时间上相差不多,但是产业化进程和应用开发相对滞后。目前,中国己形成具有自主知识产权的GMT、LFT-G和LFT-D产品,并形成了一定的生产能力,但在产品质量和品种门类上与世界先进水平还有相当大的距离。在己知的国产汽车中,LFT零件原材料90%以上都从欧美、韩国引进,而且其应用主要集中在从欧美、韩国引进的车型中。
        巨大的市场前景
        可以说,LFT是汽车复合材料工业中的希望之星。美国Principia咨询公司的市场报告显示(见表),2004年全球LFT市场需求量约为 1.08亿kg(2.39亿磅),销售额为4.5亿美元。LFT完全可以替代汽车业、工业以及园林草坪业中的压铸件、钢质冲压金属件以及短玻纤增强热塑性复合材料件,但是目前汽车行业仍然是LFT主要的应用领域。汽车中应用LFT的零部件主要包括:前端模块框架、车身底护板、仪表台骨架、蓄电池托架、备胎仓、外罩、抗冲构件及其他。总体上看,2004~2009年LFT的市场预计增长率平均可达18%,其中亚洲的增长率最为强劲,约为25%;西欧和北美洲的增长率预计分别可达17%和12%。
       

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        表 2004~2009年LFT产量和增长率
        另据专家统计,目前在全世界LFT的销售总额中,GMT约占52%,LFT-G约占32%,而LFT-D仅占16%。随着新材料、新工艺、新技术的不断普及和推广,专家预测除GMT以外,LFT的销售量每年将增长30%,其中LFT-D的增长速度会更快。
        2006年,中国的汽车产销已突破700万辆,超过德国成为世界第三大汽车生产国。从汽车行业的LFT消耗量约占世界LFT行业总消耗量的80%这一统计数字来看,中国LFT材料大有市场。
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