Полимеры, армированные длинными волокнами (LFRP) – принципы и лучшие практики.

В данной статье представлены основные принципы и передовые методы обработки полимеров, армированных длинными волокнами (LFRP), включая практические советы по сохранению длины волокон и максимизации эксплуатационных характеристик в сложных условиях эксплуатации.

Обзор армирования волокнами

Добавление волокон — стекловолоконных или углеродных, длинных или коротких — улучшает механические и структурные характеристики термопластов. Основное различие между короткими и длинными волокнами заключается в степени их обработки:

• Короткие волокна: Их проще обрабатывать, но они обладают более низким соотношением прочности к весу.
• Длинные волокна: Требуют бережного обращения, но значительно улучшают прочность, ударную вязкость, сопротивление усталости и стабильность размеров.

Сохраняйте длину волос, но не ждите совершенства.

Длина волокон имеет решающее значение для оптимизации характеристик композитных материалов. Разрыв волокон снижает прочность и ударную вязкость, потенциально сводя на нет преимущества длинных волокон. Причины разрыва волокон включают:

• Неправильное обращение
• Некачественно спроектированные инструменты или пресс-формы
• Неоптимизированное технологическое оборудование и условия

длинноволокнистые материалы Обычно их производят методом пултрузии:

• Непрерывные волоконные ровинги протягиваются через пропиточную фильеру.
• Смола полностью покрывает волокна и прочно с ними связывается.
• Волокна измельчаются в гранулы (~12 мм) с однонаправленным армированием.

Слева: короткие волокна после удаления смолы | В центре: деталь, изготовленная методом литья под давлением | Справа: структура из длинных волокон

Преимущества композитов, армированных длинными волокнами

• Более высокое соотношение прочности к весу
• Повышенная ударопрочность
• Более длительный срок службы при усталостных нагрузках
• Более высокая термическая стабильность
• Превосходная стабильность размеров

Композиты из углеродного волокна могут заменить металлы:

• На 70% легче стали
• На 40% легче алюминия

Распространенные базовые смолы: PA/нейлон, PP, ETPU, PEEK, PPA, PEI

Содержание клетчатки: До 70% для стекла, 60% для углеродного волокна (PP, PA, TPU)

Полукристаллические смолы лучше подходят для армирования волокон, чем аморфные смолы.

Основные моменты, которые следует учитывать при обработке LFRP.

1. Материал и конструкция пресс-формы

• Для изготовления пресс-форм подходят стандартные стали (P20); для большей прочности используйте сталь H13 или A9.
• Избегайте использования затворов малого диаметра, чтобы уменьшить сдвиг волокон. Рекомендуются широкие веерообразные или полностью круглые затворы.
• Избегайте острых углов в канавках; более крупные вентиляционные отверстия допустимы.

2. Формовочное оборудование

• Стандартные литьевые машины могут обрабатывать LFRP с небольшими доработками.
• Рекомендуется использовать шнек низкого давления/общего назначения, сопло диаметром не менее 5,6 мм, избегать конических/нейлоновых сопел.
• Заполняйте емкость для дроби лишь на 60–70%, чтобы предотвратить чрезмерное сдвиговое воздействие или увеличение времени пребывания дроби в растворе.

3. Условия обработки

• Искажение и ползучесть: Длинные волокна уменьшают деформацию и ползучесть по сравнению с короткими волокнами. Оптимизируйте расположение литниковых каналов и конструкцию детали, чтобы минимизировать искажения.
• Сушка: Используйте осушитель воздуха при температуре точки росы –40 °C.
• Кормление: Пневматическая транспортировка с фильтрами; избегать резких поворотов.
• Формование: Сведите к минимуму сдвиг шнека и обратное давление; избегайте измельченного вторичного сырья.
• Скорость и давление впрыска: Низкая скорость (25,4–50,8 мм/с) необходима для обработки материалов с высоким содержанием волокон; регулируйте скорость в пределах рекомендованных поставщиком диапазонов.

Рекомендации по проектированию деталей

• Способствовать выравниванию волокон вдоль направления потока.
• Равномерная толщина стенки: мин. 1,524 мм, оптимальная 3,175 мм, >5,08 мм уменьшает выравнивание.
• Избегайте длинных плоских участков без ребер.
• Размещайте сварочные швы стратегически; волокна должны укреплять сварочные швы.

Сохранение преимуществ длинных волокон

Скорректируйте стандартные рекомендации по обработке смолы/коротковолоконного материала. Неправильная обработка, конструкция пресс-формы или настройка оборудования могут снизить или свести на нет преимущества высокой прочности и ударной вязкости. Следование передовым методам оправдывает более высокую стоимость материалов с длинными волокнами и гарантирует их производительность.