生產高性能的混合長纖維熱塑性復材

美國長纖維復合商PlastiComp公司開發了一種混合長纖維復合材料生產線，將長玻璃纖維和長碳纖維結合在一個單一的成型復合顆粒中。實驗試驗表明，將這兩種纖維類型結合在一起，創造了獨特的性能協同效應，其性能大大超越了原纖維本身的類型。

纖維增強材料已經將熱塑性塑料的使用擴展到半結構應用領域中，其所具備的機械性能提供了替代傳統材料所需的性能。在這個舞臺上，玻璃纖維長期以來一直是增強材料的主要選擇，因為它顯著提高了聚合物的剛度和強度性能，并具有良好的經濟效益。最近，人們對碳纖維增強熱塑性塑料的越來越感興趣，這是源于其能夠提供更強勁的機械性能并有助于減輕重量;然而，實現這種性能是要付出代價的，因為碳纖維的價格高出了許多應用可承擔的范圍之外。

對于使用注塑加工技術生產的部件，長纖維增強熱塑性復合材料代表了可流動材料的機械性能的頂峰。在長纖維復合材料中，纖維增強的12毫米長的細絲提供了三重性能，這是使用其它類型的顆粒介質作為增強塑料的方法所無法獲得的。

首先，與其他增強材料一樣，塑料化合物的模量與長纖維的含量是成比例地增加的，因為較硬的纖維添加劑將該特征引入了與其混合的基質聚合物。其次，由于較長的纖維段具有較高的縱橫比，與聚合物接觸的表面積越多，強度就越高。增加的長度有助于更好地將應力從聚合物轉移到較強的纖維增強物，從而提高承載能力。最后，由于較長的纖維段相互纏繞以形成纖維的內部結構骨架，從而促進整個組件的沖擊力的消散，而不是局限于一個區域，從而實現耐久性的提高。硬質材料的高耐沖擊性，是選擇長纖維復合材料超過其他類型增強塑料的根本原因。

在具有結構性能要求的金屬替代應用中，長玻璃纖維增強熱塑性復合材料已成為首選材料。 事實上，長玻璃纖維增強聚丙烯已廣泛應用于汽車行業，它作為金屬部件的輕質替代品被廣為使用。長玻璃纖維復合材料的使用降低了車輛的成本和重量，其所節省的重量有助于提高燃油的經濟性并減少排放，從而滿足日益增長的監管目標。

碳纖維憑借其在航空航天和體育用品行業的廣泛應用贏得了“高科技”強化材料的聲譽，它以輕微的重量提供了類似金屬的性能。在減重是“圣杯”追求的行業中，碳纖維的成本越高，就越容易證明與其他增強塑料方法相比，它并不具有較高的性價比。

在一些領域中，使用了成本五倍甚至更多的增強材料，而機械性卻沒能得到相應明顯的提升，這是難以令人接受的。為了降低采用碳纖維的入門成本，美國長纖維復合商PlastiComp公司開發了一種混合長纖維復合材料生產線，將長玻璃纖維和長碳纖維結合在一個單一的成型復合顆粒中。

早期的實驗試驗表明，將這兩種纖維類型結合在一起，創造了獨特的性能協同效應，其性能大大超越了纖維本身的類型。包括長玻璃纖維增強材料提高了耐久性，超出了單獨使用長碳纖維可獲得的范圍。另外，添加長碳纖維增強材料可將剛度和強度提高到比長玻璃纖維所能達到的更高的值。最重要的是，含有較低水平的長碳纖維增強材料的混合材料將比全碳長纖維增強復合材料便宜得多(圖1)。

圖1：12 毫米長的混合長玻璃和碳纖維復合顆粒。

PlastiComp將連續的玻璃纖維和碳纖維細絲結合在一起，形成統一的復合顆粒，以簡化加工并提供更好的性能。雖然單獨的長玻璃纖維和長碳纖維復合材料顆粒可以以后混合在一起，但它們的密度差異可能導致原材料在處理期間發生分離，從而影響分散的均勻性。在注塑機上計量單獨的復合顆粒增加了一層復雜性，為了獲得均勻的混合物可能導致纖維長度受損，從而對復合材料的性能產生不利影響。

為了獲得最大的綜合性能，在加工長纖維材料時應最大限度地減少剪切，包括在螺桿注塑機的熔融階段、在流道的流動路徑和模具澆注系統中。不正確地加工長纖維復合材料，會產生較短的平均纖維長度，這將降低模制品的強度和耐久性。

具有玻璃和碳纖維增強材料的混合長纖維復合材料，可擴大產品設計師和材料工程師的長纖維材料的性能范圍，并提供大量的纖維增強組合，以平衡材料成本和性能要求。長纖維材料的功能不再像全玻璃或全碳纖維復合材料那樣進行選擇，而是變得真正可裁剪。

長纖維增強混合纖維是理想的材料，其性能要求超出了長玻璃纖維增強復合材料的應用范圍，可以利用高性能碳纖維提供的優點，但某些領域可能對高材料成本的價格更為敏感。通過比較它們的機械性能：40%長纖維混合聚酰胺6/6及相當于40%的全玻璃纖維和40% 全碳材料，可以很容易地解釋混合長玻璃和碳纖維復合材料，是如何彌補長玻璃纖維和長碳纖維產品之間存在的性能和價格差距。

20%長玻璃纖維和20% 長碳纖維組成的40%混合長纖維的彎曲模量為17,930MPa，比全碳長纖維變體低13%，比全玻璃纖維制品高86%。混合復合材料的拉伸強度值為248MPa，低于全碳材料的4%，比全玻璃纖維制品高24%。

由于混合復合材料含有全碳材料碳纖維的一半，所以其成本降低了30%，但是能夠提供高成本材料87%的剛度和96%的強度。在耐用性方面，長玻璃纖維的加入使混合復合材料的無缺口耐沖擊性提高到1004J/m，比同比例的長碳纖維產品提高了25%，比同類長的全玻璃纖維材料少了22%(圖2)。

混合長纖維增強復合材料的機械性能達到了最佳平衡，在許多應用中都可以考慮將其從金屬轉換為增強熱塑性塑料，特別是能夠以比全碳纖維增強材料更實惠的價格獲得這種性能。

更經濟實惠的高性能熱塑性復合材料的可用性將有助于實現更多金屬與塑料的轉換。大多數易于從金屬轉化為塑料的簡單應用已經用長玻璃纖維復合材料完成了。工程師們正在尋求材料或工藝，為他們提供更具成本效益的方式來利用碳纖維的更高性能，長玻璃和碳纖維混合料的可裁剪性質可以提供他們所需要的敲門磚。

如果有人正在考量長碳纖維增強材料的剛度和強度，但苦于耐沖擊性不太符合要求，那么以復合材料的形式將長玻璃纖維加入到長碳纖維增強材料中即可實現所需的耐久性的提升。反過來也是如此，如果長玻璃纖維增強復合材料不能成功提供承載所需的剛度或強度，那么向混合物中加入長碳纖維，即可將材料性能提高到所需的水平。

使用PlastiComp的混合方法將長玻璃和碳纖維增強材料結合起來，在體育用品領域的應用已經很商業化。有一家用戶正在尋找一種方法來替代金屬插入物，從而創造出更易制造、純注塑成型的產品，但全玻璃長纖維材料無法提供足夠的剛度。他們的另一種選擇通常是使用全碳長纖維復合材料來實現必要的模量提升;然而，選擇價格較高的材料將會使他們的產品成本過高。相反，混合解決方案在合適的價位提供了必要的剛度性能，并允許他們將其產品的全塑版本推向市場，并獲得了廣泛好評。

碳纖維在許多消費者的心目中具有良好的聲譽，碳纖維帶來了卓越的性能，為產品提供額外的感知質量和價值，相比由更簡單的塑料材料制造的類似產品，碳纖維產品的價格更高。擁有使用碳纖維可增加產品價值的這一理念，長玻璃和碳纖維混合物在開發和推廣許多細分市場(如消費品和運動用品)方面將具有獨特的地位。

甚至包括低水平在內的碳纖維都能生產真正的碳纖維復合材料，可以提供獨特的營銷優勢，以加強或區分與競爭對手的產品。合理配置碳纖維并不一定總要獲得更好的機械性能。長纖維混合物利用碳纖維的可裁剪能力采用階梯式方法來控制成本，允許其在中等范圍的應用中使用，否則碳纖維復合材料將因高價格所淘汰。

在混合長纖維制品中，在總纖維重量百分比負載高達50%時，碳纖維可以與多種比例的玻璃纖維進行組合。負載較低水平的長碳纖維增強材料與長玻璃纖維的組合，提供了具有相同碳纖維負載百分比的全碳長纖維復合材料不可獲得的更高水平的性能，從而實現較好的經濟性能。

由于長碳纖維通常是與其組合的復合材料中最昂貴的組分，包括長玻璃纖維作為協同添加劑對復合成本幾乎沒有影響。事實上，根據與其組合的熱塑性聚合物基質的成本，加入長玻璃纖維實際上可以降低復合材料的總成本，如果它替代更昂貴的塑料聚合物。將長纖維和熱塑性聚合物通過拉擠成型復合成復合材料的制造成本基本上是相同的，不管產品中長纖維的含量如何。

目前，PlastiComp具有單顆粒混合長玻璃和碳纖維復合材料，可用于聚丙烯、聚酰胺和工程熱塑性聚氨酯聚合物，長玻璃纖維和長碳纖維的混合比可根據應用要求定制。隨著應用需求的發展，長纖維增強材料與任何熱塑性和混合纖維溶液相容，在其他熱塑性聚合物基體中也是可能的。