■科盛科技

熱塑性長纖復材的簡介

近年來，輕量化技術以其高效性受到了人們關注，復合材料目前被廣泛運用于現今大部分的產業上，其中與環保議題并進的汽車輕量化在近年來發展非常迅速。汽車輕量化有助于提高汽車能源效益達節能減排之功效。電動汽車因大型電池以及氣體鋼瓶重量影響，相較于傳統汽車更重視輕量化的議題，因此使用高分子復合材料的比例不斷提高，藉由此契機，提供了復合材料應用于汽車領域的發展契機。

熱塑性復合材料常使用玻璃纖維作為樹脂的增強成分，藉此提高成型制品的機械性能或耐熱性。熱塑性長纖復材（Long Fiber Reinforced Thermoplastics，以下將簡稱為LFRT或LFT）是近幾年來發展迅速的一類高性能復合材料，是將纖維（長度一般為10~15mm以上）與熱塑性樹脂基材經特殊的制程及設備造粒生產出的制品。

LFT基本組成即為熱塑性基材與增強纖維兩大成分，熱塑性基材種類一般以PP與PA為主，此外如有特別用途，也有使用PET、PBT或PPS等塑料種類。而在纖維的部分大多則使用玻璃纖維。

因LFT纖維長度相較于短纖復材而言于制程中較能保有更足夠的長度，使纖維之間有足夠的長度能交互搭接，形成立體3D網狀結構，于基體樹脂內作為增強骨架。因此使此材料具備了高耐沖擊、收縮率低、高剛性、高尺寸穩定性、耐高溫、抗蠕變性與抗疲憊性等許多優點。除此之外，LFT于生產成本上因工法較不復雜，相較于GMT而言成本更低廉；在加工方面可使用射出成型快速加工，更易貼合現行市場產品制作的方式。

圖1：(a)LFT板材示意圖；

 

圖1：(b)LFT板材纖維特寫

LFT的量測

復合材料因材料制作過程繁雜，基材與加工類型非常多，不論是制作過程還是材料的選用皆會直接影響到成品性能。LFT的功能性于射出成型中最關鍵的問題為長纖維斷裂問題，而纖維長度與其機械表現成正比關系，這將顯著的降低產品的機械強度。因此，找到適合的加工條件會是一大重點。如欲優化加工條件的設定，則需要先掌握材料的特性。

在Moldex3D中的計算中，LFT在射出成型中，因纖維長度、纖維比例與基材之間的交互影響，于充填階段黏度特性是重要的觀察指標，而在保壓與冷卻階段黏彈特性則是預測產品收縮重要的性質。

圖2(a)為G?ttfert的毛細管流變儀(Capillary Rheometer)，是目前發展最成熟且應用最廣的流變測量儀器之一，可用來量測巨觀下之黏度特性，用以模擬材料于加工中的流動行為。而圖2(b)Anton paar所生產之旋轉流變儀，于裝置上旋轉夾具時可以進行動態黏彈性(Viscoelasticity)測量，利用旋轉流變儀進行動態頻率振蕩(Oscillation)實驗，得到一般旋轉流變儀于穩態(Rotation)實驗中無法獲取儲存模數(Storage modulus, G’)與損失模數(Loss modulus, G”)。儲存模數(G’)與損失模數(G”)分別代表著高分子的彈性與黏性。

   

圖2：(a) G?ttfert毛細管流變儀 

圖2：(b) Anton paar旋轉流變儀

LFT的量測結果

圖3為毛細管流變儀實驗所得的剪切黏度，可藉由實驗數據進行數學模型擬合，取得黏度、溫度與剪切速率的相依性，進而分析出LFT的流動特性。

圖4則是旋轉流變儀的黏彈特性實驗結果，藉由時間-溫度迭加原理（Time-Temperature Superposition，簡稱TTS）處理實驗數據，并將實驗結果結合數學模型擬合成一條主曲線(master curve)，可從曲線內觀察到溫度、模數與角頻率的關聯性，并利用黏彈特性延伸至降溫時產品的收縮與翹曲。

圖3：LFT的剪切黏度

圖4：LFT的黏彈特性

結語

在LFT的加工制程上，能掌握材料的特性可有效的提升良率與更有系統化的調整制程參數?？剖⒖萍疾牧狭繙y實驗室因應近年輕量化對于復材的需求，致力于優化復合材料的量測。量測數據轉換成材料特性參數，并結合Moldex3D進行數值分析，可使客戶更快速且系統性的找出符合材料的加工參數，以較低的成本花費制作出所需的產品。

文章摘錄自ACMT SMARTMOLDING2023/9月刊

點擊看更多技術內容

---

未經同意，請勿轉載