生产高性能的混合长纤维热塑性复材

美国长纤维复合商PlastiComp公司开发了一种混合长纤维复合材料生产线，将长玻璃纤维和长碳纤维结合在一个单一的成型复合颗粒中。实验试验表明，将这两种纤维类型结合在一起，创造了独特的性能协同效应，其性能大大超越了原纤维本身的类型。

纤维增强材料已经将热塑性塑料的使用扩展到半结构应用领域中，其所具备的机械性能提供了替代传统材料所需的性能。在这个舞台上，玻璃纤维长期以来一直是增强材料的主要选择，因为它显着提高了聚合物的刚度和强度性能，并具有良好的经济效益。最近，人们对碳纤维增强热塑性塑料的越来越感兴趣，这是源于其能够提供更强劲的机械性能并有助于减轻重量;然而，实现这种性能是要付出代价的，因为碳纤维的价格高出了许多应用可承担的范围之外。

对于使用注塑加工技术生产的部件，长纤维增强热塑性复合材料代表了可流动材料的机械性能的顶峰。在长纤维复合材料中，纤维增强的12毫米长的细丝提供了三重性能，这是使用其它类型的颗粒介质作为增强塑料的方法所无法获得的。

首先，与其他增强材料一样，塑料化合物的模量与长纤维的含量是成比例地增加的，因为较硬的纤维添加剂将该特征引入了与其混合的基质聚合物。其次，由于较长的纤维段具有较高的纵横比，与聚合物接触的表面积越多，强度就越高。增加的长度有助于更好地将应力从聚合物转移到较强的纤维增强物，从而提高承载能力。最后，由于较长的纤维段相互缠绕以形成纤维的内部结构骨架，从而促进整个组件的冲击力的消散，而不是局限于一个区域，从而实现耐久性的提高。硬质材料的高耐冲击性，是选择长纤维复合材料超过其他类型增强塑料的根本原因。

在具有结构性能要求的金属替代应用中，长玻璃纤维增强热塑性复合材料已成为首选材料。 事实上，长玻璃纤维增强聚丙烯已广泛应用于汽车行业，它作为金属部件的轻质替代品被广为使用。长玻璃纤维复合材料的使用降低了车辆的成本和重量，其所节省的重量有助于提高燃油的经济性并减少排放，从而满足日益增长的监管目标。

碳纤维凭借其在航空航天和体育用品行业的广泛应用赢得了“高科技”强化材料的声誉，它以轻微的重量提供了类似金属的性能。在减重是“圣杯”追求的行业中，碳纤维的成本越高，就越容易证明与其他增强塑料方法相比，它并不具有较高的性价比。

在一些领域中，使用了成本五倍甚至更多的增强材料，而机械性却没能得到相应明显的提升，这是难以令人接受的。为了降低采用碳纤维的入门成本，美国长纤维复合商PlastiComp公司开发了一种混合长纤维复合材料生产线，将长玻璃纤维和长碳纤维结合在一个单一的成型复合颗粒中。

早期的实验试验表明，将这两种纤维类型结合在一起，创造了独特的性能协同效应，其性能大大超越了纤维本身的类型。包括长玻璃纤维增强材料提高了耐久性，超出了单独使用长碳纤维可获得的范围。另外，添加长碳纤维增强材料可将刚度和强度提高到比长玻璃纤维所能达到的更高的值。最重要的是，含有较低水平的长碳纤维增强材料的混合材料将比全碳长纤维增强复合材料便宜得多(图1)。

图1：12 毫米长的混合长玻璃和碳纤维复合颗粒。

PlastiComp将连续的玻璃纤维和碳纤维细丝结合在一起，形成统一的复合颗粒，以简化加工并提供更好的性能。虽然单独的长玻璃纤维和长碳纤维复合材料颗粒可以以后混合在一起，但它们的密度差异可能导致原材料在处理期间发生分离，从而影响分散的均匀性。在注塑机上计量单独的复合颗粒增加了一层复杂性，为了获得均匀的混合物可能导致纤维长度受损，从而对复合材料的性能产生不利影响。

为了获得最大的综合性能，在加工长纤维材料时应最大限度地减少剪切，包括在螺杆注塑机的熔融阶段、在流道的流动路径和模具浇注系统中。不正确地加工长纤维复合材料，会产生较短的平均纤维长度，这将降低模制品的强度和耐久性。

具有玻璃和碳纤维增强材料的混合长纤维复合材料，可扩大产品设计师和材料工程师的长纤维材料的性能范围，并提供大量的纤维增强组合，以平衡材料成本和性能要求。长纤维材料的功能不再像全玻璃或全碳纤维复合材料那样进行选择，而是变得真正可裁剪。

长纤维增强混合纤维是理想的材料，其性能要求超出了长玻璃纤维增强复合材料的应用范围，可以利用高性能碳纤维提供的优点，但某些领域可能对高材料成本的价格更为敏感。通过比较它们的机械性能：40%长纤维混合聚酰胺6/6及相当于40%的全玻璃纤维和40% 全碳材料，可以很容易地解释混合长玻璃和碳纤维复合材料，是如何弥补长玻璃纤维和长碳纤维产品之间存在的性能和价格差距。

20%长玻璃纤维和20% 长碳纤维组成的40%混合长纤维的弯曲模量为17,930MPa，比全碳长纤维变体低13%，比全玻璃纤维制品高86%。混合复合材料的拉伸强度值为248MPa，低于全碳材料的4%，比全玻璃纤维制品高24%。

由于混合复合材料含有全碳材料碳纤维的一半，所以其成本降低了30%，但是能够提供高成本材料87%的刚度和96%的强度。在耐用性方面，长玻璃纤维的加入使混合复合材料的无缺口耐冲击性提高到1004J/m，比同比例的长碳纤维产品提高了25%，比同类长的全玻璃纤维材料少了22%(图2)。

混合长纤维增强复合材料的机械性能达到了最佳平衡，在许多应用中都可以考虑将其从金属转换为增强热塑性塑料，特别是能够以比全碳纤维增强材料更实惠的价格获得这种性能。

更经济实惠的高性能热塑性复合材料的可用性将有助于实现更多金属与塑料的转换。大多数易于从金属转化为塑料的简单应用已经用长玻璃纤维复合材料完成了。工程师们正在寻求材料或工艺，为他们提供更具成本效益的方式来利用碳纤维的更高性能，长玻璃和碳纤维混合料的可裁剪性质可以提供他们所需要的敲门砖。

如果有人正在考量长碳纤维增强材料的刚度和强度，但苦于耐冲击性不太符合要求，那么以复合材料的形式将长玻璃纤维加入到长碳纤维增强材料中即可实现所需的耐久性的提升。反过来也是如此，如果长玻璃纤维增强复合材料不能成功提供承载所需的刚度或强度，那么向混合物中加入长碳纤维，即可将材料性能提高到所需的水平。

使用PlastiComp的混合方法将长玻璃和碳纤维增强材料结合起来，在体育用品领域的应用已经很商业化。有一家用户正在寻找一种方法来替代金属插入物，从而创造出更易制造、纯注塑成型的产品，但全玻璃长纤维材料无法提供足够的刚度。他们的另一种选择通常是使用全碳长纤维复合材料来实现必要的模量提升;然而，选择价格较高的材料将会使他们的产品成本过高。相反，混合解决方案在合适的价位提供了必要的刚度性能，并允许他们将其产品的全塑版本推向市场，并获得了广泛好评。

碳纤维在许多消费者的心目中具有良好的声誉，碳纤维带来了卓越的性能，为产品提供额外的感知质量和价值，相比由更简单的塑料材料制造的类似产品，碳纤维产品的价格更高。拥有使用碳纤维可增加产品价值的这一理念，长玻璃和碳纤维混合物在开发和推广许多细分市场(如消费品和运动用品)方面将具有独特的地位。

甚至包括低水平在内的碳纤维都能生产真正的碳纤维复合材料，可以提供独特的营销优势，以加强或区分与竞争对手的产品。合理配置碳纤维并不一定总要获得更好的机械性能。长纤维混合物利用碳纤维的可裁剪能力采用阶梯式方法来控制成本，允许其在中等范围的应用中使用，否则碳纤维复合材料将因高价格所淘汰。

在混合长纤维制品中，在总纤维重量百分比负载高达50%时，碳纤维可以与多种比例的玻璃纤维进行组合。负载较低水平的长碳纤维增强材料与长玻璃纤维的组合，提供了具有相同碳纤维负载百分比的全碳长纤维复合材料不可获得的更高水平的性能，从而实现较好的经济性能。

由于长碳纤维通常是与其组合的复合材料中最昂贵的组分，包括长玻璃纤维作为协同添加剂对复合成本几乎没有影响。事实上，根据与其组合的热塑性聚合物基质的成本，加入长玻璃纤维实际上可以降低复合材料的总成本，如果它替代更昂贵的塑料聚合物。将长纤维和热塑性聚合物通过拉挤成型复合成复合材料的制造成本基本上是相同的，不管产品中长纤维的含量如何。

目前，PlastiComp具有单颗粒混合长玻璃和碳纤维复合材料，可用于聚丙烯、聚酰胺和工程热塑性聚氨酯聚合物，长玻璃纤维和长碳纤维的混合比可根据应用要求定制。随着应用需求的发展，长纤维增强材料与任何热塑性和混合纤维溶液相容，在其他热塑性聚合物基体中也是可能的。