2020年7月雜誌專題塑膠材料

輕量化材料新選擇: 長纖維增強熱塑性複合材料 (LFRT)

■大東樹脂化學 / 蘇培鈞 主任

前言

根據聯合國的報告指出,預估在 2045 年全球將有超過 60 億人會集中在都市地區,形成大型化的都市生活圈,而大城市中所必備的多樣化需求,包括交通、醫療、居住、糧食、水等,都將成為不可或缺的服務及資源,但是人類在追求更優質生活的同時,相對也帶來了氣候變遷與環境汙染的生存危機,舉例來說,汽車帶來生活的行動便利性,造就了工業經濟鏈的成長,但同時也是能源消耗與污染物排放的主要問題來源。

面對這些重大議題,人們開始找尋解決的方式,藉由降低 CO2 的排放、重視自然資源的管理,以及資源的持續再利用等路徑,來達到永續環境的目標,而在這些解決方案中,材料扮演著關鍵的角色。為了因應汽車產業帶來的環境和能源短缺問題,各國均制訂嚴格法規來限制汽車的燃油消耗與溫室氣體排放,包括歐盟於 2021 年 CO2 排放量須降至 95g/km,美國 2025年須降至 97g/km,而相關研究結果顯示,汽車重量每減少 100Kg,可直接節省燃油約 0.3~0.5L/(100km),以及 CO2 排放能減少約 8~11g/(100km)。因此,企業持續透過運用結構設計、輕質材料、綠色製程三種途徑來實現汽車的輕量化,進而有效降低整體產業對於環境的衝擊。

其中就材料的選擇上,鋼材的比重為 7.8,鋁合金約2.7,而熱塑性塑膠則在 0.9~1.6,玻纖強化複合材料的比重也低於 2.0,雖然在直接強度上不如碳纖維、金屬材料,但是從性能 / 價格 / 加工的比值來看,大幅使用比重及成本較低的熱塑性複合材料來取代部份金屬部件,已成為現階段產業發展輕量化的方向之一。

在熱塑性複合材料的配方組成中,常使用玻璃纖維作為樹脂的增強材料,藉以提高成型製品的機械性能或耐熱性,而一般傳統的技術工法,是使用押出機將玻纖絲束直接與樹脂基料熔融混合造粒,玻纖絲束在受到螺桿和料缸的摩擦剪切作用之下被切碎,所得到的是玻纖長度 <1mm 的補強樹脂料粒。這樣的材料在經過下一次的成型加工之後,玻纖又再一次被破碎,因此在終端製品中,大部份玻纖的保留長度其實遠低於有效的臨界長度,玻纖本身的增強效果並沒有被充分發揮出來,因此如何提高纖維的保留長度,將成為複合材料在終端應用的領域中,是否能再更上一級之關鍵所在。

 

輕量材料新選擇

長 纖 維 增 強 熱 塑 性 材 料(Long Fiber Reinforced Thermoplastics,簡稱 LFRT 或 LFT)是近幾年來發展迅速的一類高性能複合材料,係使用特殊的製程及設備,將連續的玻璃纖維以熔融樹脂充分浸潤包覆,膠條冷卻後再切成特定尺寸的長棍狀膠粒,單一膠粒的長度約為 10~15mm,其內所包覆玻纖的長度即與膠粒長度等長 (10~15mm),由於 LFRT 內含的玻纖長度超過臨界長度 (Lc),即能展現出玻纖原有剛強性能的優勢。

使用長玻纖增強材料射出成型的製成品中,玻纖的實質長度保持率高,所以纖維之間有足夠的長度能相互搭接,形成三維立體的 3D 網狀結構,交錯貫穿於基體樹脂內作為增強骨架(如圖 1 所示),與一般的熱塑補強材料相比較,LFRT 可以承受較大的應力和荷載,並有效吸收能量,進而使製成品具有高比強度、高剛性、高耐衝擊、高尺寸穩定性、耐溫、低翹曲、抗蠕變性、低熱膨脹係數等許多優點,相關性能比較如圖 2 所示。

針對 LFRT 的配方及性能評估,大東樹脂化學已進行許多相關測試與研究,例如以聚丙烯 50% 長玻纖增強材料為例,在不同玻纖長度下 (12mm、25mm) 的力學性能做比較,由實驗結果顯示,當內含玻纖長度愈長時,相對的耐衝擊性能也愈高(如表 1 所示),同樣的型態也可以從測試片的斷裂面觀察看到,樹脂內交錯的網狀玻纖形成緊密結構(如圖 3 所示),進而讓材料能夠承受更多的破壞應力,尤其當纖維長度達到 25mm 的型態時,即使試片已經斷裂,但藉由內部纖維在足夠的長度下,所形成彼此間的 3D 搭接效果,仍可讓試片外觀有維持部份的完整性。

從研究數據來看,LFRT 能夠大幅提升產品的力學安全性能,以比強度而言,則與金屬材料相當接近,加上 LFRT 可以用模具快速的成型,製作出複雜的形狀,而且材料能夠回收再使用,隨著全球各先進國家朝向環保、節能、輕量化的趨勢下,產業界掀起了「以塑代鋼」的潮流,LFRT 已成為替代金屬的輕量化新材料選擇之一。

 

 

加工關鍵與應用

長玻纖增強材料可用一般的射出成型機進行成型,但須避免使用剪切力高的螺桿和射嘴,以免導致纖維斷裂太多;模具方面則建議採用直接進膠設計,同樣減少纖維斷裂的程度,但最好是前期先藉由 CAE 模流分析軟體如 Moldex3D 系統(如圖 4 所示),找出最適化的流道與機構設計,以及預測纖維的配向型態,來設計出最佳的產品結構,如此才能確保發揮 LFRT 效能,並滿足客戶產品在安全和耐用上的需求。和金屬材料相比,長纖維增強熱塑性複合材料能有效減少製成品的重量、降低加工成本、縮短生產週期,可應用於大型結構部件或模組,如汽車儀表板支架、門板模組、工業扇葉、機電泵體等,在高性價比及輕量化的優勢下,未來的市場應用將愈來愈廣泛。■



SMARTMolding編輯部

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