与无机填料一样,无机纤维也是微孔注射成型的常用材料,而玻璃纤维又是微孔注射成型使用最为广泛的无机纤维。因此,作为典型,下面只详细讨论玻璃纤维的应用和最终注塑件的性能。
用于热塑性塑料增强的材料通常是玻璃纤维,有三种:其中E玻璃纤维主要是由石灰铝硅酸硼玻璃构成的,碱含量比较低,耐用,电性能好,力学强度高,经常用于增强材料;C玻璃纤维毡碱含量低,耐化学腐蚀,耐用,耐强酸;更好的玻璃纤维是S玻璃纤维,是用新方法生产的(在很高的温度下将纤维抽丝),强度很高,用于复合材料优化尺寸时其强度也会显著提高。但是,塑料行业所用的主要增强材料是E玻璃纤维,而S玻璃纤维通常与环氧复合材料用于航空业[1]。
纤维的尺寸处理能防止纤维互相磨损,可以将丝粘结成可以处理的束,也可以使用偶联剂改善玻璃纤维的粘结性。这些处理的共性是使化合物的一部分粘结到纤维表面上,而相同分子的另一部分与树脂基材反应,进而影响化学-力学分子桥接。最常用的是硅烷基化学物质。
要显著增强热塑性塑料,纤维长度至少要100μm。尽管长玻璃纤维增强粒子中的玻璃纤维大约长12mm,但最终的纤维长度不可能保持其初始长度,因为螺杆回位和充模会使大部分长玻璃纤维断裂。玻璃纤维的拉伸强度大约为3448MPa,注射成型之后,由于断裂严重,下降到1931MPa。
纤维增强时应力集中在纤维末端,使其长度方向上的更大面积持续起到应力传递表面的作用,防止形成界面裂纹。
典型的玻璃纤维增强材料是PA、PBT等。因为泡孔间的玻璃纤维可见,因此本书只讨论增强材料的SEM照片形态。与填充材料类似,增强材料的泡孔结构好于未增强材料。(www.daowen.com)
图3-9所示为25%(质量分数)玻璃纤维增强POM微孔泡沫的SEM照片,也有很好的泡孔结构。尽管有几个大泡孔,但多数泡孔都均匀分布于纤维周围。玻璃纤维解取向明显,这是微孔泡沫的又一个优点。
另外一种玻璃纤维增强的理想材料是PBT,无论玻璃纤维含量是多少,都很容易制备出泡孔结构好的微孔注塑件。图3-14所示为30%(质量分数)玻璃纤维增强PBT的结构,注塑件减重4%,所用发泡剂为N2,平均泡孔尺寸为45μm左右。
PC也可以用于玻璃纤维增强,模量有小幅度提高,但韧性没有大的降低,两者达到平衡。然而,玻璃纤维用量高(质量分数为20%~40%)时,韧性随着刚性的提高(提高尺寸稳定性)和收缩率的下降而显著下降。图3-10所示为20%(质量分数)碳纤维和1%(质量分数)Teflon填充的PC复合材料的结构(标尺为100μm),所用的发泡剂为N2。这是纤维和Teflon填料与PC基材混合的复杂泡孔结构,泡孔尺寸几乎与纤维直径一样,都为10μm。
所有玻璃纤维和碳纤维增强的微孔注塑件都表明纤维总是处在泡孔壁之间,这就是说泡孔只是在纤维周围而不是在纤维的同一点处形成,这样纤维就仍然由未发泡材料牢牢夹持住,而不是处于泡孔或注塑件内的孔隙处。
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