2020-03-05

環保與熱塑複合材料的結合,創造輕量化的世界

甚麼是玻纖增強材料呢?
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,而一般傳統的玻璃增強技術,是使用擠出機將玻璃纖絲束直接與樹脂機料熔融混合造粒,玻纖絲束再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 的增強材料。
這樣的材料通常在經過下一次的成型加工後,玻纖又再一次被剪碎,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增強的臨界長度,所以實際上玻纖本身的增強效果並沒有充分發揮出來。

為甚麼要追求輕量化?
在相同的體積下,追求更好的機械強度與物性; 在符合實際的需求條件下,用更少的材料以及消耗更少的資源

LFRT長纖維增強熱塑性材料(Long Fiber Reinforced Thermoplastics,簡稱LFRT或LFT)是近年來發展迅速的一類高性能複合材料,係使用特殊的製成與設備,將連序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,製造流程如(圖1)所示。

使用長玻纖增強材料做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,因此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,性能比較如(圖2)所示。綜觀LFRT的部份性能,已經與金屬材料相當接近,在許多應用端方面具備有可替代金屬的機會。金屬憑藉著高強度、耐熱等特性,是許多工業品 的首選材料,而缺點是不適合成型複雜的形狀,且金屬部件的重量也較重,但隨著全球各先進國家朝向環保、節能、輕量化的趨勢下,產業界已經掀起了「以 塑代鋼」的潮流,尤其長玻纖增強材料的性能與金屬最為相近,儼然成為替代金屬的最佳選擇。


圖1. 大東樹脂ISOPAK LFRT製造流程

LFRT的加工成型
長玻纖增強材料可用一般的射出成型機成型,但最好須避免使用剪切力高的螺桿和射嘴,會導致玻纖斷裂太多,造成無法充分發揮長纖維原有的性能。因此推薦使用射出機的選擇如下:
1. 螺桿長徑比 18~22,壓縮比 2:0~2.5,儘量選擇直 徑較大的螺桿。
2.採用深螺溝槽、低壓縮比螺桿、開放式大直徑射嘴。
模具方面一般建議是採用直接進膠設計,同樣減少玻纖斷裂的機會,但最好是先藉由如Moldex3D的CAE模流分析技術,找出最適化的產品結構設計,以及模具的流道、機構設計,才能發揮長纖維最佳的性能。


圖2. 短纖與長纖的差異

LFRT可以應用在哪裡?
1.汽機車:儀表板骨架、門板模組、座椅骨架、手柄 拉桿、電池托架、車胎架、冷卻風扇框架、腳踏板等。
2.機械機電:泵殼/泵體組合件、電工工具殼體與握把、驅動連桿、軸承、導軌等。
3.電子電器:風扇葉片、電器殼/支架、電器開關殼等。
4.家電:洗衣機滾筒/支架/葉輪、空調導風扇、電視機背蓋、把手、手工具機部件等。
5.運動:自行車配件、滑雪板、安全頭盔、製鞋產業、高爾夫球桿等。

應用在汽車零組部件

應用在自行車配件


大東樹脂ISOPAK LFRT 長纖維增強複材


圖3. 各材料的物性比較圖

ISOPAK LFRT長玻纖增強複材 – 輕量化的解決方案
長玻纖增強熱塑性材料的力學性能明顯優於短玻纖增 強材料,加上具有高的比強度,以及非常低的蠕變性, 使它能長期承受很大的負荷,在溫度變化下也能維持 尺寸的安定;和金屬材料相比,更能有效的減少製成 品重量、降低加工成本、縮短生產週期,表現出高性價比之優勢。

在更安全與更環保的前提下,LFRT熱塑性複材以塑代鋼輕量化的優勢,可應用在很多行業中,如汽車產業、航太領域、綠色能源、製鞋產業、電子醫療、運動休閒等等,為工業材料領域開啟新的價值,成為輕量化的解決方案。

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