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長玻纖增強熱塑性塑料的市場應用前景

南京聚隆科技發展有限公司蔣頂軍李茂彥吳汾

摘　要：本文介紹了長玻纖增強熱塑性復合材料國內外的發展現狀、技術和工藝概況，并對長玻纖增強熱塑性復合材料國外典型牌號以及在汽車領域的應用及市場前景做了展望。
關鍵詞：玻璃纖維增強 LFRT 汽車應用

　　長玻纖增強熱塑性塑料(long glass fiber reinforced thermoplastics，LFRT)是近年來得到迅速發展的一類高性能復合材料，與短玻纖增強熱塑性塑料相比，LFRT具有以下顯著優點：高強度、剛性、彎曲強度、拉伸強度等；耐高溫、耐低溫，尤其適合使用在高低溫交變頻繁的場合；高尺寸穩定性；可在普通注塑機上進行注塑成型，也可模壓成型；低翹曲、表面光潔。由于突出的力學性能和熱性能，LFRT可在汽車、機械、體育、航空航天等領域廣泛應用。因此，研究LFRT對促進復合材料的發展以及拓展玻纖增強復合材料在工業上的應用，有重要的研究意義和工業價值。
　　LFRT技術是實現通用塑料和工程塑料達到高性能化目標的重要技術之一，己引起國內外科研單位與工業界的廣泛關注，并爭先研究開發，形成了一系列的技術。

1　國內外LFRT發展狀況

　　1.1　國外狀況
　　20世紀80年代國外開發了長纖維增強熱塑性復合材料(LFRT)，現代汽車工業向著以減輕車身自重為主的節能降耗方向發展。當前，國際上已把塑料的用量作為衡量一個汽車工業水平的重要標志之一。輕質高強的LFRT材料也已從小批量的、少數的汽車零部件的生產擴展到大批量的、廣泛的汽車零部件生產，逐步成為制作汽車零部件的主流材料，尤其是在那些機械強度要求高的領域，如前端框架、吸能防撞保險杠、座椅骨架、車身底護板等。
　　據統計，汽車行業的LFRT消耗量約占LFRT行業總消耗量的80％。而在汽車行業中，歐美LFRT消耗量大約占95％，其中歐洲占80％，美國占15％。

　　(歐洲熱塑性復合材料聯盟統計)
　　可以說，LFRT是汽車復合材料工業中的希望之星。LFRT完全可以替代汽車業、工業以及園林草坪業中的壓鑄件、鋼質沖壓金屬件以及短玻纖增強熱塑性復合材料件，但是目前汽車行業仍然是LFRT主要的應用領域。總體上看，近年來LFRT的市場預計增長率平均可達18~25％，其中亞洲的增長率為強勁，約為25％；西歐和北美洲的增長率預計分別可達17％和12％。
　　另據統計，目前在全LFRT的銷售總額中，GMT約占52％，LFRT-G約占32％，而LFRT-D僅占16％。隨著新材料、新工藝、新技術的不斷普及和推廣，專家預測除GMT以外，LFRT的銷售量每年將增長30％，其中LFRT-D的增長速度會更快。
　　1.2　國內狀況
　　LFRT在的開發和應用起步相對較晚。直到20世紀90年代后期，國內一些研發實力較強的公司才開始進行該材料的研發工作。由于，國內汽車家電產量增漲很快，對LFRT的需求很旺盛，外資企業看重國內巨大的消費市場，也加大了在的投資，如RTP、沙特基礎工業公司(SABIC)、韓國湖南石化等專業公司都在國內投資建廠，以提高在華的生產能力。
　　近幾年，的汽車產銷已突破1000萬輛，汽車產量超過德國位居。從汽車行業的LFRT消耗量約占LFRT行業總消耗量的80％這一統計數字來看，LFRT材料大有市場。有實力的塑料改性企業也加入到LFRT材料的研發之中，其中，南京聚隆科技發展有限公司、廣州金發科技、上海杰事杰等公司研發LFRT產品，占有了一定的市場份額。

2　LFRT技術和工藝概況

　　LFRT具有很好的機械屬性，重量輕但硬度強度高的性能非常適合用于汽車制造業。且可以同步合成使得用戶擁有更多的靈活性，因為他們能夠按照自己的工藝配方合成和生產這些物料并可用來合成。

　　2.1　工藝
　　目前市場上主要有3種有影響的工藝，即E―LFRT，D―LFRT和S―LFRT工藝。E―LFRT是同步合成和直接擠出成型或成片；D―LFRT是同步合成和直接擠壓成型；S―LFRT是同步合成和直接注塑成型。這三種主要工藝都要求使用重量式連續喂料，將物料連續精確地喂入擠出機內。LFRT工藝中使用的無論是單螺桿擠出機還是雙螺桿擠出機，都具有獨特的螺桿設計。
　　2.2　成分
　　通常聚合主料由單螺桿或振動式喂料器輕盈的喂出。喂料系統也集成了真空上料機，負責失重式喂料器的補料。一至三種添加劑如粉料或顆粒狀的顏料，穩定劑等可選用小型的失重式喂料器(單螺桿或雙螺干喂料器，振動喂料器或固體容積泵喂料器)。邊角料和其他一些回收料在經過粉碎處理后可按一定比例再用于工藝生產中，可選用振動失重喂料器。
　　2.3　玻纖
　　原料玻纖繞在其卷筒上，通過轉動卷筒軸，玻纖絲連續不斷的加入擠出機內。玻纖以體積式喂入，流量穩定。每一玻纖卷筒可由紅外線傳感器監測其狀態。將玻纖卷簡置于重量傳感器上并測量其單位時間內重量的減少就可實現玻纖喂料的重量控制。
　　2.4　喂料系統
　　喂料器瞬間喂料精度高的關鍵是其稱重傳感器的分辨率和與控制器之問的響應時間。如下圖所示，當使用分辨率較低的稱重傳感器，就需要花較長的時間來獲得一定的喂料混料精度。但是若要求瞬間喂料混料精度極高以滿足連續生產的要求，就必須使用高精度的重量傳感器。

　　喂料器瞬間喂料精度高的關鍵是其稱重傳感器的分辨率和與控制器之間的響應時間。如上圖所示，當使用分辨率較低的稱重傳感器，就需要花較長的時間來獲得一定的喂料混料精度。但是若要求瞬間喂料混料精度極高以滿足連續生產的要求，就必須使用高精度的重量傳感器。

3　國外LFRT牌號及其應用

　　近年來，LFRT在國外得到了迅速發展，幾乎每個知名化工企業都有相關的產品面市，并擁有自己的品牌，例如，國際上大的LFRT生產企業沙特基礎工業公司(SABIC)，歐洲大的LFRT生產企業泰科納工程聚合物公司(TICONA)，美國專業生產LFRT的企業安特普公司(RTP)，日本智索株式會社、大賽珞公司等。同時LFRT的產品也逐年增加應用領域尤為廣泛。
　　過去幾十年中，PP材料在汽車行業的使用以平均每年大約3~5％的速度穩定增長，現已在眾多部件和組件中取代金屬和其他高分子材料。PP用途廣泛且易于加工的特性使其需求不斷增加。目前，PP改性材料是很多汽車應用(包括保險杠蒙皮、儀表板(IP)、門板、內飾件和其他部件) 的首選解決方案。
　　歐洲的OEM于本世紀初率先使用SABIC STAMAX LGFPP復合材料，主要用于前端模塊、門模塊、儀表板骨架、后尾門和座椅結構等大型制件。由于SABIC STAMAX LGFPP復合材料具有出眾的強度、尺寸穩定性以及適合薄壁結構件的高流動性，Noryl GTX*樹脂用于加油口蓋／油箱蓋。SABIC的汽車塑料產品是業內龐大、多樣化的產品系列之一。除了PP材料外，該產品系列還包括各類工程熱塑性樹脂。這些高分子材料占據了當今車輛制造所用塑料60％的份額。
　　TICONA推出了Hostaform POM／LGF，這種材料具有比標準增強的熱塑性聚合物更優異的性能，應用在了汽車遮陽篷、車座、設備、高負載力的傳動裝置等領域，代替聚丙烯、尼龍(PA)、聚酯復合材料和金屬等。
　　近日，由巴西設計師古托印第安人科斯塔設計的“IC01椅子”獲得了美國設計大獎。該塑料椅使用了美國泰科納的玻璃纖維增強聚丙烯復合材料Celstran LFRT。該椅子是由泰科納的玻璃纖維增強聚丙烯(PP)Celstran LFRT和含量30％的玻璃纖維一次模壓成型的，重量僅為5.5公斤。Celstran LFRT在設計自由度、可加工性和成本方面優于其他材料，包括非增強聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、短切原絲增強尼龍和聚酯。
　　RTP獨特的resultKeyword長玻纖增強材料可以替代多種金屬、包括鉛。剛性和韌性的結合使其具有優異的高抗沖性。在各種溫度和高速的情況下，它因具有尺寸穩定、耐翹曲、高溫保持剛性、極佳的耐蠕變性及高比強度等特性，使其逐步取代金屬，并廣泛應用于汽車、制鞋、電子電器、航空航天等領域，目前，RTP在的生產工廠位于江蘇省的蘇州市。
　　北歐化工和博祿推出Nepol GB215HP，一種長玻璃纖維增強聚丙烯的成功案例。這種材料可用于寶馬1、3、5、7系列的儀表板載架。與以前使用的材料相比，Nepol GB215HP可減重20％，同時降低20％的系統成本，這種材料還支持寶馬SGI集成泡沫注塑工藝。：Nepol長玻璃纖維增強聚丙烯和Daplen系列材料在汽車減重上的增值價值。

4　LFRT的巨大應用前景

　　LFRT作為當今玻璃纖維增強材料的一個發展趨勢，受到了國內外各大塑料改性生產廠商的高度重視，特別是長玻纖增強PP材料，由于其很高的性價比優勢，更被業界所廣泛看好。許多廠商紛紛投入大量的人力、物力進行該類型材料的生產研發和市場開拓的工作。
　　4.1　汽車行業：前端支架、車門板集成模塊、汽車儀表盤骨架、冷卻風扇及柜架、車頂窗框架／壓條、保險杠、自鎖剎車系統、小軸和齒輪零件、汽車行李架和緩沖器、汽車蓄電池外殼／托架、鎂鋁澆注制件、轎車座椅骨架、換擋器底座、齒輪箱外殼、汽車踏板／剎車板支撐、柴油機風扇外罩、汽車外飾鏡框架、導流管的扇葉、電機過濾器罩、汽車雨刷器支架、卡車同軸氣缸離合器及輔助件等，用于替代短玻纖增強PA貨金屬材料。

　　4.2　機電行業：導流管扇葉、電機過濾器罩、風葉片、同軸氣缸離合器輔助件、高揚程潛水電機、水泵、止推軸承、導軸承/機車導軌、真空泵、壓縮機轉子等。
　　4.3　家電行業：洗衣機滾筒、洗衣機三角支架、一刷機滾筒、空調風扇等、用于替代短玻纖增強PA、APS金屬材料。
　　4.4　通訊、電子、電器行業：通訊電子行業的高精度接插件、點火器零組件。線圈軸、繼電器基座、微波爐變壓器線圈架/框架、電氣連接器、電磁閥封裝件、掃描儀組件等。
　　4.5　其他：電動工具外殼、水泵或水表外殼、葉輪、自行車骨架、滑雪板、地面機車腳踏板、軍用/民用安全頭盔、完全鞋包頭等，用于替代短玻纖增強PA、PPO等。

5　展望

　　LFRT是當今塑料增強改性中重要的發展趨勢之一，已在歐洲和美國的汽車制造業中大量使用。但是，國內對LFT的研究還比較落后，加快LFRT技術開發研究并擴大其應用已迫在眉睫。當前，LFRE成型技術的發展趨勢是：擴大增強聚合物的種類；加工成型技術改進，以擴大產能，縮短成型周期；擴大填充纖維的種類，如碳纖維、麻纖維等。

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