长纤维热塑性复材增强泡沫夹芯 复材云集｜复合材料

腔内发泡和可控开模技术由单一注塑材料制成型芯和面层，减少材料用量并提高性能。

(资料图片仅供参考)

注射成型，泡沫芯夹层复合材料。Fraunhofer化学技术研究所和Fraunhoffer项目复合材料研究中心的一个联合研究项目研究了减少长纤维热塑性塑料（LFT- long-fiber thermoplastic）材料用量同时提高其机械性能的方法。这项研究将整体发泡和透气模具技术应用于从单一材料一次性注塑成型“三明治”复合材料。

整体发泡增强芯，特写。该SEM显示了用呼吸模具技术生产的零件的泡沫芯中泡沫细胞、聚合物基质和玻璃纤维之间的相互作用。样品制备——在断开一个部分进行观察之前用液氮冷冻——可能导致这里的树脂比正常部分更多。

核心/表皮/核心部分。该SEM显示了整体发泡部件的表皮/核心/表皮形态。该部分是在流动方向上切割的，因此观察者可以观察到流动方向，其中玻璃纤维倾向于平行于表皮（顶部和底部）中的流动排列，垂直于芯部（中间）中的流排列。再次注意纤维、泡沫细胞和树脂基质之间的相互作用。

一致的交叉几何结果。在整体发泡和透气模具过程中，无论零件的复杂性或内部几何形状（例如，肋条）如何，表皮/核心/表皮形态都会在零件的整个长度和宽度上形成。在这里，这些技术被应用于一个非常复杂的汽车车底护板，该护板具有显著的肋条，如图所示。

Fraunhofer化学技术研究所（F-ICT，Pfintzal，德 国）和 FraunhoferProject Centre for Composites research （FPC，London，ON，Canada）的一个联合研究项目 一直在寻找减少由造粒长纤维热塑性塑料（LFT- longfiber thermoplastic）制成的注塑件质量、提高其机械性能 的方法。研究表明，他们通过注射成型功能性夹层复 合材料，采用模内发泡技术和透气模（可控开模）技 术来实现这些目标。其结果是，在固体表皮之间形成 了一个泡沫芯，这两个表皮都用碎玻纤加固，由一种 单一的、颗粒状的 LFT 材料制成，一次成型。

在模具中制作泡沫和面罩  

研究人员通过使用化学发泡剂（CBA- chemical blowing agent ）或物理插入惰性气体发泡剂（PBAphysical insertion of an inert-gas blowing agent ）来制造泡沫。在任何一种情况下，在注射之前，发泡剂在筒中塑化期间被引入熔体中。旋转螺杆将溶解的发泡剂或惰性气体（通常为N2或CO2）与聚合物熔体机械混合， 在螺杆前面形成单相气体/聚合物混合物。对背压、螺 杆位置和截止阀/喷嘴的控制进行了仔细管理，以确保 气体在注入冷模之前保持在溶液中，冷模必须通风良好。当熔体流入工具时，它会经历压降，这使得被捕 获的气体开始膨胀。这使核心发泡。 

在这一点上，呼吸模具技术开始发挥作用。该工具在初始填充期间保持略微打开，在填充阶段关闭， 然后重新打开（再次，略微），并通过零件弹出保持打开：在注射和皮肤层冻结的短暂延迟（5-10 秒）之 后，在芯中的聚合物仍然熔融的情况下，通过控制模 具打开来加速发泡。包装有助于巩固和固化皮肤层， 形成面部皮肤（见下图）。打开工具一个精确的距离 ——间隙因材料和零件设计而异，但在测试中看到的 典型范围在 到 毫米之间——因为成型循环的平 衡会导致进一步的压降，加速气体从熔融聚合物中排 出。当熔体凝固时，泡沫停止（排出残余气体），然 后喷出零件。（这项技术并不新鲜，也被称为芯背、 负压花、减压发泡或精密开模，有时用于传统注塑以提高表面光洁度，因为可以获得更高的模腔压力。）

泡沫在中性轴上形成，在中性轴处，蜂窝状结构在固体承载面层之间保持恒定的距离，从而形成 I 形梁或三明治状结构。这种组合减少了质量/单位面积， 增强了声学阻尼，提高了冲击强度，提高了尺寸稳定 性（减少了翘曲），并增加了与相同设计和树脂/增强 件的固体结构相比的特定弯曲刚度（由于惯性矩更高）。进一步的工艺优势包括减少夹紧力、缩短循环 时间和降低熔体粘度，与具有相同类型增强件的注塑固体树脂相比，以更低的能源成本生产出更轻、结构更健全的零件，有助于抵消更高的工装成本。值得注意的是，无论零件的复杂性或内部几何形状如何（例如，肋条；见下图），所产生的结构在零件的整个长度和宽度上都是一致的。

发泡剂和压力选项 

使用该工艺的人必须从两种发泡方案中进行选 择，每种方案都有固有的优点和缺点。化学发泡(CBA- chemical blowing agent)的优点包括它可以从许多 供应商那里获得，并且它是作为母料添加的(在那里它溶解，在加热和塑化过程中形成气体)。缺点是CBA有温度限制，可能会在零件上留下化学残留物， 从而导致变色或气味。惰性气体发泡(PBA- physical insertion of an inert-gas blowing agent )的优点是没有温度限制，它不会在零件上留下化学残留物，可以实现更高 的发泡压力，可以更好地控制使用的气体量，如果需要，可以向熔体中添加更多的气体。缺点？需要额外的设备和许可证。  

处理器还必须从以下两个选项中进行选择：
填充工具。在“低压”选项中，工具腔为
在注射过程中仅部分填充。材料对工具的收缩（否则可能导致短射）通过膨胀气体（和聚合物）来抵消，因为单独使 用吹制压力
 以完成填充。这种技术消除了在注射后 施加填料压力的需要。填料步骤被绕过，因此，工具保持略微打开。它还降低了夹紧压力（使标准压力机 能够成型比正常情况下更大的零件，或使较小、成本较低的压力机能够成型相同尺寸的零件），并在零件内部产生较低的残余应力，这样就不太容易翘曲。缺 点是，它导致零件具有更高的密度（据报道高5- 15%，取决于壁厚与流动长度的比率）和零件表面上更多的条纹，这在美学敏感的应用中可能是一个问题。  

在替代高压工艺中，模腔以传统方式填充（仅使用注射压力），然后仅施加几秒钟的填充压力。这里 的优点是更均匀的泡沫、密度更低的零件（据报道， 可以实现50%以上的低密度）和更好的零件表面，因 为注射后皮肤会更快地冻结，高压会使粗糙表面光滑。然而，这项技术需要一个带有剪切边的工具和一个带有短行程刀架或多芯背部的压力机（这增加了成 本），因此该工具可以在整个成型周期的中途精确打开。  

有趣的好处

将精密开模与整体增强发泡相结合，可带来多种好处。首先，随着壁厚的增加，第二惯性矩增加了三倍，这使得这种低表面质量（低质量/单位面积）技术 对承受弯曲载荷的大型半结构零件具有潜在的吸引力，例如汽车行业的车门内饰板、备胎舱、座椅壳和靠背、车底护板和仪表板支架。其次，因为在工具重新打开之前，表皮会固化，气泡不会穿透，压力会进 一步使表面光滑，从而在零件两侧留下良好的光洁度。事实上，初始注射和开模之间的延迟越长，固体表皮相对于泡沫芯就越厚（反之亦然），使得这成为一个可以控制以满足应用需求的工艺参数。

量化最终特性的工艺选择

为了更好地了解各种发泡和填充方案对最终零件性能的影响，由F-ICT 热塑性技术走廊负责人Alexander Roch领导的一个研究团队在相隔几年的两次试验中比较了两种材料的结果：

• 30%LGF 聚丙烯——PP-LGF30；初始颗粒长度11mm；来自陶氏汽车系统公司（美国密歇根州米德兰）。 

• 50%LGF 聚酰胺 6-PA6-LGF50；初始颗粒长度12mm；来自巴斯夫（德国路德维希港）。 

用CBA（吸热商业级，来自 Clariant Masterbatches GmbH，Muttenz，Switzerland）或 PBA（MuCell微孔泡沫工艺中的N2，来自 Trexel 股份有限公司， Wilmington，MA，US）实现发泡。所有样品都在配备 有标准和 MuCell 注射单元的同一注射成型机（Engel duo 700 pico-combi M，Engel AUSTRIA GmbH， Schwertberg，AUSTRIA）上成型。对于CBA发泡，使用直径为105mm的螺杆。对于 PBA 发泡，使用第二 MuCell 注射单元和直径为80mm的螺杆。（使用了适用于每种工艺的现有螺钉，其飞行已针对长纤维材料进行了优化。）

研究人员在树脂和发泡剂的每种组合中模制平板 （500毫米乘 500毫米）。仅采用高压填充技术，使用剪切边缘工具，该工具配备有一个边缘安装的5毫米宽的针形截止喷嘴/阀作为闸门。由于两种材料之间的密度差异，调整了初始模具间隙（PP-LGF30， mm；PA6-LGF50， mm），使每次注射的材料注射体积恒定，使研究人员能够实现两种材料的一致表面重量（质量/单位面积）。呼吸模技术的使用使研究人 员能够控制斑块的标称壁厚、密度和最终体积。对于每个材料系统，所有其它的成型条件都保持恒定。未成形的参考斑块被模制作为对照。 

总体而言，结果表明，对于恒定的表面重量，弯曲刚度增加了 600%，并且略有增加
无论使用哪种发泡剂，壁厚的变化都会导致弯曲刚度的显著增加。在 最大密度降低时，PP-LGF30的弯曲刚度在CBA和PBA发泡时分别增加了≈330%和≈275%，而对于PA6-LGF50（发泡剂之间的密度降低显著不同），弯曲刚度分别在CBA、PBA中分别增加了约190%和约630%。  

正如预期的那样，较厚的表层（通过开模前较长的延迟实现）产生了增加的弯曲刚度和冲击强度，但拉伸性能略有下降（可能是因为芯中抵抗拉力的材料较少）。

Falling Dart冲击试验表明，与发泡后往往变得更脆的传统未增强泡沫不同，发泡 PA6-LFG50 中的能量 吸收比未发泡对照组有所改善。对PP-LGF30 进行的夏比（Charpy）弯曲试验显示，随着密度降低的增加，其行为几乎保持不变。值得注意的是，对于PA6-LGF50样品，无论使用哪种发泡剂，冲击强度增加的程度都几乎没有差异。在PP-LGF30样品中，用 CBA发泡的样品显示出比用PBA发泡的样品大得多的冲击强度， 但不能达到50%的密度降低目标。

在较高的开模冲程下，CBA零件有较大的凹陷痕迹。这可能是因为PBA中使用的N2气体比CBA释放的CO2具有更高的吹送压力，这导致PBA泡沫样品的芯部和表皮明显更厚，而CBA泡沫样品的情况正好相反。（每种气体都表现出不同的溶解、扩散和发泡行为。最近使用二氧化碳对PBA气体进行的测试表明， 它能提供较低的压力，但不会自动产生较厚的表皮。）此外，研究人员推测，较小的螺杆直径、额外 的止回阀，加上 MuCell工作站的气体混合区导致PBA样品中的纤维断裂比CBA样品中发生的纤维断裂更大。另一个可能影响结果的差异是，PA6材料是在更 高的熔体温度下加工的，这可能使发泡剂从注射筒的进料区泄漏。另一种可能性是PA6的较高粘度可能阻碍了发泡过程中气泡的形成。

Roch指出：“通过将化学或物理发泡剂与呼吸 模技术相结合，可以在一步中以适合大批量生产的速度生产出具有显著质量降低潜力的增强夹层复合材料。”  “鉴于此，我们认为这项技术对使用LFT 材 料的汽车模具制造商来说会很有趣。” 

这项技术的工作仍在继续，在今年底特律举行的SPE ACCE（2016年 9月7-9 日）上，Roch 将发表一篇关于使用这项技术为下一代宝马7系汽车（德国慕尼黑宝马公司）生产空气导流板的论文。共成型部件使 用硬 PP 和软热塑性弹性体（TPE- thermoplastic elastomer） 加上透气模具技术，与固体共成型部件相比，材料使用量减少了20%。 

注：原文见，《 Breathing-mold process yields sandwich composite from LFT》 . 

杨超凡 

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