第618
中图法分类号：TQ171.77+7.77
文献标识码：A
机械性能的影响
张志坚，冉文华，章建忠，崔峰波，沈林峰，张萍，王堃
（巨石集团有限公司，桐乡 314500）
摘 要：通过对比拉伸强度、弯曲强度以及耐疲劳性能，研究了不同的螺杆组合方式对玻璃纤维（GF）增强PP、PA6、PA66、PC以及ABS材料性能的影响。根据塑料的种类，设计出几款适合GF增强复合材料的螺杆组合。结果表明：不同材料搭配适当的螺杆组合方式可达到较为理想的机械性能，4#螺杆组合适合PA66和ABS材料的挤出注塑，6#、3#、2#螺杆分别适合PP、PA6、PC材料的挤出注塑。 关键词：螺杆组合；玻璃纤维；机械性能；挤出注塑
Effects of Screw Combination on Mechanical Properties of Glass Fiber
Reinforced Composites
Zhang Zhijian, Ran Wenhua, Zhang Jianzhong, Cui Fengbo, Shen Linfeng, Zhang Ping, Wang Kun
（Jushi Group Co., Ltd., Tongxiang 314500）
Abstract: In this paper, the effects of screw combination on the mechanical properties of glass fiber reinforced PP, PA6, PA66, PC and ABS composites were studied by comparing the tensile strength, flexural strength and fatigue resistance of the materials. According to the types of plastics, several screw combinations suitable for glass fiber reinforced composite materials were designed. The results have shown that different materials coupled with appropriate screw combination can achieve ideal mechanical properties. 4# screw combination is suitable for the extrusion and injection molding of PA66 and ABS materials, and 6#, 3# and 2# screw combinations are suitable for the extrusion and injection molding of PP, PA6 and PC materials respectively.
Keywords: screw combination; glass fiber; mechanical property; extrusion-injection molding
0 前言
玻纤增强塑料制品，以其比强度高、热性能好、优良的耐化学腐蚀性、良好的耐老化性能、加工性
能而得到越来越广泛的应用，如电子设备、汽车、机械、通讯设备等。玻璃纤维含量一般在20%~50%，所用基体塑料有聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、AS、PC、ABS、热塑性聚酯（PET、PBT）等，且随
收稿日期：2020-10-05
修回日期：2020-10-11
作者简介：张志坚（1980- ），男，正高级工程师，浙江省巨石玻璃纤维研究院，浙江省玻璃纤维研究重点实验室研发总监。主要从事玻璃纤维和玻璃钢复合材料方面的研究。
DOI:10.13354/jki32-1129/tq.2020.06.004
着应用领域不断的扩大，其品种也在不断增加［1-4］。制品性能的优劣，不仅与增强材料玻纤、基体树脂有关，与成型工艺也有很大的关系。影响玻纤增强塑料制品强度的主要因素是GF在聚合物混合料中的长度、分散均匀性以及与聚合物熔体相容性的好坏［5-7］。在固定的基体与增强材料下，研究成型工艺对复合材料制品机械性能的影响是很有必要的［8］。本文采用南京科倍隆机械公司的KS-35型科倍隆挤出机，设计了几种螺杆组合进行试验，通过比较研究了不同螺杆组合对玻纤长度以及制品的 力学性能影响，并对螺杆组合进行合理的优化，针对不同的塑料制品设计出合理的螺杆组合［9，10］。
1 实验部分
1.1 实验原材料
PA66，型号101L，美国杜邦有限公司；
PA6，型号2800，岳阳石化；
PP，型号F401，盘锦乙烯；
PC，型号L-1250Y，日本帝人；
ABS，型号GP22，德国巴斯夫；
其他助剂，市售；
GF，巨石集团。
1.2 主要设备和仪器
挤出机，型号KS-35，南京科倍隆机械公司；
注塑机，型号2000i，日本发那科公司；
强力机，型号50KN，德国Zwick公司；
强力机，型号10KN，德国Zwick公司；
疲劳试验机，型号8801，英斯特朗；
摆锤冲击仪，型号15J，CEAST公司；
偏光显微镜，型号DYE-400E，上海点应光学仪器有限公司。
1.3 试样制备
1.3.1 挤出试验
为保证试验结果的可比较性，固定实验配方，采用6种螺杆组合分别进行挤出造粒试验。具体试验方案为：将烘干后的PP、PA6、PA66、PC以及ABS 树脂分别与GF和其他助剂按照69.5∶30∶0.5的比例进行共混挤出造粒。按照树脂类型设定螺杆组合的各阶段温度，主机转速为180 r/min，将树脂与助
剂按照试验比例共混后由加料口加入，经过螺杆组合熔融段，玻璃纤维由侧料口加入，经过混合段与排气段后，由造粒机进行短切造粒，干燥后待用。
1.3.2 注塑试验
将1.3.1中的粒子按照与树脂类型匹配的注塑成型工艺进行注塑试验，制得样品，按照力学性能测试标准制备样条进行力学性能测试。
1.4 性能测试与结构表征
（1）拉伸强度按照ISO527《纤维增强塑料拉伸性能测试标准》，拉伸速率为10 mm/min。
（2）弯曲强度按照ISO178《纤维增强塑料弯曲性能测试标准》，弯曲速率为10 mm/min。
（3）悬臂梁无缺口冲击强度按照ISO179《纤维增强塑料冲击性能测试标准》，摆锤能量为15 J。
（4）悬臂梁缺口冲击强度按照ISO179《纤维增强塑料冲击性能测试标准》，摆锤能量为2 J。
设备防尘罩（5）光学显微镜分析：将1.3.1中挤出后的粒子，放入马弗炉中烧尽后使用光学显微镜观测玻璃纤维长度。
2 结果与讨论
2.1 螺杆组合对体系中玻璃纤维长度的影响
不同的螺杆元件具有不同的加工特性与功能，如图1所示，GF增强塑料的螺杆一般具有加料段、熔融段、第二加料段、混合段以及排气段。其中混合段是影响GF在体系中的长度的主要工作段，本文采用以下螺杆元件进行试验，其中针对混合段设计了6种不同的螺杆组合，具体设计见表1。并通过光学显微镜观测各体系中6中螺杆组合对GF长度，测量结果见表2。
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（1）输送元件：主要用于物料输送及建压，32/32，48/48，22/22，22L/11。
led台灯转轴（2）啮合块元件：主要对物料进行剪切及混合，
30/7/48，45/5/32，60/4/22，90/5/32。
（3）齿形盘元件：主要对物料进行分流置换与混合，
SME22/22。
图1 用于GF 增强塑料的螺杆组合示意图
表1 6种不同的螺杆组合形式
螺杆组合编号
加料段
熔融段
第二加料段
混合段
排气段
1＃32/32，
48/48×5，32/32，22/22×4
30/7/48，45/5/32×2，32/32×2，45/5/32×2，48/48，22/22，45/5/32，60/4/22，32/32，
22L/11，
48/48×2，32/32，22/22×3SME22/22×2，90/5/32×2，45/5/32，32/32，60/4/22×332/32，22L/11，48/48×2，32/32×3，22/22×42＃SME22/22×2，90/5/32×2，45/5/32，32/32，22/22，
60/4/22×23＃SME22/22×2，90/5/32×2，32/32×2，22/22，
60/4/22×24＃SME22/22，22/22×2，45/5/32，60/4/22，32/32，
22/22，60/4/22×25＃SME 22/22×2，45/5/32，60/4/22，32/32×2，
22/22×2，45/5/326＃运行网
SME22/22×2，45/5/32，32/32×3，22/22×2，45/5/32
表2 各体系料粒中GF保留长度 μm
螺杆组合编号1＃2＃3＃4＃5＃6＃PP 体系569.2571.6573.2592.8614.4636.6PA6体系432434.4435.2443.6454482.4PA66体系452456460.4474.8480.2498.4PC 体系363.6372.2373.6378385.3398.2ABS 体系
452.4
452.4
455.2
464.8
472.4
496
GF保留长度对制品的强度有很大的影响，而混合段的剪切强度对GF保留长度影响较大。由表1可知，1#螺杆组合到6#螺杆组合，其混合段的啮合块元件逐渐减少，输送元件逐渐增大，因此其剪切强度逐渐降低，剪切时间也缩短，致使其GF保留长度逐渐增长。
喷砂工艺
由表2可知，同一体系中，不同螺杆组合其GF 保留长度有一定差异，这主要是因为不同螺杆组合其剪切强度和剪切时间不同，致使GF保留长度有所差异。同一螺杆不同体系其GF保留长度相差较大，主要是不同体系的熔体粘度差异较大，致使GF在熔体中剪切难易和剪切时间差别较大，因此GF保留长度相差较大。
2.2 螺杆组合对GF增强不同塑料力学性能的影响
表3~7分别给出各螺杆组合下GF增强PP、PA6、PA66、PC以及ABS粒料经注塑成型后制品的力学性能数据。由表1可知，1#螺杆组合到6#螺杆组合其GF保留长度逐渐增加，这主要归因于螺杆组合的混合段的啮合块元件逐渐减少，输送元件逐渐增大，因此其剪切强度逐渐降低，剪切时间也缩短，致使其GF保留长度逐渐增长。
由表3可知，对于PP材料，螺杆组合对GF增强PP制品力学性能影响较小，且随着剪切强度的降低，即螺杆组合由1#到6#，其力学性能缓慢提高，但增加幅度较小。这主要归因于PP材料熔体与GF的混合物粘度相对较低，螺杆剪切时间短，剪切强度的变化对其玻纤长度影响较小，GF在体系中分散均匀，因此制品强度逐渐增强，但增幅较小。
由表4到表7可知，对于PA6、PA66、PC以及ABS材料，其制品力学性能最大值并没有出现在GF
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保留长度最大时的螺杆组合，即6#螺杆组合。这主要是因为GF保留长度太长和树脂材料共混时分散不均（见图2），致使材料力学性能有所下降，这一点在缺口冲击强度上体现较为明显。PA66和ABS 体系中GF保留长度相近，力学性能的最大值都是在4#螺杆组合时的制品，而GF保留长度相对较小的PA6材料，其力学性能的最大值是在剪切强度较大的3#螺杆组合时的制品。GF保留长度最小的PC体系，其力学性能的最大值是在剪切强度很大的2#螺杆组合时的制品。同一体系中，螺杆组合的不同对制品强度影响较大，而对于同一螺杆组合，树脂材料的不同会影响GF的保留长度以及在体系中的分
散情况，同样对制品的力学性能造成很大的影响。因此不同的树脂体系要选择适合该体系的螺杆组合，得到力学性能最优的螺杆组合。
表3 不同螺杆组合时GF增强PP制品的力学性能
螺杆组合
拉伸强度/MPa 弯曲强度/MPa 无缺口冲强度/kJ·m -2缺口冲击强度/kJ·m -2
1#
88.54135.1351.4014.392# 90.07136.9454.1313.803# 92.88143.6751.6714.834# 92.74144.5855.6814.005# 92.30143.0551.5513.876#
94.28143.0753.9615.46
表4 不同螺杆组合时GF增强PA6制品的力学性能
螺杆组合拉伸强度/MPa 弯曲强度/MPa 无缺口冲强度/kJ·m -2缺口冲击强度/kJ·m -2
1#
170.42260.4485.7714.672# 172.54261.9990.7414.753# 177.96275.696.3719.394# 175.83271.0293.5818.895# 172.94268.9991.6518.836#
172.79266.1891.6115.23
表5 不同螺杆组合时GF增强PA66制品的力学性能
螺杆组合拉伸强度/MPa 弯曲强度/MPa 无缺口冲强度/kJ·m -2缺口冲击强度/kJ·m -2
1#
189.55290.9651.6712.672# 189.89293.3851.6712.963# 191.02294.3183.8513.524# 198303.8392.6413.995# 196.6299.9886.6813.596#
192.08
299.6
86.6311.55
表6 不同螺杆组合时GF增强PC制品的力学性能
螺杆组合拉伸强度/MPa 弯曲强度/MPa 无缺口冲强度/kJ·m -2缺口冲击强度/kJ·m -2
1#
124.46184.359.4215.162# 129.43209.1470.7316.443# 129.2207.6966.4416.44# 128.48201.2665.8516.095# 127.41192.0863.2215.696#
纯碱制烧碱
126.18
188.67
62.8912.51
表7 不同螺杆组合时GF增强ABS制品的力学性能
螺杆组合拉伸强度/MPa 弯曲强度/MPa 无缺口冲强度/kJ·m -2缺口冲击强度/kJ·m -2
1#
94.12118.9222.228.62# 95.47124.0822.768.753# 96.03126.7423.158.774# 100.17137.5624.579.035# 97.82129.2324.498.976#
96.57
128.77
23.197.57
图2 GF
增强各体系制品扫描电镜照片
a. PA6体系3#螺杆组合
b. PA6体系6#螺杆组合
c. PA66体系4#螺杆组合
d. PA66体系6#螺杆组合
e. PC 体系2#螺杆组合
f. PC 体系6#螺杆组合
g. ABS 体系3#螺杆组合h. ABS 体系6#螺杆组合
3 结论
螺杆组合中的啮合块元件数量和角度对GF保留长度影响较大，随着啮合块元件的增加以及角度的增大，其剪切强度同步增大，GF保留长度减小；树脂材料本身对GF保留长度也有较大影响，树脂材料与GF共混后的粘度增大，其保留长度变小。
不同的树脂材料应选用不同的螺杆组合，对于共混体系粘度较低的材料应选择剪切强度较小的螺杆组合，随着树脂材料与GF共混体系粘度的增大，适当增加螺杆组合的剪切强度，得到适合该材料的最优螺杆组合。6#螺杆组合适合PP材料的挤出生产，4#螺杆组合适合PA66和ABS材料的挤出生产，3#螺杆组合适合PA6材料的挤出生产，2#螺杆组合适合PC材料的挤出生产。
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（上接第17页）
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