PP+30%GF 客戶生產(chǎn)現(xiàn)場，美芝隆MTX75系列雙螺桿擠出機產(chǎn)量高達1.6t/h

一、摘要

聚丙烯（PP）+30%玻璃纖維（GF）復(fù)合材料在汽車、家電等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其優(yōu)異的力學(xué)性能和輕質(zhì)特性使其成為重要的工程材料。本文綜述了為什么PP中要添加30%的GF，詳細闡述了在加工過程中對復(fù)合材料產(chǎn)品性能的關(guān)鍵影響要素進行了詳細分析。

二、生產(chǎn)工藝線

1. 原料處理與預(yù)處理工藝線

2. 擠出工藝線

3. 造粒工藝線

4. 后處理工藝線

5. 質(zhì)量控制與檢測

6. 自動化與智能制造

三、PP加纖擠出造粒影響力學(xué)性能的關(guān)鍵要素

1、PP選擇

選用PP原料主要依據(jù)兩條原則：一是根據(jù)增強和改性產(chǎn)品性能的要求，從而確定選用的是均聚PP、共聚PP還是經(jīng)化學(xué)處理的PP；二是根據(jù)PP所加工制品的幾何形狀和尺寸以及流動性能要求。

2、GF含量對PP-GF復(fù)合材料性能的影響

GF的力學(xué)強度很高，其單絲的拉伸強度為l174-3923 MPa，拉伸彈性模量高達450-1050MPa。GF的單絲直徑、單絲長度及其在復(fù)合材料中的含量都會對最終性能產(chǎn)生影響。用于增強PP的GF主要是無堿GF。纖維直徑應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，5-9μm時才可以充分發(fā)揮GF的增強作用。

表1GF含量對PP性能的影響

由表1可知，0～30％范圍內(nèi)，隨著GF含量的增加，材料的拉伸強度、彎曲強度和彎曲彈性模量越來越高，且具有較好的流動性。GF含量太低則起不到增強效果，過高時則脆性大，且材料的流動性差。此外，GF增強PP還具有更強的耐熱性，制品的尺寸穩(wěn)定性也得到大幅改善，成型收縮率減小。

3、界面相容性對PP-GF復(fù)合材料的力學(xué)性能影響

界面相容性是聚合物改性中常遇到的問題，對于PP-GF復(fù)合材料而言，如何提高界面相容性是提高其力學(xué)性能的關(guān)鍵。界面改性通過引入適當?shù)慕缑娌牧希ㄈ缭鋈輨?、偶?lián)劑等），可以顯著改善聚丙烯（PP）與玻璃纖維（GF）之間的界面結(jié)合力。例如，采用固相法制備的三元單體接枝聚丙烯（GPP）作為界面改性劑，與玻璃纖維和聚丙烯共混制備PP-GF復(fù)合材料，可以顯著提高復(fù)合材料的界面強度。

沖擊性能增強：

圖5顯示，隨著GPP添加量從0wt%增加至9wt%，無缺口沖擊性能逐步提升，最佳效果出現(xiàn)在9wt%處，隨后略有下降。這表明GPP有效改善了玻璃纖維與聚丙烯的界面相容性，提升了復(fù)合材料的抗撞擊能力。但過量添加GPP會削弱聚丙烯分子鏈間的相互作用，導(dǎo)致沖擊性能下降。

拉伸性能優(yōu)化：

圖6 表示添加GPP 的PP-GF 復(fù)合材料試樣的拉伸強度和斷裂伸長率。隨著GPP 的添加，拉伸強度先增加后下降，在添加7wt% 相容劑時拉伸強度最大，說明相容劑有助于提高復(fù)合材料拉伸強度，增加了玻璃纖維在聚丙烯中的應(yīng)力傳遞，提高了拉伸破壞能力。在相容劑大于9wt% 后拉伸強度趨于穩(wěn)定，結(jié)果表明拉伸破壞主要是玻璃纖維脫粘或玻璃纖維斷裂引起的，GPP 添加量超過9wt% 后不能引起界面強度的提高。在添加1wt% 相容劑時，斷裂伸長率有較大提高，但隨著相容劑添加大于3wt% 后，斷裂伸長率在下降后且保持了穩(wěn)定，表明復(fù)合材料中相容劑在一定添加后界面應(yīng)變也趨于穩(wěn)定。

彎曲性能提升：

圖7顯示，隨著GPP含量的增加，PP-GF復(fù)合材料的彎曲強度和彎曲模量持續(xù)上升，直至7wt%時達到最優(yōu)。這歸因于GPP增強了界面強度，穩(wěn)定了玻璃纖維在聚丙烯基體中的分布，從而提高了復(fù)合材料的承載性能。然而，GPP含量超過7wt%后，聚丙烯分子鏈間的相互作用減弱，導(dǎo)致彎曲強度下降。

4、擠出造粒設(shè)備、工藝對復(fù)合材料的影響

溫度、速度對復(fù)合材料的影響：

在PP+30%GF復(fù)合材料的擠出造粒工藝中，擠出機作為核心設(shè)備，其性能與操作直接決定了生產(chǎn)線的效率與產(chǎn)品質(zhì)量。其中，溫度控制是這一過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對復(fù)合材料的力學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響。

首先，合理的溫度設(shè)置是確保玻璃纖維在聚丙烯基體中均勻分散的先決條件，同時促進聚丙烯的充分熔融與流暢擠出。溫度過高會誘發(fā)材料降解，損害產(chǎn)品性能；而溫度過低則會導(dǎo)致擠出不暢，甚至對設(shè)備造成損害。因此，精確控制溫度是工藝優(yōu)化的首要任務(wù)。

為了滿足這一復(fù)雜的溫度控制需求，美芝隆雙螺桿擠出機采用西門子 S7-PLC1500可編程控制器+RKC的控制模塊，使溫度精度可以控制到±1℃。每個筒體均具備獨立控溫功能，能夠根據(jù)不同材料的特性進行精確調(diào)節(jié)。同時，擠出機配備了高效的加熱和冷卻裝置，確保在擠出過程中能夠迅速響應(yīng)溫度變化，將材料維持在最適宜的加工溫度范圍內(nèi)，進一步提升了產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性。

整體控制系統(tǒng)更是融入了節(jié)能、智能、集成的先進理念，系統(tǒng)間的信息交互流暢無阻，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與智能分析，為生產(chǎn)決策提供有力支持。

擠出壓力對復(fù)合材料的影響

在PP+30%GF復(fù)合材料的擠出過程中，擠出壓力應(yīng)控制在1.5 MPa到3.8 MPa之間。此壓力范圍內(nèi)，熔體能夠順利擠出，制品表面光滑，尺寸精度高。同時，該壓力范圍有助于保持玻璃纖維的完整性，避免因過高壓力導(dǎo)致的纖維斷裂和分散不均。

冷卻方式對復(fù)合材料的影響

當冷卻速度減慢，伴隨著冷卻時間的延長，PP+30%GF復(fù)合材料的拉伸強度和彈性模量往往會呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢。這一積極變化的核心原因在于，較慢的冷卻速度賦予了聚丙烯基體中的分子鏈更多時間進行有序的排列與結(jié)晶。這種更為充分的結(jié)晶過程使得材料內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)更加緊密，從而直接提升了其力學(xué)性能，包括拉伸強度和彈性模量。

冷卻方式還會影響產(chǎn)品的表面光潔度和尺寸穩(wěn)定性。較快的冷卻速度可能導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)縮孔、裂紋等缺陷；而較慢的冷卻速度則有助于獲得更平滑、更均勻的表面。

四、結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了PP原料的選擇、GF對PP性能的影響、界面相容性以及擠出造粒工藝對PP-GF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。通過引入界面改性劑GPP，顯著提高了PP-GF復(fù)合材料的沖擊性能、拉伸性能和彎曲性能。擠出機在PP+30%GF復(fù)合材料的生產(chǎn)線上承擔(dān)著熔融、混合、分散、輸送、成型和質(zhì)量控制等多重關(guān)鍵作用。它不僅是材料加工的核心設(shè)備，還直接影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。通過優(yōu)化擠出機的設(shè)計和工藝參數(shù)，可以顯著提升復(fù)合材料的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

 美芝隆MTX系列雙螺桿擠出機，選用高扭矩齒輪箱（15.0Nm/cm3 ) 和進口安全聯(lián)軸器，獨特水道設(shè)計筒體，高效的加熱棒加熱以及優(yōu)質(zhì)的選材等，其產(chǎn)量更高，加工產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)。低能耗，高穩(wěn)定性，具有廣泛的應(yīng)用范圍和非常靈活的操作彈性 。MTX系列的主要特點是更大的功率密度, 更高的螺桿轉(zhuǎn)速, 更強的生產(chǎn)能力, 優(yōu)化的外內(nèi)徑比, 優(yōu)化的防磨解決方案, 可靠性高的機械工藝。

美芝隆構(gòu)建的全方位自動化生產(chǎn)線，涵蓋從原料儲存、精準輸送、智能稱重配混與計量喂料，到高效混煉造粒及自動包裝等各個環(huán)節(jié)。這一自動化體系的實施，不僅提升了生產(chǎn)效率，更通過資源共享的集中管理，達到降本增效的目的。

五、參考文獻

1、荊蓉、 張銳濤、孟雨辰、王彥輝、張興剛、趙玉、張用兵《連續(xù)玻璃纖維/聚丙烯熱塑性復(fù)合材料拉擠成型中的工藝參數(shù)》，2020。

2、吳超、錢晶《玻纖增強阻燃聚丙烯的研制》，2015。

3、黃云剛、黃維龍、洪浩群、張海燕《界面改性對聚丙烯-玻璃纖維復(fù)合材料力學(xué)性能影響》，2022年。