长玻纤增强热塑性塑料的市场应用前景

       长玻纤增强热塑性塑料(long glass fiber reinforced  thermoplastics，LFRT)是近年来得到迅速发展的一类高性能复合材料，与短玻纤增强热塑性塑料相比，LFRT具有以下显著优点：高强度、刚性、弯曲强度、拉伸强度等；耐高温、耐低温，尤其适合使用在高低温交变频繁的场合；高尺寸稳定性；可在普通注塑机上进行注塑成型，也可模压成型；低翘曲、表面光洁。由于突出的力学性能和热性能，LFRT可在汽车、机械、体育、航空航天等领域广泛应用。因此，研究LFRT对促进复合材料的发展以及拓展玻纤增强复合材料在工业上的应用，有重要的研究意义和工业价值。
　　LFRT技术是实现通用塑料和工程塑料达到高性能化目标的重要技术之一，己引起国内外科研单位与工业界的广泛关注，并争先研究开发，形成了一系列的技术。

1　国内外LFRT发展状况

1.1　国外状况
　　20世纪80年代国外开发了长纤维增强热塑性复合材料(LFRT)，现代汽车工业向着以减轻车身自重为主的节能降耗方向发展。当前，国际上已把塑料的用量作为衡量一个国家汽车工业水平的重要标志之一。轻质高强的LFRT材料也已从小批量的、少数的汽车零部件的生产扩展到大批量的、广泛的汽车零部件生产，逐步成为制作汽车零部件的主流材料，尤其是在那些机械强度要求高的领域，如前端框架、吸能防撞保险杠、座椅骨架、车身底护板等。
　　据统计，汽车行业的LFRT消耗量约占世界LFRT行业总消耗量的80％。而在汽车行业中，欧美LFRT消耗量大约占95％，其中欧洲占80％，美国占15％。

(欧洲热塑性复合材料联盟统计)
　　可以说，LFRT是汽车复合材料工业中的希望之星。LFRT完全可以替代汽车业、工业以及园林草坪业中的压铸件、钢质冲压金属件以及短玻纤增强热塑性复合材料件，但是目前汽车行业仍然是LFRT主要的应用领域。总体上看，近年来LFRT的市场预计增长率平均可达18~25％，其中亚洲的增长率最为强劲，约为25％；西欧和北美洲的增长率预计分别可达17％和12％。
　　另据统计，目前在全世界LFRT的销售总额中，GMT约占52％，LFRT-G约占32％，而LFRT-D仅占16％。随着新材料、新工艺、新技术的不断普及和推广，专家预测除GMT以外，LFRT的销售量每年将增长30％，其中LFRT-D的增长速度会更快。
　　1.2　国内状况
　　LFRT在中国的开发和应用起步相对较晚。直到20世纪90年代后期，国内一些研发实力较强的公司才开始进行该材料的研发工作。由于，国内汽车家电产量增涨很快，对LFRT的需求很旺盛，外资企业看重国内巨大的消费市场，也加大了在中国的投资，如RTP、沙特基础工业公司(SABIC)、韩国湖南石化等专业公司都在国内投资建厂，以提高在华的生产能力。
　　近几年，中国的汽车产销已突破1000万辆，汽车产量超过德国位居世界第一。从汽车行业的LFRT消耗量约占世界LFRT行业总消耗量的80％这一统计数字来看，中国LFRT材料大有市场。中国有实力的塑料改性企业也加入到LFRT材料的研发之中，其中，南京聚隆科技发展有限公司、广州金发科技、上海杰事杰等公司研发LFRT产品，占有了一定的市场份额。

2　LFRT技术和工艺概况

LFRT具有很好的机械属性，重量轻但硬度强度高的性能非常适合用于汽车制造业。且可以同步合成使得用户拥有更多的灵活性，因为他们能够按照自己的工艺配方合成和生产这些物料并可用来合成。

2.1　工艺
　　目前市场上主要有3种有影响的工艺，即E—LFRT，D—LFRT和S—LFRT工艺。E—LFRT是同步合成和直接挤出成型或成片；D—LFRT是同步合成和直接挤压成型；S—LFRT是同步合成和直接注塑成型。这三种主要工艺都要求使用重量式连续喂料，将物料连续精确地喂入挤出机内。LFRT工艺中使用的无论是单螺杆挤出机还是双螺杆挤出机，都具有独特的螺杆设计。
　　2.2　成分
　　通常聚合主料由单螺杆或振动式喂料器轻盈的喂出。喂料系统也集成了真空上料机，负责失重式喂料器的补料。一至三种添加剂如粉料或颗粒状的颜料，稳定剂等可选用小型的失重式喂料器(单螺杆或双螺干喂料器，振动喂料器或固体容积泵喂料器)。边角料和其他一些回收料在经过粉碎处理后可按一定比例再用于工艺生产中，可选用振动失重喂料器。
　　2.3　玻纤
　　原料玻纤绕在其卷筒上，通过转动卷筒轴，玻纤丝连续不断的加入挤出机内。玻纤以体积式喂入，流量稳定。每一玻纤卷筒可由红外线传感器监测其状态。将玻纤卷简置于重量传感器上并测量其单位时间内重量的减少就可实现玻纤喂料的重量控制。
　　2.4　喂料系统
　　喂料器瞬间喂料精度高的关键是其称重传感器的分辨率和与控制器之问的响应时间。如下图所示，当使用分辨率较低的称重传感器，就需要花较长的时间来获得一定的喂料混料精度。但是若要求瞬间喂料混料精度极高以满足连续生产的要求，就必须使用高精度的重量传感器。

喂料器瞬间喂料精度高的关键是其称重传感器的分辨率和与控制器之间的响应时间。如上图所示，当使用分辨率较低的称重传感器，就需要花较长的时间来获得一定的喂料混料精度。但是若要求瞬间喂料混料精度极高以满足连续生产的要求，就必须使用高精度的重量传感器。

3　国外LFRT牌号及其应用

近年来，LFRT在国外得到了迅速发展，几乎每个知名化工企业都有相关的产品面市，并拥有自己的品牌，例如，国际上最大的LFRT生产企业沙特基础工业公司(SABIC)，欧洲最大的LFRT生产企业泰科纳工程聚合物公司(TICONA)，美国专业生产LFRT的企业安特普公司(RTP)，日本智索株式会社、大赛珞公司等。同时LFRT的产品也逐年增加应用领域尤为广泛。
　　过去几十年中，PP材料在汽车行业的使用以平均每年大约3~5％的速度稳定增长，现已在众多部件和组件中取代金属和其他高分子材料。PP用途广泛且易于加工的特性使其需求不断增加。目前，PP改性材料是很多汽车应用(包括保险杠蒙皮、仪表板(IP)、门板、内饰件和其他部件)  的首选解决方案。
　　欧洲的OEM于本世纪初率先使用SABIC STAMAX LGFPP复合材料，主要用于前端模块、门模块、仪表板骨架、后尾门和座椅结构等大型制件。由于SABIC STAMAX LGFPP复合材料具有出众的强度、尺寸稳定性以及适合薄壁结构件的高流动性，Noryl GTX*树脂用于加油口盖／油箱盖。SABIC的汽车塑料产品是业内最庞大、最多样化的产品系列之一。除了PP材料外，该产品系列还包括各类工程热塑性树脂。这些高分子材料占据了当今车辆制造所用塑料60％的份额。
　　TICONA推出了Hostaform POM／LGF，这种材料具有比标准增强的热塑性聚合物更优异的性能，应用在了汽车遮阳篷、车座、设备、高负载力的传动装置等领域，代替聚丙烯、尼龙(PA)、聚酯复合材料和金属等。
　　近日，由巴西设计师古托印第安人科斯塔设计的“IC01椅子”获得了美国设计大奖。该塑料椅使用了美国泰科纳的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料Celstran LFRT。该椅子是由泰科纳的玻璃纤维增强聚丙烯(PP)Celstran LFRT和含量30％的玻璃纤维一次模压成型的，重量仅为5.5公斤。Celstran LFRT在设计自由度、可加工性和成本方面优于其他材料，包括非增强聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、短切原丝增强尼龙和聚酯。
　　RTP独特的resultKeyword长玻纤增强材料可以替代多种金属、包括铅。刚性和韧性的结合使其具有优异的高抗冲性。在各种温度和高速的情况下，它因具有尺寸稳定、耐翘曲、高温保持刚性、极佳的耐蠕变性及高比强度等特性，使其逐步取代金属，并广泛应用于汽车、制鞋、电子电器、航空航天等领域，目前，RTP在中国的生产工厂位于江苏省的苏州市。
　　北欧化工和博禄推出Nepol GB215HP，一种长玻璃纤维增强聚丙烯的成功案例。这种材料可用于宝马1、3、5、7系列的仪表板载架。与以前使用的材料相比，Nepol GB215HP可减重20％，同时降低20％的系统成本，这种材料还支持宝马SGI集成泡沫注塑工艺。：Nepol长玻璃纤维增强聚丙烯和Daplen系列材料在汽车减重上的增值价值。

4　LFRT的巨大应用前景

LFRT作为当今玻璃纤维增强材料的一个发展趋势，受到了国内外各大塑料改性生产厂商的高度重视，特别是长玻纤增强PP材料，由于其很高的性价比优势，更被业界所广泛看好。许多厂商纷纷投入大量的人力、物力进行该类型材料的生产研发和市场开拓的工作。
　　4.1　汽车行业：前端支架、车门板集成模块、汽车仪表盘骨架、冷却风扇及柜架、车顶窗框架／压条、保险杠、自锁刹车系统、小轴和齿轮零件、汽车行李架和缓冲器、汽车蓄电池外壳／托架、镁铝浇注制件、轿车座椅骨架、换挡器底座、齿轮箱外壳、汽车踏板／刹车板支撑、柴油机风扇外罩、汽车外饰镜框架、导流管的扇叶、电机过滤器罩、汽车雨刷器支架、卡车同轴气缸离合器及辅助件等，用于替代短玻纤增强PA货金属材料。

4.2　机电行业：导流管扇叶、电机过滤器罩、风叶片、同轴气缸离合器辅助件、高扬程潜水电机、水泵、止推轴承、导轴承/机车导轨、真空泵、压缩机转子等。
　　4.3　家电行业：洗衣机滚筒、洗衣机三角支架、一刷机滚筒、空调风扇等、用于替代短玻纤增强PA、APS金属材料。
　　4.4　通讯、电子、电器行业：通讯电子行业的高精度接插件、点火器零组件。线圈轴、继电器基座、微波炉变压器线圈架/框架、电气连接器、电磁阀封装件、扫描仪组件等。
　　4.5　其他：电动工具外壳、水泵或水表外壳、叶轮、自行车骨架、滑雪板、地面机车脚踏板、军用/民用安全头盔、完全鞋包头等，用于替代短玻纤增强PA、PPO等。

5　展望

LFRT是当今塑料增强改性中最重要的发展趋势之一，已在欧洲和美国的汽车制造业中大量使用。但是，国内对LFT的研究还比较落后，加快LFRT技术开发研究并扩大其应用已迫在眉睫。当前，LFRE成型技术的发展趋势是：扩大增强聚合物的种类；加工成型技术改进，以扩大产能，缩短成型周期；扩大填充纤维的种类，如碳纤维、麻纤维等。