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连续玻纤增强聚丙烯热塑性复合材料拉挤成型中的工艺参数

荆蓉 张锐涛 孟雨辰 王彦辉 张兴刚 赵玉 张用兵

荆蓉, 张锐涛, 孟雨辰, 等. 连续玻纤增强聚丙烯热塑性复合材料拉挤成型中的工艺参数[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-8
引用本文: 荆蓉, 张锐涛, 孟雨辰, 等. 连续玻纤增强聚丙烯热塑性复合材料拉挤成型中的工艺参数[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-8
荆蓉, 张锐涛, 孟雨辰, 等. 连续玻纤增强聚丙烯热塑性复合材料拉挤成型中的工艺参数[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-8
Citation: 荆蓉, 张锐涛, 孟雨辰, 等. 连续玻纤增强聚丙烯热塑性复合材料拉挤成型中的工艺参数[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-8

连续玻纤增强聚丙烯热塑性复合材料拉挤成型中的工艺参数

详细信息
    通讯作者:

    张兴刚,硕士研究生,高级工程师,研究方向为树脂基复合材料 E-mail: 13525987482@163.com

Parameters in the process of thermoplastic pultrusion usingglass fiber/polypropylene commingled yarns

  • 摘要: 采用复合纱拉挤方法制备连续玻纤增强聚丙烯(GF/PP)热塑性复合材料,研究了复合纱拉挤成型过程中模具温度及拉挤速度对制品截面中心温度的影响。以傅立叶定律为理论基础,分析了拉挤过程中模腔内的瞬态传热过程;建立了工艺参数矩阵,通过有限元数值计算,预测了不同模具温度、拉挤速度下制品截面中心的温度变化,优选了工艺参数组合。通过实验制备不同温度、不同拉挤速度的GF/PP复合纱拉挤试样,进行了弯曲模量测试及截面形貌观察。结果表明:在GF/PP复合纱拉挤过程中,拉挤速度不宜超过350 mm/min,模具熔融区温度设定应高于180℃;GF/PP复合纱拉挤制品在150℃—230℃—50℃成型温度、100 mm/min拉挤速度的工艺参数设定下获得最优的制品力学性能;在设定拉挤参数时,拉挤速度相较于熔融区温度更重要。
  • 图  1  GF/PP复合纱拉挤成型模具示意图

    Figure  1.  Sketch of GF/PP commingled yarns pultrusion mold

    图  2  热塑性拉挤型材

    Figure  2.  Pultruded thermoplastic composites

    图  3  不同温度下PP树脂黏度

    Figure  3.  PP viscosity under different temperature

    图  4  优选工艺参数下GF/PP复合纱拉挤制品中心温度的变化

    Figure  4.  Centraline temperature variation of GF/PP pultruded composites under different pulling speed and temperature

    图  5  不同温度、拉挤速度下制备GF/PP复合纱拉挤试样的弯曲模量

    Figure  5.  Flexural modulus of GF/PP pultruded composites prepared under different mold temperature and pulling speed

    图  6  不同拉挤工艺参数下GF/PP复合纱拉挤试样截面形貌

    Figure  6.  Cross-sectional morphology of GF/PP pultruded composites prepared at different mold temperature and pulling speed

    表  1  复合纱空气混合体属性

    Table  1.   Properties of lumped commingled yarns and air

    Material Density ρ/(kg·m−3) Conductivity k/(W·m·K−1) Specific heat Cp/(J·kg·K−1)
    GF/PP
    commingled yarns
    1 870 0.9 1 240
    Air 675 0.042 1 034
    Lumped 926 0.222 1 077
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    表  2  GF/PP复合纱属性

    Table  2.   Properities of GF/PP commingled yarns

    Mass fraction/wt% Tm/℃ Ts/℃
    60 165 240
    Notes: Tm—Melting temperature of PP resin; Ts—Decomposition temperature of additives in PP yarns.
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    表  3  拉挤模具各区域长度

    Table  3.   Pultrusion mold sectional zone length

    Zone Pre-heating Heating Cooling
    Length/mm 0-300 300-700 700-950
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    表  4  实验设计及结果

    Table  4.   Experiments Array and Results

    Experiments Factors Tmax/℃ tmelt/s
    T/℃ v/(mm·min−1)
    1 180 100 172.59 83.69
    2 180 250 155.53 0
    3 180 350 143.01 0
    4 180 500 125.87 0
    5 180 1 000 91.14 0
    6 200 100 188.47 160.66
    7 200 250 167.37 18.00
    8 200 350 152.98 0
    9 200 500 133.90 0
    10 200 1 000 96.08 0
    11 220 100 204.24 197.40
    12 220 250 179.37 48.65
    13 220 350 163.19 0
    14 220 500 141.91 0
    15 220 1 000 101.03 0
    16 240 100 220.71 210.09
    17 240 250 191.34 60.22
    18 240 350 173.37 25.80
    19 240 500 149.99 0
    20 240 1 000 106.00 0
    Notes: T—Heating zone temperature setting; v—Pulling speed setting; Tmax—Maximum centraline temperature; tmelt—Melting time.
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    表  5  GF/PP复合纱拉挤制品中心最高温度和树脂熔融时间影响因子方差

    Table  5.   Analysis of Variance (ANOVA) for Centraline temperature and melting time of GF/PP pultruded composites

    Factor Sum of squares-Tmax/℃2 Factor effect on Tmax/% Sum of squares-tmelt/s2 Factor effect on tmelt/%
    T/℃ 521.74 8.54 1 013.44 4.93
    v/(mm·min−1) 5 589.17 91.46 19 513.10 95.06
    Notes: T—Heating zone temperature setting; v—Pulling speed setting; Tmax—Maximum centraline temperature; tmelt—Melting time.
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  • 收稿日期:  2019-12-18
  • 录用日期:  2020-02-08

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