塑膠專欄
長纖補強熱塑複合材料技術發展與應用
複合材料
長纖補強熱塑複合材料技術發展與應用
長纖補強熱塑複合材料技術發展與應用 董佳欣 副研究員
緣起
熱塑成型加工之技術領域中，纖維補強複合材料於市面上已相當常見，目前產業對產品要求除了薄型化、輕量化還必須能具有特殊結構或複雜構件的加工可行性，連續纖維補強熱塑複合材料目前多以預浸材熱壓成型為複材成品或半成品，但在加工上仍有限制，碳纖維成型時無法過度的延伸，否則會造成纖維的破壞，故較難成形複雜之構件，以非連續纖維增強熱塑性複合材料可搭射出、押出或模壓製造各種造型之產品，成品品質與量產性達到一定水準。
長纖補強熱塑複合材料之特性
纖維補強高分子會依據纖維的形式、種類、含量、長度及分散在高分子中均勻度的不同而使得增加的機械性能有所差異(如圖1所示)，除了以上提及會影響補強性能的差異點外，纖維與高分子材料間的相容性也是對於複合材料的機械性能有相當大的影響。目前業界常用之短纖補強複材(Short fiber reinforced thermoplastic composite, SFT)膠粒中的纖維長度約在0.2~0.5 mm，而長纖補強複材(Long fiber reinforced thermoplastic composite, LFT)膠粒中纖維長度約為6-25 mm，LFT在射出成型時會形成3D立體網狀結構，此結構可大幅提升工程塑膠的使用溫度範圍和機械性質，且更不易因浮纖而造成表面粗糙，為了提升材料的剛性、強度、潛變、耐熱性與硬度，通常會依據需求而添加不同種類的纖維製成複合材料來達成提升性能的目的。
長纖補強熱塑複合材料技術發展形式
以熔融含浸法製備LFT之膠粒因樹脂不易浸入纖維束，故需設限高流動性樹脂與低含量纖維紗束，塑膠中心發展的流體化床含浸技術則可以避開國外專利的限制(如圖2所示)，使用低流動性樹脂、高含量纖維紗束進行製備LFT粒子，於粉體含浸過程中同時充分展紗，使樹脂可以充分包覆纖維，避免粒子中出現乾紗的情形(如圖3所示)。
長纖射出加工過程中在經過螺桿、射嘴、模具流道這三個路徑後，最終製品中的纖維平均長度已 ≦ 1mm，造成材料物性無法達到指標，因此應針對加工機射出單元、模具與射出參數進行調整，塑膠中心也與業者合作，在射出加工製程各階段針對不同的LFT材料，進行射出機螺桿與模具的設計變更，使LFT材料在射出後充分發揮自身之特性(如圖4所示)，並實際應用於各種不同產品中。
圖4. LFT射出成型技術開發
近期長纖熱塑複合材料技術發展及應用
近年來國內外因環保意識抬頭，熱塑性材料的可回收重複使用性受到關注，因此國內外廠商也陸續推出或研究自家的長纖熱塑複合材料原料或是產品，目前長纖熱塑複合材料最常應用之產品多在汽車零組件之應用，如圖5所示，汽車零組件一般希望達到快速生產，藉由使用長纖粒子射出成形加工可滿足其強度需求。除了一般在射出的應用外，國內業者漢源實業自歐洲引進「易安特綠能複合材料系統模板」，採長纖維增強熱塑性複合材料模壓成型技術（LFT-D）製造，提供國內各式建築模板及土木工程施工，包括：牆、柱、樑、樓版、水溝及擋水牆均可應用，可重複使用80次以上、損耗率低，堪稱環保、省工、快速、安全兼具的綠能建築模板工法。
為了進一步拓展熱塑複合材料之應用，發展以熱塑長纖與連續纖維補強熱塑複材板同時進行崁入加工成型之技術(如圖7所示)，可融合二者之特性，提升整體之機械強度，應用於3C、汽機車、能源與航太產業。
結論
由於目前的輕量化複材都是纖維與熱固性樹脂的結合，在後續處理上造成環保問題，因此具可再回收特性之熱塑複材預計未來市場需求量將逐漸擴大。
相對於短纖維，長纖維複合材料的增強效果更好，但也須解決纖維分佈、纖維與樹脂的界面問題，同時射出或押出後的纖維長度保留率也是技術的關鍵之一。
勢必將走向以複合之成型方式拓展其應用。