O que determina o comprimento e a resistência mecânica da fibra de vidro?

Quatro parâmetros-chave que regem o controle do comprimento da fibra de vidro: temperatura, velocidade de rotação, configuração do parafuso e zonas de processo

Na indústria de compostos plásticos, o polipropileno reforçado com fibra de vidro curto (SGFPP) é amplamente adotado em veículos de nova energia, eletrodomésticos inteligentes,e eletrónica graças à sua estrutura leve, excelente resistência à fadiga e vantagens em termos de custo-eficácia.

Os engenheiros de formulação enfrentam frequentemente um problema desconcertante: "Usamos 30% de carga de fibra de vidro, tal como os concorrentes, mas a sua resistência à tração excede 100 MPa, enquanto a nossa só atinge 80 MPa.O principal culpado reside emcomprimento da fibra de vidro retidaO comprimento das fibras de vidro residuais determina directamente a eficiência da transferência de tensão através do material.

Este artigo desagrega quatro fatores críticos: temperatura, velocidade de rotação do parafuso, configuração do parafuso e zonas de extrusão para analisar como cada um molda o comprimento da fibra de vidro e a resistência mecânica final.

Evitar viscosidade excessiva do fundimento: uma fibra de vidro

Muitos acreditam erroneamente que a temperatura de extrusão serve apenas para derreter o polipropileno (PP).

Os ensaios foram realizados sob geometria de parafuso de bloco de amassamento (KB) padrão e uma velocidade de parafuso de 500 r/min.O comprimento médio da fibra de vidro retida no material subiu de forma constante de 496 μm para 547 μmO princípio físico subjacente é simples: temperaturas mais elevadas reduzem a viscosidade da fusão de PP.Lâmina sementeira para diluirA redução da abrasão por atrito significa que as fibras intactas permanecem mais tempo na matriz.

Isso significa que temperaturas mais altas sempre dão melhores resultados?reduzindo o peso molecular e causando a volatilização de frações de baixo peso molecularPara os técnicos de produção, a utilização de um motor de combustível não é suficiente para reduzir o risco de acidente.O equilíbrio ideal entre a redução da viscosidade para proteger as fibras de vidro e evitar a degradação térmica do polímero é uma tarefa delicada..

Velocidade de rotação do parafuso: uma espada de dois gumes

Para aumentar o rendimento, muitas fábricas de composição executam suas extrusoras a velocidades de parafuso máximas.

Os testes em velocidades de parafuso variando de 300 r/min a 1000 r/min em geometrias de parafuso idênticas revelaram uma queda dramática e acentuada no comprimento da fibra retida à medida que a velocidade de rotação aumentava:comprimento da fibra caiu de 633 μm a baixas velocidades para apenas 482 μm a altas velocidadesAs velocidades elevadas dos parafusos criam um aumento linear na taxa de cisalhamento, gerando forças de cisalhamento duras e repetitivas que quebram as fibras de vidro rapidamente.

Curiosamente, a resistência à tração em massa permaneceu estável em torno de 100 MPa sem queda acentuada apesar do encurtamento significativo da fibra.Para o SGFPP, mesmo após uma quebra grave, a maioria das fibras residuais ainda excede o limiar crítico de comprimento da fibra.A mistura por corte elevado proporciona uma orientação superior das fibras e uma dispersão uniforme. Estes dois benefícios compensam parcialmente as perdas de desempenho das fibras mais curtas..

Dito isto, um colapso catastrófico nas propriedades mecânicas ocorre quando a intensidade de cisalhamento reduz o comprimento da fibra abaixo do limiar crítico.

Compromissos na configuração do elemento de parafuso

A geometria dos parafusos é o coração dos extrusores de parafusos duplos.Foram testadas seis configurações distintas de parafusos para avaliar o seu impacto nas fibras de vidro na secção de mistura a jusante da alimentação de fibras.

A geometria ZME1 produziu as fibras de vidro residuais mais curtas, abaixo de 500 μm. Os elementos ZME proporcionam uma mistura distributiva intensa, juntamente com cisalhamento extremo localizado;As fibras de vidro sofrem frequentes redirecções abruptas e colisõesEm contraste, as configurações de parafusos SFV e SME apresentaram resultados excepcionais, mantendo comprimentos de fibras de até 935 μm, o maior medido em ensaios.

Isso destaca um princípio central da engenharia de processos de composição: o comprimento de fibra mais longo não equivale automaticamente a um desempenho mecânico superior; a dispersão uniforme da fibra é igualmente vital.

Enquanto a geometria do SFV minimiza a quebra da fibra com ação de cisalhamento suave, sua capacidade de mistura limitada causa aglomeração severa da fibra de vidro, mau molhamento e dispersão desigual.Estes feixes densos de fibras atuam como pontos de concentração de tensão quando o material suporta carga, desencadeando uma falha prematura.

A combinação ideal de parafusos alcança um compromisso equilibrado: cisalhamento controlado suficiente para alcançar a separação e dispersão completas da fibra, preservando o comprimento residual aceitável da fibra.Os blocos de amassamento otimizados (KB) e os elementos das PME são projetos líderes do setor que atingem este ponto ideal.

Seguimento da atrofia da fibra de vidro ao longo das zonas axiais da extrusora

Para determinar onde as fibras de vidro sofrem os danos mais graves, foram recolhidas amostras sequencialmente ao longo do comprimento axial do cano da extrusora, desde a porta de alimentação de fibras até à saída da matriz,mapeamento do ciclo de vida completo do desgaste de fibras.

Ao entrar no cano, as fibras de vidro passaram pelo primeiro conjunto de elementos de cisalhamento de mistura (uma distância de apenas 4 diâmetros de cano, 4D).O comprimento original da fibra de 4000 μm despencou para 2680 μm ∙ uma perda de 33% ∙ mesmo que o PP já tivesse sido totalmente derretidoAs fibras de vidro recém-introduzidas suportam uma compressão inicial brutal e cortes dentro da zona de mistura primária.O segundo e o terceiro bancos de elementos de cisalhamento cortam o comprimento da fibra em 20% e 24% adicionais, respectivamente.Na ponta do parafuso na saída da extrusora, o comprimento residual da fibra diminuiu para apenas 561 μm, mantendo apenas 14% do comprimento original da fibra de entrada.

Principais conclusões

• Reframear a mentalidade: fibras de vidro mais longas não garantem compósitos mais fortes.Evite cortes excessivos que destroem as fibras, mas não sacrifique a dispersão apenas para preservar o comprimento da fibra.
• Controle de temperatura por zonas: Aumentar as temperaturas dos barris em 5°10°C nas zonas de mistura a jusante da porta de alimentação de fibra de vidro.A viscosidade de fusão mais baixa cria um ambiente de fluxo mais suave para as fibras de vidro e reduz a quebra por colisões de partículas.
• Otimizar o layout do elemento de parafuso: os componentes SME (Screw Mixing Element) são altamente recomendados. Eles fornecem dispersão uniforme da fibra, mantendo um comprimento de fibra residual favorável,tornando-os uma escolha ideal para equilibrar a retenção de fibras e mistura homogênea.

Quando você está fazendo PP reforçado com fibra de vidro, se você encontrar algum problema, sinta-se à vontade para entrar em contato conosco para soluções profissionais!