Masterbatch yang diperkuat serat karbon telah menjadi salah satu jalur yang paling efektif bagi produsen campuran dan pengecoran injeksi yang membutuhkan perubahan dalam kaku, kekuatan, dan konduktivitas listrik tanpa harus beralih ke campuran serat karbon yang sepenuhnya pada setiap lini produksi. Dengan mengkoncentrasikan serat karbon yang dipotong atau diproses, masterbatch memungkinkan proses lanjutan untuk menarik konsentrat pada mesin pengecoran dan mencapai kandungan serat target sebesar 10 hingga 40 persen dengan dispersi yang stabil dan mekanisme yang dapat diulang. Panduan ini menjelaskan gambaran teknis lengkap, mulai dari serat mentah dan ukurannya melalui kompatibilisator, pengeringan matriks, kinerja tingkat pengisian, ekstrusi gigi kembar, perilaku konduktivitas, pengujian, dan mode kegagalan praktis yang membedakan masterbatch serat karbon yang baik dari yang buruk. Apakah Anda menjalankan lini campuran gigi kembar atau membeli pelet siap pakai, prinsip-prinsip di bawah ini menentukan sifat bagian akhir Anda.
Kerke, pabrik Wanplas yang memiliki lebih dari 12 tahun pengalaman dalam extruder compounding ganda berputar paralel, membangun seri KTE dari unit laboratorium KTE-16B hingga garis produksi KTE-135D untuk kelas inovasi ini. Masterbatch serat karbon termasuk dalam komposisi yang paling menuntut untuk dijalankan karena panjang serat, dispersi, dan resistivitas permukaan semuanya tergantung pada konfigurasi silinder, strategi pemasukan, dan sejarah termal. Isi yang berikut ini ditulis untuk insinyur proses, pengembang formulasi komposisi, spesialis pembelian, dan desainer produk yang ingin memiliki referensi yang didasarkan pada angka, bukan ringkasan pemasaran. Jika nilai adalah rentang yang umum, maka perlakukannya sebagai titik awal untuk pengujian dan verifikasi pada resin dan peralatan Anda sendiri.
Apa itu Masterbatch yang diperkuat dengan serat karbon
Masterbatch yang terbuat dari serat karbon adalah campuran yang terkonsentrasi di mana serat karbon disebarkan dalam pembawa polimer dengan kandungan serat yang jauh lebih tinggi dari kebutuhan bagian akhir pengguna. Pemadat atau pengolah kemudian menurunkan konsentrat ini, seringkali dengan kadar 5 hingga 20 persen berdasarkan berat, tergantung pada konsentrasi masterbatch, untuk mendapatkan komposisi yang telah selesai dengan kadar serat akhir yang diinginkan. Pendekatan dua tahap ini memisahkan langkah penambahan serat dengan intensitas tinggi dari langkah pengaturan akhir, yang melindungi panjang serat dan meningkatkan konsistensi dari lot ke lot.
Formulasi masterbatch sangat penting. Serat karbon disuplai dalam bentuk serat potong dengan ukuran 3 hingga 6 milimeter, pelet termoplastik serat panjang dengan ukuran 10 hingga 12 milimeter, serbuk serat karbon atau serat yang dipotong, dan roving atau tow kontinu. Dalam masterbatch, serat potong dan serat yang dipotong mendominasi karena dapat dipasok dengan andal melalui pengisian samping dan sistem penurunan berat, sementara bentuk serat panjang dan kontinu biasanya ditangani sebagai pelet serat panjang terpisah atau jalur impregnasi serat panjang langsung. Resin pembawa masterbatch dipilih untuk sesuai dengan resin akhir agar konsentrat dapat larut sepenuhnya ke dalam host selama proses penurunan, menghindari fase yang tidak kompatibel kedua.
Masterbatch serat karbon berbeda dengan masterbatch serat kaca dalam tiga cara yang menentukan. Pertama, serat karbon bersifat konduktif, yang memungkinkan pengisian relatif rendah memberikan perlindungan dari pengeluaran elektrostatis dan pelindung interferensi elektromagnetik. Kedua, serat karbon lebih ringan dan lebih kaku per satuan berat, meningkatkan modulus spesifik. Ketiga, serat karbon lebih keras terhadap kerusakan baut dan silinder, sehingga meningkatkan biaya perawatan. Perbandingan ini akan dibahas secara rinci di bagian perbandingan berikutnya.
Untuk compounder dengan dua silinder, jalur masterbatch mengurangi total energi gaya yang digunakan pada serat karena hanya konsentrat yang menerima tugas penambahan sepenuhnya, sementara langkah pengurangan dilakukan dengan lembut. Untuk produsen yang tidak memiliki aset ekstrusi, jalur masterbatch adalah satu-satunya cara praktis untuk menambahkan serat karbon tanpa harus menginvestasikan pada jalur compounding. Wanplas, dengan jaringan pabrik khususnya, menempatkan Kerke sebagai spesialis compounding dengan dua silinder yang menyediakan jalur di mana masterbatch tersebut diproduksi dalam skala besar.
Jenis Fiber Karbon: PAN-Based vs Pitch-Based
Serat karbon dimulai sebagai bahan baku yang stabil, karbonisasi, dan grafitisasi. Dua bahan baku dominan adalah poliakrilonitril, yang dikenal sebagai PAN, dan aspal minyak bumi atau tar batu bara. Serat berbasis PAN menyumbang sebagian besar serat karbon komersial karena menawarkan keseimbangan terbaik antara kekuatan, kemampuan proses, dan biaya, sementara serat berbasis aspal dihargai karena modulus yang sangat tinggi dan konduktivitas termalnya dalam aplikasi khusus.
Fiber Karbon Berbasis PAN
Serat karbon berbasis PAN memberikan kekuatan tarik yang tinggi dan modulus intermedier yang baik, sehingga menjadi pilihan default untuk masterbatch struktural dan konduktif. Kelas modulus standar seperti T300 dan T700 mencapai kekuatan tarik 3500 hingga 4900 MPa dengan modulus tarik 230 hingga 240 GPa. Kelas-kelas ini menjadi pilihan utama untuk komposisi poliamida, polipropilen, dan PPS di mana kecepatan dan modulus sama-sama penting. Kelas PAN dengan modulus intermedier dan kekuatan tinggi memperluas lingkup kekuatan lebih jauh, tetapi dengan biaya yang lebih tinggi.
Fiber Karbon Berdasarkan Pitch
Serat karbon berbasis pitch diproduksi dari pitch mesofase dan dapat digrafitkan hingga modulus yang sangat tinggi. Kelas pitch dengan modulus tinggi seperti M40 dan M55 mencapai modulus tarik yang jauh di atas 350 GPa dan mencapai kisaran 500 GPa, dengan konduktivitas termal yang luar biasa. Perbandingan yang ada adalah kekuatan tarik yang lebih rendah daripada kelas PAN dan harga yang lebih tinggi, sehingga serat berbasis pitch disimpan untuk manajemen termal, industri penerbangan, dan struktur yang sangat kaku, bukan untuk masterbatch konduktif umum.
Faktor bentuk: Potong, serat panjang, bubuk, dan kontinu
Serbuk serat karbon yang dipotong dengan ukuran 3 hingga 6 milimeter adalah bahan masterbatch standar karena dapat diukur dengan baik dan dicampur dengan baik melalui pengisian samping. Pelet termoplastik serat panjang, dengan serat berukuran 10 hingga 12 milimeter, mempertahankan panjang untuk dampak tertinggi, tetapi biasanya merupakan komposisi akhir daripada konsentrat. Bubuk serat karbon atau serat yang dipotong, dengan panjang di bawah satu milimeter, digunakan ketika kehalusan permukaan dan rendahnya anisotropi lebih penting daripada kinerja mekanis puncak, seperti pada wadah wafer semikonduktor dan rumah elektronik dengan dinding tipis. Serat kontinu ditangani melalui impregnasi atau over-braiding dan berada di luar batas masterbatch standar.
| Jenis / Bentuk Serat | Grade Biasa | Kekuatan tarik (MPa) | Modulus Tekanan (GPa) | Penggunaan Biasa dalam Masterbatch |
|---|---|---|---|---|
| Modulus standar PAN | T300 / T700 | 3500 hingga 4900 | 230 hingga 240 | Masterbatch struktural dan konduktif umum |
| PAN kekuatan tinggi | Kelas T800 / T1000 | 5000 hingga 6300 | 290 sampai 310 | Aerospace, olahraga kelas atas |
| Modulus tinggi | M40 / M55 | 2000 hingga 4000 | 350 hingga 540 | Pengelolaan panas, bagian yang sangat kaku |
| Serbuk serat | Dicuci 3 hingga 6 mm | menggabungkan bahan baku | menggabungkan bahan baku | Pemberian masterbatch standar melalui pengumpan samping |
| Pellet serat panjang | LFT 10 hingga 12 mm | menggabungkan bahan baku | menggabungkan bahan baku | Komposisi akhir, bukan konsentrat |
| Serat karbon bubuk | milled sub-mm | lower effective | lower effective | Permukaan halus, ESD, pembawa semikonduktor |
Menyesuaikan agen pengukuran dan resin matriks
Serat karbon keluar dari oven dengan permukaan grafit yang mulus namun inert yang berinteraksi lemah dengan sebagian besar polimer. Pemadatan, atau pengerasan, diterapkan sebagai lapisan permukaan tipis untuk melindungi serat selama pengangkutan, dan yang lebih penting, untuk menghubungkan serat dan matrix. Memilih pemadatan yang tepat sama pentingnya dengan memilih jenis serat, karena kekuatan gesekan interfase mengontrol bagaimana beban ditransfer dari resin ke serat.
Pemadatan Jenis Epoxy
Pemadatan kompatibel dengan epoksi adalah pengerasan industri yang paling umum dan cocok secara alami dengan epoksi, dan cukup dengan poliamida dan beberapa resin teknis. Ini memberikan hasil yang baik dan interphase yang tahan lama. Ketika pembawa masterbatch adalah poliamida atau pembawa kompatibel dengan poliamida, pemadatan epoksi atau poliamida biasanya memberikan hasil terbaik.
Pemadatan Jenis Polyurethane
Pemadatan poliuretan menawarkan fleksibilitas dan keterikatan yang baik dengan matrix poliamida seperti PA6 dan PA66. Untuk komposisi PA6 atau PA66, pemadatan poliuretan atau kompatibel dengan poliamida sering disarankan karena dapat menoleransi suhu tinggi dan lingkungan lembab dari proses poliamida, sementara menjaga kekuatan ikatan serat-resin tetap kuat.
Pemadatan Kompatibel dengan Poliamida
Pemadatan kompatibel dengan poliamida dirancang khusus untuk pembawa PA6 dan PA66, meningkatkan kekuatan interfase dan mengurangi sensitivitas ikatan terhadap kelembaban. Ini adalah pengerasan yang dianjurkan ketika masterbatch akan diletakkan ke dalam pembawa poliamida dengan beban tinggi.
Menyesuaikan Pemadatan dengan Matrix
Untuk polipropilen, yang tidak polar, pemadatan saja tidak cukup; sistem kompatibilis anhidrid maleat diperlukan bersama-sama dengan serat untuk membangun keterikatan. Untuk poliamida, pemadatan poliuretan atau kompatibel dengan poliamida adalah default yang aman. Untuk resin jenis polyester seperti PBT dan PET, pemadatan epoksi cenderung memberikan hasil yang paling konsisten. Aturan sederhananya adalah: cocokkan kimia pemadatan dengan kimia host, dan verifikasi dengan pengambilan serat singkat atau uji percobaan mekanis sebelum berkomitmen pada lot produksi.
| Matrix Resin | Pemadatan yang Disarankan | Dibutuhkan kompatibilisor | Catatan |
|---|---|---|---|
| PA6 / PA66 | Kompatibel dengan PU atau PA | Biasanya tidak ada | Adhesi kering terbaik; perhatikan kelembaban |
| PP | Kompatibel dengan MAH | Dibutuhkan PP-g-MAH | Non-polar, membutuhkan pengikat |
| PBT / PET | Tipe epoksi | Opsional | Keringkan dengan baik sebelum diproses |
| PC / PC-ABS | Epoxy atau khusus | Opsional | Hindari hidrolisis, kontrol suhu mencair |
| PPS / PEEK | Epoxy suhu tinggi | Biasanya tidak ada | Toleransi suhu mencair yang tinggi |
Kompatibilisator untuk Komposisi Serat Karbon
Ketika matriksnya tidak polar atau hanya polar lemah, penambahan pada serat tidak dapat secara sendiri menciptakan interaksi yang kuat. Kompatibilis, yaitu rantai polimer yang digraft dengan grup reaktif, menyambungkan resin dan permukaan serat. Keluarga-keluarga yang paling relevan untuk masterbatch serat karbon adalah polipropilen yang digraft dengan anhidrid maleat, styrene-ethylene-butylene-styrene yang digraft dengan anhidrid maleat, dan kopolimer etilen-asam akrilik.
PP-g-MAH
Polipropilen yang digraft dengan anhidrid maleat adalah agen pengikat standar untuk serat karbon dalam polipropilen. Rasio graft, proporsi anhidrid maleat pada rantai, biasanya 0,8 hingga 1,2 persen, dan tingkat penambahan adalah 2 hingga 5 persen berdasarkan total komposisi. Pada tingkat ini, adhesi interfase meningkat tajam, meningkatkan kekuatan tarik dan benturan dibandingkan dengan sistem yang tidak dikombinasikan. Terlalu sedikit memberikan ikatan yang lemah; terlalu banyak dapat memeras matriks dan menurunkan ketahanan terhadap panas, sehingga jendela 2 hingga 5 persen adalah titik terbaik praktis.
SEBS-g-MAH
SEBS yang digraft dengan anhidrid maleat menambahkan tidak hanya pengikatan tetapi juga kekuatan benturan, yang berguna ketika serat karbon akan membuat komposisi polipropilen atau poliolefin rapuh. Ini dipilih di mana ketahanan terhadap benturan lebih penting daripada kekerasan puncak, seperti di bingkai otomotif dan rumah tangga yang tahan lama.
EAA
Kopolimer etilen-asam akrilik berfungsi sebagai kompatibilis polar dan penguat adhesi, terutama dalam sistem berbasis poliolefin dan di mana ada pengisi polar sekunder. Ini kurang umum daripada PP-g-MAH untuk polipropilen karbon yang lurus tetapi berharga dalam formulasi multi-komponen.
Kompatibilis biasanya ditambahkan pada pemasukan utama atau dengan bahan pengantar agar dapat bermigrasi ke interfase selama pencairan campuran. Pada garis ganda Kerke, kompatibilis didosis oleh pengaduk kehilangan berat bersamaan dengan bahan pengantar dan resin let-down untuk menjaga rasio pengikatan tepat. Untuk tuan rumah poliamida dan PPS, di mana matriks sudah membentuk ikatan hidrogen atau interaksi polar dengan serat yang disesuaikan, kompatibilis terpisah sering tidak diperlukan, yang mempermudah formulasi.
Resin Matriks Dasar dan Kebutuhan Pengeringan
Resin matrix menetapkan batas untuk ketahanan suhu, ketahanan kimia, dan jendela proses dari komposisi serat karbon akhir. Masterbatch serat karbon dibangun pada berbagai jenis resin teknis, masing-masing dengan perilaku pengeringan dan pencairan yang berbeda.
Matriks Umum
Polyamida 6 dan polyamida 66 adalah pembawa yang paling umum karena mereka bersifat kuat pada serat karbon yang disesuaikan dan memberikan mekanik yang tinggi. Polipropilen dipilih untuk komponen konduktif yang sensitif biaya dan ringan, yang membutuhkan kompatibilis. Alami polikarbonat dan PC-ABS digunakan untuk bodi elektronik di mana perilaku api dan kualitas permukaan menjadi penting. PBT, PPS, PEEK, dan ABS digunakan untuk aplikasi struktural di bawah kap mesin mobil, semikonduktor, dan suhu tinggi. Setiap resin memiliki titik leleh, sensitivitas shear, dan toleransi terhadap kelembaban yang berbeda.
Pengeringan Sebelum Komposisi
Resin teknik seperti PA66, PC, PBT, dan PPS menyerap kelembaban yang menyebabkan polimer terhidrolisis selama proses pencairan dan menghancurkan sifat mekanisnya. Oleh karena itu, pengeringan menjadi suatu keharusan, bukan pilihan. Suhu dan waktu di bawah ini merupakan kondisi pengeringan yang umum, diukur hingga titik embun yang terkontrol.
| Resin | Suhu kering (°C) | Waktu kering (jam) | Titik embun (°C) | Alasan |
|---|---|---|---|---|
| PA66 | 80 hingga 100 | 4 | -40 | Hidrolisis rantai amida |
| PC | 120 | 4 | -40 | Mencegah hidrolisis dan garis perak |
| PBT | 130 | 4 | -40 | Hidrolisis ester pada puncak panas |
| PPS | 150 | 3 | -40 | Kelembaban menyebabkan celah dan keriput |
| PA6 | 80 | 4 | -40 | Suhu yang lebih rendah daripada PA66, tetapi masih diperlukan |
Di lini komposisi Kerke, resin kering diangkut dalam tangki tertutup yang dehumidifikasi agar tidak menyerap kembali kelembaban sebelum lubang masuk. PP dan ABS lebih tidak sensitif terhadap kelembaban, namun tetap mendapat manfaat dari pengeringan udara panas ketika serat karbon dan bahan tambahan hadir, karena kelembaban pada pengisi dapat menyebabkan penyebaran. Pengeringan yang benar adalah garis pertahanan pertama terhadap bagian yang rapuh dan data pengujian yang tidak konsisten.
Tingkat Pengisian dan Kinerja Mekanik
Pengisian serat adalah faktor terbesar yang mempengaruhi kinerja mekanis. Saat kandungan serat karbon meningkat dari 10% menjadi 40%, kekuatan tarik, modulus fleksibel, dan suhu defleksi semuanya meningkat, sementara kekuatan benturan dengan lekukan dan kemampuan proses bergerak ke arah yang berlawanan. Tabel di bawah ini memberikan kisaran karakteristik standar untuk poliamida 6 dengan 10%, 20%, 30%, dan 40% serat karbon, dengan referensi serat kaca 30% untuk konteks.
| Sistem | Kekuatan tarik (MPa) | Modulus Bending (GPa) | Pengaruh terpotong (kJ/m2) | HDT 1.8 MPa (°C) | Kekerasan (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|---|
| PA6 + 10% CF | 130 hingga 150 | 8 sampai 10 | 9 sampai 12 | 170 sampai 185 | 1.15 sampai 1.18 |
| PA6 + 20% CF | 180 sampai 200 | 13 sampai 16 | 7 sampai 10 | 190 sampai 200 | 1.21 sampai 1.24 |
| PA6 + 30% CF | 220 sampai 250 | 18 sampai 22 | 6 sampai 9 | 200 sampai 215 | 1.28 sampai 1.33 |
| PA6 + 40% CF | 250 to 280 | 24 to 28 | 5 to 7 | 210 to 225 | 1.34 to 1.39 |
| PA6 + 30% GF | 170 to 190 | 9 to 11 | 10 to 14 | 195 to 205 | 1.35 to 1.40 |
Perbandingan ini menunjukkan mengapa serat karbon lebih disukai daripada serat kaca untuk komponen yang didorong oleh kekuatan: pada beban 30 persen, serat karbon hampir menggandakan modulus fleksibel dan meningkatkan kekuatan tarik sekitar 30 hingga 30 persen dibandingkan dengan serat kaca 30 persen, sementara mengurangi kepadatan. Biaya lebih rendah notched impact karena serat karbon lebih kaku dan menyalurkan stres dengan lebih sedikit keteraturan daripada kaca. Untuk PA6 plus 30 persen serat karbon, suhu defleksi pada 1,8 MPa mencapai 200 hingga 215 derajat Celcius, yang memenuhi syarat bahan untuk bingkai elektronik struktural dan di bawah kap mesin. Penurunan dan penebalan juga turun saat kandungan serat meningkat, karena ekspansi termal rendah serat karbon membatasi resin; ketidak-simetri ini harus diatur dalam desain untuk mencegah distorsi dimensi.
Ketahanan Konduktivitas Listrik, ESD, dan EMI
Serat karbon adalah konduktif listrik, dan ini adalah sifat yang membedakan masterbatch serat karbon dari serat peningkat mekanis yang murni. Ketika kandungan serat melewati batas perkolasi, jaringan konduktif terus menerus terbentuk dan resistansi permukaan menurun dengan beberapa tingkat orde.
Batas Perkolasi
Serat karbon pendek biasanya mencapai batas perkolasi pada 3 hingga 8 persen berat. Di bawah batas ini, bagian tersebut bersifat isolator, dengan resistansi permukaan di atas 10^12 ohm per persegi. Pada dan di atas batas tersebut, serat-serat menyentuh dan membentuk jalur, dan resistansi turun ke kisaran antistatik dan akhirnya konduktif saat beban meningkat menuju 15 hingga 30 persen.
Band Resistansi Permukaan
Material isolator berada di atas 10^12 ohm per persegi. Material antistatik berada pada kisaran 10^9 hingga 10^11 ohm per persegi, yang menyalurkan muatan dengan lambat. Material yang menyalurkan statis berada pada kisaran 10^6 hingga 10^9 ohm per persegi. Material konduktif berada pada kisaran 10^2 hingga 10^5 ohm per persegi. Campuran masterbatch karbon memiliki penyesuaian untuk berada di kisaran antistatik hingga konduktif tergantung pada beban dan dispersi.
Pendukung EMI
Jaringan serat kontinu juga memberikan perlindungan terhadap interferensi elektromagnetik. Campuran karbon fiber memberikan efektivitas perlindungan EMI sebesar 30 hingga 60 desibel di kisaran 30 MHz hingga 1,5 GHz, yang cukup untuk banyak enclosure elektronik. Hal ini penting untuk enclosure 3C dan bracket sensor otomotif di mana emisi radiasi harus dikontrol.
Sintesis dengan Carbon Black, CNT, dan Graphene
Karbon fiber sering dicampur dengan carbon black, nanotube karbon, atau graphene untuk menurunkan batas perkolasi dan meningkatkan perlindungan. Carbon black mengisi celah antara serat dengan biaya rendah, nanotube karbon membangun jembatan skala nano yang secara drastis menurunkan batas, dan graphene menambahkan sifat konduktivitas dan penghalang. Campuran masterbatch hibrida dapat mencapai resistansi tertentu dengan biaya pengisi total yang lebih rendah atau mencapai perlindungan yang lebih tinggi pada beban yang sama.
| Kelas | Resistansi Permukaan (ohm/sq) | Pengisian Karbon Fiber Biasa | Aplikasi |
|---|---|---|---|
| Isolator | > 10^12 | di bawah 3% | Hanya untuk struktur |
| Antistatik | 10^9 hingga 10^11 | 3 sampai 8% | Kotak dan wadah ESD-safe |
| Statis dissipative | 10^6 sampai 10^9 | 8 sampai 15% | Ruang bersih, semikonduktor |
| Konduktif | 10^2 sampai 10^5 | 15 sampai 30% | Kotak EMI, pemanasan |
Parameter Proses Ekstrusi Twin-Screw
Produksi masterbatch serat karbon pada ekstruder ganda berputar bersamaan adalah keseimbangan antara pemecahan serat, penguapan, dan pemeliharaan panjangnya. Ekstruder ganda berputar bersamaan seri Kerke KTE dikonfigurasi dengan pengaturan screw yang didukung komputer yang menggabungkan fungsi pengangkutan, pencairan, pengadukan, dan pengeluaran dengan kemampuan membersihkan diri.
Geometri Mesin
Untuk komposisi serat karbon, ekstruder ganda berputar bersamaan dengan rasio panjang-ke-diameter 40 sampai 52 adalah yang umum, memberikan waktu tinggal yang cukup untuk pencairan, pengadukan, dan devolatilasi tanpa memeras serat. Diameter screw 52, 65, dan 75 milimeter mencakup volume laboratorium, uji coba, dan produksi, dengan diameter yang lebih besar tersedia untuk output tinggi. Ujung L/D yang lebih tinggi lebih disukai ketika perlu pengisian samping dan langkah pengeluaran yang banyak.
Pengisian Samping dan Penambahan Serat
Serat karbon hampir selalu ditambahkan melalui pengumpan samping yang ditempatkan di bawah alur, setelah polimer telah mencair dan setelah zona pencairan dengan gesekan tinggi. Hal ini memperpendek jalur yang dilalui serat melalui blok pengaduk, sehingga mengurangi kerusakan dan melindungi panjang yang disimpan. Pengumpan samping biasanya adalah unit pengaduk gigi kembar atau unit penurunan berat yang mengukur serat yang dipotong ke dalam cairan dengan cara yang merata.
Ventilasi Vakuum
Ventilasi vakuum pada tekanan minus 0,08 hingga minus 0,09 MPa menghilangkan kelembaban, udara yang terperangkap, dan komponen pengukuran yang mudah menguap. Devolatilasi yang baik mencegah celah dan penyebaran pada pelet akhir dan meningkatkan kualitas permukaan bagian yang dipadatkan. Ventilasi kedua dapat digunakan pada konfigurasi L/D yang lebih tinggi.
Kecepatan dan Profil Suhu Propeller
Kecepatan propeler diatur pada 300 hingga 500 rpm untuk komposisi serat karbon, cukup tinggi untuk pencampuran yang baik namun di bawah kecepatan yang memecah serat. Suhu tabung dibagi menjadi zona untuk mencairkan resin awal dan kemudian menjaga suhu mencair yang stabil. Untuk PA6, profil representatif adalah 220, 240, 250, 255, dan 250 derajat Celsius di seluruh zona, dengan kontrol suhu mencair dekat zona atas untuk mencegah degradasi. Kontrol suhu mencair, bukan hanya pengaturan tabung, adalah yang melindungi polimer dan pengukuran.
Metode Pelletizing
Tiga metode pelletizing digunakan. Pelletizing di bawah air memberikan pelet yang bulat dan bebas debu yang ideal untuk pengolahan otomatis dan disukai untuk sebagian besar komposisi teknik. Pelletizing rantai, dengan rantai yang didinginkan dengan air atau udara, kuat dan umum untuk komposisi serat kaca dan karbon di mana integritas pelet penting. Pemotongan die-die dengan wajah panas kompak dan cocok untuk sistem yang sensitif terhadap panas atau berisi banyak bahan pengisi. Pilihan ini mengikuti kekuatan mencair dan beban bahan pengisi dari masterbatch.
| Parameter | Pengaturan Biasa | Tujuan |
|---|---|---|
| Propeller L/D | 40 hingga 52 | Ruang mencair, memadankan, dan ventilasi |
| Diameter Propeller | 52 / 65 / 75 mm | Skala laboratorium hingga produksi |
| Posisi pemasok samping | downstream, post-melt | Melindungi panjang serat |
| Ventilasi vakum | -0,08 hingga -0,09 MPa | Menghilangkan kelembaban dan bahan yang mudah menguap |
| Kecepatan baut | 300 hingga 500 rpm | Campur tanpa over-shear |
| Profil tabung (PA6) | 220/240/250/255/250 °C | Melt yang stabil, tidak mengalami degradasi |
| Pelletizing | di bawah air / serat / sisi panas | Sesuaikan kekuatan melt dan beban |
Pemeliharaan dan Pengukuran Panjang Serat
Kinerja mekanik dari komposisi serat pendek jauh lebih bergantung pada panjang serat yang tersisa daripada pada panjang potong asli. Serat yang dipotong 6 milimeter dihaluskan di dalam ekstruder, dan panjang serat yang bertahan hingga menjadi pellet menentukan dampak dan modulus. Tujuan untuk masterbatch karbon serat yang berjalan dengan baik adalah panjang serat yang tersisa 150 hingga 300 mikrometer.
Metode Pemberian
Pemberian serat ke dalam cairan, bukan dengan mencampurnya dengan resin pada pemberian utama, adalah faktor tunggal yang paling kuat dalam retensi panjang karena serat melewati zona gesekan pencairan. Pemisahan yang lembut dan konsisten menghindari pembentukan klaster serat yang kemudian tergesekan terlalu keras.
Konfigurasi Elemen Screw
Screw terbuat dari elemen pengangkut dan blok pengaduk. Blok pengaduk dijelaskan oleh sudut ketergesaan: KB45, KB60, dan KB90. Blok 90 derajat adalah mixer yang paling intens dan paling keras terhadap serat; blok 45 derajat lebih lembut. Untuk serat karbon, tata letak screw menggunakan elemen pengangkut ke depan sepanjang sebagian besar panjang dan membatasi blok pengaduk ke zona pencairan yang singkat dan terpasang dengan baik, sering menggabungkan KB45 dan KB60 dengan elemen pengangkut daripada menumpuk KB90. Tujuannya adalah untuk mendapatkan gesekan yang cukup untuk melembutkan dan menyebarkan serat tanpa memecahkannya.
Intensitas Gesekan
Kecepatan shear meningkat dengan kecepatan propeler dan ketatnya zona pengadukan. Menjaga kecepatan propeler dalam kisaran 300 hingga 500 rpm dan menjaga viskositas cairan tetap moderat melindungi panjang. Meningkatkan kecepatan die atau menjalankan bagian pengadukan yang terlalu ketat akan menurunkan panjang yang dipertahankan menjadi di bawah 150 mikrometer dan menimbulkan dampak yang lebih rendah.
Pengukuran dengan Metode Asam
Panjang dan kandungan serat yang disimpan diukur dengan metode abu sesuai dengan ISO 3451. Polimer dibakar dalam oven, serat sisa diambil kembali, dan panjangnya diukur dengan analisis gambar setelah diserap atau diaburkan. Kandungan abu juga mengkonfirmasi beban serat yang sebenarnya terhadap target. Ini adalah pemeriksaan kualitas standar untuk setiap lot masterbatch serat karbon.
| Faktor | Efek pada Panjang yang Ditahan | Rekomendasi |
|---|---|---|
| Pemberian utama vs samping | Pemberian samping mempertahankan panjang | Selalu pemberi serat samping |
| KB90 tumpang tindih | Memperkecil panjang dengan kuat | Batasi, lebih disukai KB45/KB60 |
| Kecepatan baut | Kecepatan yang lebih tinggi memperpendek serat | Jaga kecepatan 300 hingga 500 rpm |
| Tanggal target panjang yang dipertahankan | 150 hingga 300 mikrometer adalah yang optimal | Verifikasi dengan asap + pemindaian |
Standar Kontrol Kualitas dan Pengujian
Masterbatch serat karbon harus diproses sesuai dengan rencana uji yang ditentukan agar setiap lot memenuhi spesifikasi mekanik, listrik, dan komposisi. Standar-standar berikut diacu sebagai teks biasa dan diterapkan pada tahap masuk, proses, dan akhir.
Komposisi dan aliran pencairan
Kandungan abu per ISO 3451-1 mengkonfirmasi pengisian serat dengan membakar polimer dan menimbang sisa. Kecepatan aliran cair atau kecepatan volume cair per ISO 1133 mengecek kemampuan proses dan mendeteksi degradasi atau perubahan formulasi. Keduanya merupakan tes rilis lot yang murah dan cepat.
Kekuatan mekanik
Kekuatan tarik diukur sesuai dengan ISO 527, kekuatan bengkok sesuai dengan ISO 178, dan kekuatan benturan sesuai dengan ISO 179 atau ISO 180. Hal ini menghasilkan angka kekuatan, modulus, dan benturan yang muncul pada lembar data. Bahan uji diproduksi sesuai dengan protokol yang tetap sehingga hasilnya dapat dibandingkan antar lot.
Termal dan Elektronik
Suhu defleksi diukur sesuai dengan ISO 75, yang mengkonfirmasi batas penggunaan pada suhu tinggi. Resistansi permukaan dan volume diukur sesuai dengan IEC 62631 dan ASTM D257, yang menempatkan bahan tersebut ke dalam kategori isolator, antistatik, disipatif, atau konduktif. Untuk elektronik yang sensitif terhadap api, nilai UL 94 dan persyaratan RoHS dan REACH diukur.
Dispersi dan Morfologi
Dispersi serat dinilai melalui pengamatan mikroskop pada bagian mikrotom; dispersi yang buruk menunjukkan agregat dan kolam resin yang kosong. Distribusi panjang serat berasal dari metode asap dan pemindaian. Bersama-sama, hal ini menangkap kesalahan proses sebelum bagian diproduksi.
| Uji | Standar | Apa yang Dikonfirmasi |
|---|---|---|
| Kandungan abu | ISO 3451-1 | Pengisian serat yang sebenarnya |
| Aliran pencairan | ISO 1133 | Kemampuan diproses |
| Tensile | ISO 527 | Kekuatan dan modulus |
| Flexural | ISO 178 | Ketegangan |
| Pengaruh | ISO 179 / ISO 180 | Kekuatan |
| HDT | ISO 75 | Kekuatan panas |
| Kekuatan permukaan | IEC 62631 / ASTM D257 | Kelas ESD dan konduktivitas |
Skenario Aplikasi
Masterbatch serat karbon melayani pasar yang membutuhkan ketegangan, berat yang ringan, dan konduktivitas secara bersamaan. Keluarga konsentrat yang sama diatur sesuai dengan aplikasi dengan mengubah pengisian, matriks, dan paket tambahan.
Otomotif
Dalam industri otomotif, senyawa serat karbon digunakan untuk manifold intake, komponen struktural baterai, dan bracket di mana penurunan massa dan ketegangan menjadi masalah. Karakteristik konduktif juga membantu dengan garis cat elektrostatis. PA6 dan PA66 dengan 30 persen serat karbon adalah pilihan umum di bawah kap dan struktural karena suhu defleksi mereka yang mencapai 200 hingga 215 derajat Celsius.
Perangkat elektronik 3C
Kendaraan laptop dan kerangka tengah smartphone menggunakan masterbatch serat karbon untuk ketegangan dinding yang tipis dan pelindung EMI. PC, PC-ABS, dan ABS mendominasi di sini, dengan pengisian yang diatur untuk kualitas permukaan dan pelindung 30 hingga 60 desibel.
Drone dan peralatan olahraga
Framing pesawat udara tak berawak dan peralatan olahraga menghargai modulus spesifik serat karbon: ketegangan tinggi dengan berat rendah. Masterbatch serat panjang dan beban tinggi memberikan kekuatan terbaik terhadap berat untuk bagian ini.
Pengangkut wafer semikonduktor
Pengangkut wafer di ruang bersih membutuhkan perilaku antistatik ke disipasi statis pada 10^6 hingga 10^11 ohm per persegi sehingga wafer yang terlalu bermuatan tidak rusak. Serat karbon yang dipotong dalam resin bersih dengan ion rendah memberikan permukaan halus dan resistivitas yang dikontrol tanpa menumpahkan serat kaca.
Peralatan sambungan pipa minyak dan gas
Peralatan di bawah tanah dan aliran menggunakan serat karbon yang diperkuat PPS atau PEEK untuk ketahanan kimia serta kekuatan. Jendela ekstrusi suhu tinggi dan kering dari matriks ini ditangani pada garis Kerke yang lebih tinggi.
Kerusakan Umum dan Penyelesaian Masalah
Penggunaan masterbatch serat karbon menimbulkan beberapa kekurangan yang berulang. Kebanyakan berasal dari pengisian, pemotongan, kelembaban, atau dispersi, bukan dari serat itu sendiri.
| Kekurangan | Penyebab kemungkinan | Pencegahan |
|---|---|---|
| Pengungkapan serat / serat yang berenang | Kemampuan menarik yang buruk, suhu cetakan rendah | Meningkatkan suhu cetakan, meningkatkan ukuran, menambahkan penguat aliran |
| Perbedaan warna | Variasi lot, oksidasi | Kontrol lot yang ketat, periksa asam dan dispersi |
| Warpage | Shrinkase anisotropik | Balancing pintu, mengurangi beban, menambah pengisi |
| Pecah benang | Melt yang lemah, pendinginan yang buruk | Meningkatkan suhu melt, meningkatkan air mandi, memperlambat penggerak |
| Fluktuasi tekanan die | Pengisian yang tidak merata, sambungan | Menstabilkan pengisi samping, memeriksa crammer |
| Kelengkungan kawat | Tekanan pengisian yang rendah, resin yang basah | Meningkatkan pengeringan, meningkatkan pengisian zona pengisian |
| Sambungan bubuk | Agregasi serat yang dipotong | Gunakan pengisi crammer, kurangi kelembaban |
Keluhan lapangan yang paling sering terjadi adalah serat yang mengambang pada permukaan yang dikeraskan, di mana serat menonjol dari resin. Ini diatasi dengan menaikkan suhu cetakan, memastikan ukuran yang sesuai dengan matriks, dan kadang-kadang menambahkan pengembang aliran kecil. Warpage dari penyusutan anisotropik diatasi pada tahap desain bagian dengan pengaturan gating yang seimbang dan, jika diperlukan, pengisi kaca atau mineral sebagian untuk menyamakan aliran. Fluktuasi tekanan die hampir selalu berasal dari pengisian samping yang tidak merata, sehingga pengisi crammer atau pengisi kehilangan berat harus menjadi hal pertama yang diperiksa.
Fiber Karbon vs Masterbatch Fiber Kaca
Pembeli terus-menerus menimbang masterbatch serat karbon melawan masterbatch serat kaca. Pilihan yang tepat tergantung pada apakah kekuatan, konduktivitas, dan berat atau biaya dan usia pemakaian yang dominan dalam spesifikasi.
| Atribut | Masterbatch serat karbon | Masterbatch serat kaca |
|---|---|---|
| Kepadatan | Meningkat | Menurun |
| Tekanan tarik | Menurun | Rendah |
| Modulus fleksibel | Sangat meningkat | Meningkat |
| Konduktivitas listrik | Ya, antistatik hingga konduktif | Isolator |
| Kemampuan tahan gesekan | Menurun | Rendah |
| Gesekan baut dan tabung | Tinggi | Mendekati rendah |
| Biaya relatif | Premium | Rendah |
Dalam istilah sederhana, serat karbon menang dalam kualitas ketangguhan, konduktivitas, dan berat, tetapi biayanya jauh lebih mahal dan mempercepat gesekan baut dan tabung, yang meningkatkan pemeliharaan. Serat kaca menang dengan jelas dalam biaya dan lembut pada peralatan, sehingga menjadi pilihan default untuk bagian struktural yang tidak konduktif. Di mana konduktivitas atau target ketangguhan-keberatannya menjadi kewajiban, masterbatch serat karbon adalah satu-satunya dari keduanya yang memenuhi syarat. Banyak program menggunakan serat kaca untuk struktur utama dan lapisan serat karbon tipis atau insert serat karbon lokal di mana ESD atau pelindung diperlukan.
Standar dan Kesesuaian
Masterbatch serat karbon dan komposisi yang dibuat darinya diatur menurut set standar internasional dan regional yang konsisten. Standar-standar ini tercantum di sini dalam bentuk teks biasa untuk referensi dan muncul di seluruh dokumentasi kualitas:
- ISO 527 untuk sifat tarik
- ISO 178 untuk sifat bengkok
- ISO 179 dan ISO 180 untuk sifat benturan
- ISO 75 untuk suhu defleksi panas
- ISO 1133 untuk kecepatan aliran massa pencairan
- ISO 3451 untuk menentukan kandungan abu dan serat
- ASTM D257 untuk resistansi dan resistivitas dc
- IEC 62631 untuk resistivitas listrik bahan isolator
- UL 94 untuk klasifikasi kemampuan terbakar
- RoHS untuk pengaturan batasan zat berbahaya
- REACH untuk pendaftaran dan keamanan bahan kimia
Ketentuan RoHS dan REACH diharapkan untuk rantai pasokan elektronik dan otomotif, sementara UL 94 penting untuk enclosure yang harus memenuhi klasifikasi api. Standar ini hanya diacu sebagai teks dan harus diverifikasi terhadap edisi yang diterbitkan saat ini dan kelas resin yang digunakan.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Apa perbedaan antara masterbatch serat karbon dan resin serat karbon yang dihasilkan secara langsung?
Masterbatch serat karbon mengkoncentrasikan serat pada 20 hingga 60 persen dalam resin pembawa, sehingga pembuat mould dapat menurunkan kadar serat menjadi 5 hingga 20 persen untuk mencapai kandungan serat akhir sebesar 10 hingga 40 persen. Proses compounding langsung hanya menggabungkan serat mentah dan resin sekali. Masterbatch meningkatkan dispersi serat, melindungi panjang serat melalui gaya total yang lebih rendah, mempermudah pengukuran, dan memberikan kualitas yang konsisten dari satu lot ke lot lain untuk pembuat mould injeksi tanpa jalur gigi ganda.
Mengapa pemberian makanan sampingan digunakan untuk serat karbon dalam ekstrusi gigi kembar?
Pengumpan samping menambahkan serat yang dipotong ke aliran bawah, setelah polimer telah mencair dan setelah zona pencairan dengan gesekan tinggi. Hal ini memperpendek jarak serat yang berjalan melalui elemen gesekan, mengurangi pemecahan serat, dan meningkatkan panjang serat yang disimpan menuju target 150 hingga 300 mikrometer yang mempengaruhi dampak dan modulus.
Apa yang diberikan oleh pengisian serat karbon untuk memberikan performa antistatik atau konduktif?
Serat karbon pendek biasanya mencapai batas perkolasi pada 3 hingga 8 persen berat, di bawah mana bagian tetap isolator dan di atas mana resistansi permukaan menurun menjadi 10^9 hingga 10^11 ohm per satuan persegi dan lebih lanjut menjadi konduktif 10^2 hingga 10^5 ohm per satuan persegi saat beban meningkat menuju 15 hingga 30 persen.
Bagaimana masterbatch serat karbon dibandingkan dengan masterbatch serat kaca?
Pada beban yang sama sebesar 30 persen, serat karbon mengalahkan serat kaca dalam hal kekerasan, kekuatan spesifik, konduktivitas, dan ketahanan terhadap gesekan, sementara serat kaca jauh lebih murah dan lebih lembut terhadap gesekan pada baut dan silinder. Serat karbon juga menurunkan kepadatan dan penebalan dibandingkan dengan serat kaca pada banyak resin teknik.
Kompatibilizer mana yang harus digunakan untuk serat karbon dalam polipropilen?
Polypropilen tidak polar dan tidak berikatan dengan serat karbon dengan baik, sehingga polipropilen yang digraft dengan anhidrid maleat, PP-g-MAH, dengan rasio graft 0,8 hingga 1,2 persen dan penambahan 2 hingga 5 persen adalah pilihan standar. SEBS-g-MAH atau EAA dapat digunakan di mana kebutuhan dampak atau polaritas berbeda.
Bagaimana kandungan serat karbon diukur dalam pellet yang dicampur?
Kandungan abu diukur dengan membakar polimer dalam oven per ISO 3451-1 dan menimbang serat yang tersisa, setelah dikoreksi untuk kerugian pengukuran. Distribusi panjang serat diukur dengan mencairkan matriks dan memfoto serat yang dilepaskan, dengan panjang yang dipertahankan antara 150 dan 300 mikrometer.
Apa kondisi pengeringan yang diperlukan sebelum ekstrusi serat karbon yang terkuat dengan PA66?
PA66 harus dikeringkan pada suhu 80 hingga 100 derajat Celsius selama sekitar 4 jam hingga titik embun berada di dekat minus 40 derajat Celsius, karena kelembaban sisa dapat menghidrolisis polimer selama proses pencairan dan merusak sifat mekanisnya. PC, PBT, dan PPS membutuhkan suhu kering yang semakin tinggi yang tercantum dalam tabel keringan.
Apakah masterbatch serat karbon meningkatkan pelindung EMI?
Ya. Jaringan serat karbon yang terus menerus dalam polimer memberikan efektivitas pelindung EMI sebesar 30 hingga 60 decibel di rentang frekuensi 30 MHz hingga 1,5 GHz. Sinergi dengan karbon hitam, nanotubus karbon, atau grafen dapat meningkatkan pelindungannya sambil mengurangi beban serat yang diperlukan.
Kesimpulan
Masterbatch yang diperkuat serat karbon adalah cara yang paling fleksibel untuk menambahkan kekerasan, berat ringan, dan konduktivitas listrik pada plastik teknik di mesin pembentukan. Kesuksesan tergantung pada empat keputusan: cocokkan jenis serat dan ukurannya dengan matriks, keringkan resin dengan benar, jalankan jalur gigi kembar dengan pemberian sisi downstream dan pengurangan yang dikontrol untuk menjaga panjang serat yang disimpan pada 150 hingga 300 mikrometer, dan verifikasi setiap lot dengan uji abu, mekanik, dan resistivitas. Untuk PA6 dengan 30 persen serat karbon, harapkan kekuatan tarik 220 hingga 250 MPa, modulus bengkok 18 hingga 22 GPa, dan suhu defleksi panas 200 hingga 215 derajat Celcius, dengan resistivitas permukaan yang dapat diatur dari isolasi hingga konduktif dengan pengisian.
Kerke, pabrik Wanplas, menyediakan extruder kembar berputar serentak seri KTE dan sistem pembuatan pellet yang digunakan untuk memproduksi masterbatch ini pada skala laboratorium, uji coba, dan produksi penuh, didukung oleh lebih dari 12 tahun pengalaman pembuatan campuran dan jaringan layanan global di lebih dari 70 negara. Wanplas, merek induknya, menyediakan janji kualitas yang sama dan dukungan teknis di seluruh pabrik-pabrik khususnya. Apakah Anda melakukan pembuatan campuran di dalam perusahaan atau mencari masterbatch yang siap, parameter dalam panduan ini memberikan titik awal yang dapat diandalkan; pastikan nilai yang tepat pada resin, serat, dan peralatan Anda sebelum memutuskan untuk produksi.
