มาสเตอร์แบชช์ที่มีเส้นใยไฟเบอร์คาร์บอนกลายเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับผู้ผลิตสารผสมและผู้ผลิตเครื่องฉีดที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในความแข็งแรง ความแข็งและความนำไฟฟ้าโดยไม่ต้องเปลี่ยนไปใช้สารผสมที่มีเส้นใยไฟเบอร์คาร์บอนอย่างเต็มรูปแบบบนทุกสายการผลิต ด้วยการคอนซานต์ไฟเบอร์คาร์บอนที่ถูกตัดหรือบดลงในตัวเชื่อมต่อของสารเคลือบ (carrier resin) ชนิดหนึ่ง ชนิดนี้จะช่วยให้ผู้ผลิตต่อไปสามารถผสมสารคอนซานต์ดังกล่าวในเครื่องขึ้นรูปเพื่อให้ได้ปริมาณไฟเบอร์คาร์บอนที่ตั้งไว้ระหว่าง 10 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ โดยมีความคงตัวในการผสมและคุณสมบัติทางกลที่สามารถคงที่และซ้ำได้ แนวคิดนี้อธิบายภาพทางเทคนิคอย่างครบถ้วนตั้งแต่เส้นใยสังเคราะห์และการปรับขนาดไปจนถึงสารทำให้คงความเข้ากันได้, การแห้งของวัสดุหลัก, ความสามารถในระดับการบรรจุ, การอัดด้วยแกนคู่, ความเป็นไปได้ของการนำกระแสไฟฟ้า, การทดสอบ, และสาเหตุของการล้มเหลวที่แยกแยะระดับของมาสเตอร์แบทช์ไฟเบอร์คาร์บอนที่ดีจากระดับที่ไม่ดี แม้ว่าคุณจะดำเนินการผลิตด้วยเครื่องบดสองแท่งหรือซื้อเม็ดพลาสติกที่พร้อมใช้แล้ว คำแนะนำด้านล่างจะกำหนดคุณสมบัติของชิ้นส่วนที่ผลิตออกมา
Kerke, โรงงาน Wanplas ที่มีประสบการณ์มากกว่า 12 ปี ในเครื่องอัดผสมแบบคู่หมุนแบบพาราเลล มีการสร้างซีรีส์ KTE จากเครื่องทดลอง KTE-16B ไปจนถึงเครื่องผลิต KTE-135D สำหรับชนิดของการผลิตเทคโนโลยีเหล่านี้อย่างตรงไปตรงมา มาสเตอร์แบทช์ของไฟเบอร์คาร์บอนเป็นสารประกอบที่มีความท้าทายสูงที่สุดในการใช้งานเนื่องจากความยาวของไฟเบอร์, การกระจาย, และความต้านทานของผิวทั้งหมดขึ้นอยู่กับการตั้งค่าแปรง, วิธีการใส่วัตถุ, และประวัติความร้อน คำอธิบายต่อไปนี้ถูกเขียนขึ้นสำหรับนักวิศวกรรมกระบวนการ, ผู้ออกแบบสูตรผสม, ผู้ซื้อสินค้า, และนักออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ต้องการอ้างอิงที่มีฐานข้อมูลจากตัวเลขมากกว่ารายละเอียดการตลาด หากค่าตัวเลขเป็นช่วงที่เป็นตัวอย่าง คุณควรใช้มันเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการทดสอบและการยืนยันกับโพลีเมอร์และอุปกรณ์ของคุณเอง
อะไรคือ Masterbatch ที่มีเส้นใยไฟเบอร์คาร์บอน
มาสเตอร์แบชช์ที่มีเส้นใยไฟเบอร์คาร์บอนเสริมคือผสมที่มีความเข้มข้น โดยเส้นใยไฟเบอร์คาร์บอนถูกกระจายอยู่ในพื้นที่นำส่งของโพลีเมอร์ที่มีความเข้มข้นสูงกว่าต้องการของชิ้นส่วนที่ผู้ใช้ต้องการ ผู้ผลิตหรือผู้ผสมจะนำสารคอนซันต์นี้ลงในเครื่องผลิต (let-down) ซึ่งมักจะมีปริมาณ 5 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก (ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารผสมหลัก) เพื่อให้ได้สารผสมที่เสร็จสมบูรณ์ที่มีปริมาณเส้นใยตามที่ต้องการ แนวคิดแบบสองขั้นตอนนี้แยกขั้นตอนการผสมใยเส้นความยาวสูงออกจากขั้นตอนการบรรจุรูปทรงสุดท้าย ทำให้สามารถป้องกันความยาวของใยเส้นและเพิ่มความสม่ำเสมอระหว่างล็อตได้
รูปแบบของเมสเตอร์แบทช์มีความสำคัญ ไฟเบอร์คาร์บอนจะถูกจัดจำหน่ายเป็นไฟเบอร์ชิ้นเล็กขนาด 3 ถึง 6 มิลลิเมตร, บล็อกไฟเบอร์ยาวขนาด 10 ถึง 12 มิลลิเมตร, ไฟเบอร์คาร์บอนเป็นผงหรือไฟเบอร์ที่ผ่านการบด, และรองไหมหรือโฟมแบบต่อเนื่อง ในการผลิตผงหลัก (masterbatch), เส้นใยชิ้นส่วนและเส้นใยผสมจะเป็นส่วนใหญ่เนื่องจากสามารถนำเข้าได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านระบบใส่ข้างและระบบลดน้ำหนัก แต่ส่วนใหญ่เส้นใยยาวและรูปแบบต่อเนื่องจะถูกจัดการเป็นเส้นใยยาวในรูปของเม็ดหรือการทาลงในรูปแบบโดยตรง ระบบสารละลายของวัสดุหลักถูกเลือกให้ตรงกับสารละลายที่ใช้ในการผลิตเพื่อให้สารละลายสามารถละลายได้อย่างสมบูรณ์ในวัสดุแม่ชนในขณะที่กระบวนการผลิตดำเนินไปอย่างสมบูรณ์ โดยหลีกเลี่ยงการมีชั้นที่ไม่เข้ากันเป็นชั้นที่สอง
มาสเตอร์แบทช์ไฟเบอร์คาร์บอนแตกต่างจากมาสเตอร์แบทช์ไฟเบอร์แก้วในสามด้านสำคัญ คาร์บอนไฟเบอร์เป็นตัวนำไฟฟ้า ซึ่งทำให้การติดตั้งที่มีแรงดันที่ต่ำกว่ามีความสามารถในการป้องกันการปลดปล่อยไฟฟ้าสถิตและป้องกันการสัมผัสของคลื่นไฟฟ้ารบกวนไฟฟ้า สิ่งที่สองคือ ไฟเบอร์คาร์บอนมีน้ำหนักเบาและแข็งแรงกว่าต่อหน่วยน้ำหนัก ทำให้ค่าความแข็งแรงเฉลี่ยสูงขึ้น นอกจากนี้ คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงมากกว่าสกรูและท่อ ทำให้ค่าใช้จ่ายในการดูแลรักษาเพิ่มขึ้น ความท้าทายเหล่านี้ถูกวิเคราะห์อย่างละเอียดในส่วนการเปรียบเทียบต่อไป
สำหรับเครื่องผลิตผสมแบบสองแกน, การใช้วิธีการผสมผสานแบบมาสเตอร์แบชช์ลดพลังงานการแยกทั้งหมดที่ใช้กับเส้นใยเนื่องจากแค่ส่วนผสมสำเร็จรูปเท่านั้นที่ต้องรับภาระการผสมทั้งหมด, ในขณะที่ขั้นตอนการปล่อยออกเป็นขั้นตอนที่อ่อนโยน สำหรับเครื่องผลิตที่ไม่มีเครื่องอัดฉีด, การใช้เมสเตอร์แบชช์เป็นวิธีเดียวที่มีประสิทธิภาพในการนำเสนอไฟเบอร์คาร์บอนโดยไม่ต้องลงทุนในเครื่องผลิตผสม Wanplas ซึ่งมีเครือข่ายของโรงงานที่มีความเชี่ยวชาญ จะทำให้ Kerke เป็นผู้ผลิตสารผสมแบบคู่สกรูที่เป็นผู้นำในการจัดหาสารผสมที่ใช้ในการผลิตในระดับขนาดใหญ่
ประเภทไฟเบอร์คาร์บอน: PAN-Based vs Pitch-Based
ไฟเบอร์คาร์บอนเริ่มต้นจากตัวก่อตัวที่ถูกปรับสภาพให้เป็นสภาพที่เสถียรแล้วถูกคาร์บอนไซด์และกราฟิติไซด์ The two dominant precursors are polyacrylonitrile, known as PAN, and petroleum or coal-tar pitch. เส้นใยแบบ PAN เป็นส่วนใหญ่ของเส้นใยไฟเบอร์คาร์บอนทางการเพราะมันมีความสมดุลที่ดีระหว่างความแข็งแรง ความสามารถในการประมวลผล และต้นทุน ส่วนเส้นใยแบบ Pitch มีค่าความยืดหยุ่นสูงและความนำความร้อนที่สูงในการใช้งานเฉพาะ
กระดาษไฟเบอร์คาร์บอนแบบ PAN
ไฟเบอร์คาร์บอนที่ใช้เทคโนโลยี PAN มีความแข็งแรงในการยืดและค่าความยืดหยุ่นระหว่างตัวที่สูง ทำให้เป็นวัสดุที่ใช้เป็นตัวเลือกหลักสำหรับการผลิตผงสำเร็จรูปสำหรับงานโครงสร้างและการนำไฟฟ้า สายขนาดมาตรฐานเช่น T300 และ T700 มีความแข็งแรงในการยืดขยายสูงถึง 3500 ถึง 4900 MPa และความยืดหยุ่น 230 ถึง 240 GPa สายดังกล่าวเป็นสายหลักสำหรับสารพันธุ์โพลีเอมิเนท, โพลีโพรพิลีน และ PPS ที่ต้องการความแข็งแรงและความยืดหยุ่นทั้งสองอย่าง ระดับความแข็งกลางและความแข็งสูงของ PAN สามารถขยายพื้นที่ความแข็งได้มากขึ้น แต่จะมีค่าใช้จ่ายสูงขึ้น
ไฟเบอร์คาร์บอนแบบ Pitch-Based
ไฟเบอร์คาร์บอนแบบพื้นฐานจากไพทช์ (mesophase pitch) สามารถผลิตได้ และสามารถทำให้เป็นกราฟิต (graphitized) ให้มีค่าความยืดหยุ่นสูงมาก สายขนาดสูง เช่น M40 และ M55 มีค่าความยืดหยุ่นสูงกว่า 350 GPa และอยู่ในช่วง 500 GPa มีค่าความนำความร้อนที่ยอดเยี่ยม ความเสี่ยงคือความแข็งแรงในการยืดหยุ่นต่ำกว่ารุ่น PAN และราคาแพงกว่า ดังนั้นเส้นใยที่ใช้ในการผลิตจะถูกจัดสรรสำหรับการจัดการความร้อน การผลิตอวกาศ และโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูงมากกว่าการผลิตมาสเตอร์แบชที่ใช้ทั่วไป
รูปแบบ: แกนแหลม, เส้นใยยาว, ผง, และสายต่อเนื่อง
กระดาษไฟเบอร์คาร์บอนชิ้นเล็กที่มีขนาด 3 ถึง 6 มิลลิเมตรเป็นวัตถุดิบมาสเตอร์แบทช์ที่ใช้เป็นมาตรฐานเนื่องจากสามารถวัดได้อย่างแม่นยำและผสมเข้ากับเครื่องใส่วัตถุดิบด้านข้างได้อย่างสะดวก ก้อนพลาสติกไร้สายยาว มีเส้นใยขนาด 10 ถึง 12 มิลลิเมตร คงความยาวไว้เพื่อให้มีผลกระทบสูงสุด แต่มักเป็นสารผสมสุดท้ายมากกว่าสารสกัด ฝุ่นไฟเบอร์คาร์บอนหรือไฟเบอร์ที่ถูกบดเป็นชิ้นเล็ก ๆ มีความยาวน้อยกว่า 1 มิลลิเมตร ถูกใช้เมื่อความเรียบของผิวและความไม่แน่นอนต่ำสำคัญกว่าความแข็งแรงสูงสุด เช่น ในตัวนำแผ่นเซมิคอนดักเตอร์และตัวเครื่องอิเล็กทรอนิกส์ที่มีผนังบาง เส้นใยต่อเนื่องถูกจัดการผ่านการอิมพ์เมนต์หรือการผูกเกลียวซ้ำ และอยู่นอกจากการใช้เมาสเตอร์แบทช์ตามมาตรฐาน
| Fiber Type / Form | Typical Grade | Tensile Strength (MPa) | Tensile Modulus (GPa) | Typical Use in Masterbatch |
|---|---|---|---|---|
| PAN standard modulus | T300 / T700 | 3500 to 4900 | 230 to 240 | General structural and conductive masterbatch |
| PAN high strength | T800 / T1000 class | 5000 to 6300 | 290 to 310 | Aerospace, high-end sports |
| Pitch high modulus | M40 / M55 | 2000 to 4000 | 350 to 540 | Thermal management, ultra-stiff parts |
| Chopped fiber | 3 to 6 mm cut | inherits precursor | inherits precursor | Standard masterbatch feed via side feeder |
| Long-fiber pellet | LFT 10 to 12 mm | inherits precursor | inherits precursor | Final compound, not concentrate |
| Carbon fiber powder | milled sub-mm | lower effective | lower effective | Smooth surfaces, ESD, semiconductor carriers |
การจัดขนาดของสารปรับขนาดและการจับคู่กับสารพีวีซี
ไฟเบอร์คาร์บอนออกจากเตาในสภาพที่สะอาด แต่มีผิวกราฟิตที่ไม่มีประสิทธิภาพและไม่สามารถยึดเกาะกับส่วนใหญ่ของโพลีเมอร์ได้ การปรับขนาดหรือการจัดเรียงถูกนำมาใช้เป็นชั้นผิวบาง ๆ เพื่อป้องกันเส้นใยขณะถือจัดเก็บ และสิ่งที่สำคัญกว่านั้นคือการสร้างสะพานระหว่างเส้นใยและวัสดุหล่อ การเลือกขนาดที่เหมาะสมเป็นสิ่งที่สำคัญเท่ากับการเลือกคุณภาพเส้นใย เพราะความแข็งแรงการแยกที่ผนังสัมพันธ์ควบคุมการนำแรงงานจากสารพอลิเมอร์ไปยังเส้นใย
การปรับขนาดแบบเอพอกซี
การปรับขนาดที่เข้ากันได้กับเอพอกซีเป็นการปิดท้ายทางอุตสาหกรรมที่พบมากที่สุด และเข้ากันได้อย่างเป็นธรรมชาติกับเอพอกซี และเป็นไปได้บางส่วนกับโพลีเอมิเนิลและบางสารเคลือบเทคโนโลยี ให้ความชุ่มชื้นที่ดีและชั้นระหว่างที่มีความทนทาน เมื่อตัวนำของเมสเตอร์แบทช์เป็นโพลีเอมิเนทหรือตัวนำที่มีความเข้ากันได้กับโพลีเอมิเนท ตัวปรับขนาดที่ใช้เป็นเอพอกซี่หรือตัวปรับขนาดที่มีความเข้ากันได้กับโพลีเอมิเนท มักจะให้ผลที่ดีที่สุด
การปรับขนาดแบบพอลิยูเรเทน
การปรับขนาดด้วยโพลียูรีเทนให้ความยืดหยุ่นและความยึดเกาะที่ดีกับวัสดุที่เป็นพอลิเอมิด (PA) เช่น PA6 และ PA66 สำหรับสาร PA6 หรือ PA66 สามารถใช้สารปรับขนาดที่มีความเข้ากันได้กับพอลิยูรีเทนหรือพอลิเอมิด์ได้บ่อย เพราะมันสามารถรับมือกับอุณหภูมิสูงและสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นของการผลิตพอลิเอมิด์ได้อย่างดี แม้ว่าจะทำให้ความติดกันระหว่างเส้นใยและสารประกอบแข็งแรงขึ้น
การปรับขนาดที่เข้ากันได้กับโพลีเอมิเนท
การปรับขนาดที่เข้ากันได้กับโพลีเอมิเนทถูกพัฒนาขึ้นเฉพาะสำหรับพื้นฐาน PA6 และ PA66 เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งที่แนบสนิทและลดความไวต่อความชื้นของสายพันธุ์ เป็นสีที่นิยมใช้เมื่อจะใส่เมสเตอร์แบชในวัสดุที่เป็นโพลีเอมิเนียมในปริมาณมาก
การจัดขนาดให้ตรงกับ Matrix
สำหรับโพลีโพรพิลีนที่ไม่มีชนิดโพลาร์, การปรับขนาดเองไม่เพียงพอ; ต้องใช้ระบบสารทำให้เข้ากันระหว่างสารอะนิไฮดริด (maleic anhydride) และเส้นใยเพื่อสร้างความติด สำหรับโพลีเอมิไนด์, ปูเรตาเนียม หรือสีสันที่เข้ากันได้กับโพลีเอมิไนด์ เป็นตัวเลือกเริ่มต้นที่ปลอดภัย สำหรับสารประเภทโพลีเอสเตอร์เช่น PBT และ PET การปรับขนาดด้วยเอพอกซี่มักจะให้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอที่สุด กฎง่าย ๆ คือ ต้องคำนึงถึงเคมีของวัสดุที่ใช้ในการผลิตให้ตรงกับเคมีของวัสดุที่ใช้ในการผลิต โดยควรตรวจสอบด้วยการดึงเส้นใยสั้น ๆ หรือการทดสอบการเปรียบเทียบทางเคมีก่อนที่จะสั่งผลิตล็อตใหญ่
| Matrix Resin | Recommended Sizing | Compatibilizer Need | Notes |
|---|---|---|---|
| PA6 / PA66 | PU or PA-compatible | Usually none | Best dry adhesion; watch moisture |
| PP | MAH-compatible | PP-g-MAH required | Non-polar, needs coupling |
| PBT / PET | Epoxy-type | Optional | Dry thoroughly before processing |
| PC / PC-ABS | Epoxy or custom | Optional | Avoid hydrolysis, control melt temp |
| PPS / PEEK | High-temp epoxy | Usually none | High melt temperature tolerance |
สารทำให้คงทนสำหรับสารประกอบไฟเบอร์คาร์บอน
เมื่อตัวแทนเป็นตัวที่ไม่มีค่าความโพลาร์หรือมีค่าความโพลาร์ที่น้อยมาก การปรับขนาดของเส้นใยไม่สามารถสร้างพื้นที่สัมผัสที่แข็งแรงได้โดยตรง สารทำให้คู่กัน (compatibilizer) เป็นโครงสร้างของโพลีเมอร์ที่ถูกแทนที่ด้วยกลุ่มที่มีคุณสมบัติแทรกซึม (reactive group) จะทำให้ระหว่างสารเคลือบและผิวเส้นใยมีความเข้ากันได้ ครอบครัวที่สำคัญที่สุดสามครอบครัวสำหรับมาสเตอร์แบทช์ไฟเบอร์คาร์บอนคือโพลีโพรพิลีนที่มีการแทรกแอนไฮไดรด์มาลีเอต, สเตรีน-เอทิลีน-บิวเทน-สเตรีนที่มีการแทรกแอนไฮไดรด์มาลีเอต, และคอปอลิเมอร์เอทิลีน-เอซิกแอซิด
PP-g-MAH
โพลิโพรพีลีนที่มีการแทรกแอนไฮไดรด์มาลีคเป็นตัวเชื่อมที่ใช้เป็นตัวเชื่อมมาตรฐานสำหรับเส้นใยคาร์บอนในโพลิโพรพีลีน อัตราส่วนการผสม, ความเข้มข้นของแอนไฮไดรด์เมลานีนในสาย, เป็น 0.8 ถึง 1.2 เปอร์เซ็นต์ และระดับการเพิ่มเติมอยู่ระหว่าง 2 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ โดยวัดจากสารประกอบทั้งหมด ในระดับนี้ ความติดต่อระหว่างผิวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้ความแข็งแรงในการดึงและความแข็งแรงต่อแรงกระแทกสูงขึ้นเมื่อเทียบกับระบบที่ไม่มีการเชื่อมต่อ น้อยเกินไปจะทำให้เกิดการยึดเกาะที่อ่อนแอ; สูงเกินไปอาจทำให้วัสดุพลาสติกและลดความทนทานต่อความร้อน ดังนั้น ความสมดุลที่ 2 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์คือจุดที่เหมาะสมที่สุด
SEBS-g-MAH
SEBS ที่มีการแทรกเมลานิไดด์เพิ่มความเข้ากันได้ไม่เพียงแต่ความเข้ากันได้เท่านั้น แต่ยังเพิ่มความยืดหยุ่นต่อแรงกระแทกอีกด้วย ซึ่งเป็นประโยชน์เมื่อไฟเบอร์คาร์บอนจะทำให้สารประกอบของโพลิโพรพิลีนหรือโพลิโอเลฟีนแข็งและหักง่าย มันถูกเลือกเมื่อความทนทานต่อแรงกระแทกสำคัญมากกว่าความแข็งแรงสูงสุด เช่น ในตัวยึดรถยนต์และตัวเครื่องที่ทนทานต่อการใช้งาน
EAA
คอมโพสิตของเอทิลีนและแอคริลิกอ็อกซิเดช่นมีหน้าที่เป็นตัวเพิ่มความสัมพันธ์ทางโมเลกุลและตัวกระตุ้นการยึดเกาะ โดยเฉพาะในระบบที่ใช้โพลิโอลีฟีนและเมื่อมีส่วนผสมโพลาร์ที่สองอยู่ มันน้อยกว่า PP-g-MAH สำหรับโพลิโพรพีไลน์ที่ทำจากไฟเบอร์คาร์บอนตรง แต่มีค่าทางการใช้งานในการผลิตสารประกอบหลายชนิด
สารทำให้เข้ากันได้จะถูกเพิ่มเข้าสู่สายอาหารหลักหรือพร้อมกับตัวนำไปจนสามารถเคลื่อนย้ายไปยังแนวสัมผัสได้ขณะผสมวัสดุที่ไหล ในเครื่องบดสองลูกกลิ้ง Kerke, สารทำให้คุณสมบัติเข้ากันได้ถูกใส่ด้วยเครื่องใส่สารแบบคำนวณตามน้ำหนักข้างเครื่องพาและสารละลายเพื่อรักษาระบบคูปเลอร์ให้ถูกต้อง สำหรับตัวเชื่อมที่เป็นพอลิเอมิด์และ PPS ที่เนื้อหาเคลือบไฟเบอร์มีความสามารถในการสร้างลักษณะของการรวมตัวทางการเชื่อมโยงทางน้ำหรือการรวมตัวทางแรงโน้มถ่วงกับไฟเบอร์ที่เคลือบแล้ว การใช้ตัวทำให้รวมตัวที่แยกออกมาอย่างแยกต่างหากมักไม่จำเป็น ซึ่งทำให้การพัฒนารูปแบบง่ายขึ้น
คุณสมบัติของแร่พื้นฐานและข้อกำหนดการแห้ง
ระบบคุณสมบัติของสารประกอบกำหนดขีดความสามารถด้านความทนต่ออุณหภูมิ, ความทนต่อสารเคมี, และช่วงการผลิตของสารประกอบไฟเบอร์คาร์บอนที่ได้ ส่วนผสมไฟเบอร์คาร์บอนถูกสร้างขึ้นจากชนิดหลากหลายของสารเคลือบเทคโนโลยีที่มีพฤติกรรมการแห้งและการละลายแตกต่างกัน
มาตริกรรมที่พบบ่อย
พอลิเอไมด์ 6 และ พอลิเอไมด์ 66 เป็นตัวนำที่พบมากที่สุดเนื่องจากสามารถยึดเกาะกับไฟเบอร์คาร์บอนที่มีขนาดได้อย่างดีและมีคุณสมบัติทางกลที่สูง พอลิโพรพิลีนถูกเลือกใช้สำหรับชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและน้ำหนักเบา โดยต้องใช้ตัวทำให้เข้ากันได้ พอลิคาร์บอเนตและเหล็กคอมโพสิต PC-ABS มีประโยชน์ในการใช้เป็นตัวเครื่องในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการความทนต่อความร้อนและคุณภาพผิวที่ดี PBT, PPS, PEEK และ ABS ใช้ในอุตสาหกรรมรถยนต์ภายในห้องเครื่อง, เซมิคอนดักเตอร์, และการใช้งานทางโครงสร้างที่มีอุณหภูมิสูง สารละลายแต่ละชนิดมีจุดหลอมเหลวที่แตกต่างกัน, ความไวต่อแรงดึง และความทนต่อความชื้น
การแห้งก่อนผสม
พลาสติกเทคโนโลยีเช่น PA66, PC, PBT และ PPS จะดูดความชื้นที่ทำให้โพลีเมอร์เกิดการการหดตัวในขณะที่กำลังละลายและทำลายคุณสมบัติทางกล การแห้งจึงเป็นเรื่องที่จำเป็น ไม่ใช่เรื่องที่เลือกได้ อุณหภูมิและเวลาในข้างล่างเป็นสภาวะการเตรียมก่อนการแห้งที่เป็นปกติ โดยถูกวัดให้อยู่ที่จุดความชื้นที่ควบคุม
| Resin | Dry Temp (°C) | Dry Time (h) | Dew Point (°C) | Reason |
|---|---|---|---|---|
| PA66 | 80 to 100 | 4 | -40 | Hydrolysis of amide chains |
| PC | 120 | 4 | -40 | Prevents hydrolysis and silver streak |
| PBT | 130 | 4 | -40 | Ester hydrolysis at melt |
| PPS | 150 | 3 | -40 | Moisture causes voids and brittleness |
| PA6 | 80 | 4 | -40 | Lower temp than PA66 but still needed |
บนเครื่องผลิตผง Kerke จะนำแร่ปูนที่แห้งมายังถังที่ปิดสนิทและถูกกำจัดความชื้น เพื่อให้ไม่สามารถดูดซึมความชื้นกลับมาก่อนที่จะเข้าสู่ช่องใส่วัตถุ PP และ ABS มีความไวต่อความชื้นน้อยกว่า แต่ยังคงประโยชน์จากการแห้งด้วยอากาศอบอุ่นเมื่อมีไฟเบอร์คาร์บอนและสารเพิ่มเติมอยู่ เพราะความชื้นบนวัสดุเติมอาจทำให้เกิดการขยายตัว การแห้งอย่างถูกต้องเป็นแนวป้องกันแรกต่อการเกิดชิ้นส่วนที่แข็งและข้อมูลการทดสอบที่ไม่สอดคล้องกัน
ระดับการโหลดและประสิทธิภาพทางเครื่องกล
การใส่เส้นใยเป็นตัวกำหนดความสามารถทางเคมีได้อย่างมากที่สุด เมื่อปริมาณไฟเบอร์คาร์บอนเพิ่มขึ้นจาก 10% เป็น 40%, ความแข็งแรงในการยืด, ค่าความยืดหยุ่นทางการบิด และอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการหักตัวจะเพิ่มขึ้นทั้งหมด แต่ความต้านทานแรงกระแทกที่มีรอยขีดข่วนและความสามารถในการผลิตจะลดลง แผนกด้านล่างแสดงช่วงคุณสมบัติที่เป็นตัวอย่างของโพลีเอมิไนด์ 6 ที่มีใยแก้วคาร์บอน 10%, 20%, 30% และ 40% ร่วมด้วยข้อมูลอ้างอิงของใยแก้ว 30% เพื่อให้เป็นข้อมูลเปรียบเทียบ
| System | Tensile Strength (MPa) | Flexural Modulus (GPa) | Notched Impact (kJ/m2) | HDT 1.8 MPa (°C) | Density (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|---|
| PA6 + 10% CF | 130 to 150 | 8 to 10 | 9 to 12 | 170 to 185 | 1.15 to 1.18 |
| PA6 + 20% CF | 180 to 200 | 13 to 16 | 7 to 10 | 190 to 200 | 1.21 to 1.24 |
| PA6 + 30% CF | 220 to 250 | 18 to 22 | 6 to 9 | 200 to 215 | 1.28 to 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 |
การเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่าทำไมไฟเบอร์คาร์บอนถูกเลือกใช้มากกว่าผลิตจากไฟเบอร์แก้วสำหรับส่วนที่ต้องมีความแข็งแรง: ในกรณีที่โหลด 30 เปอร์เซ็นต์ ไฟเบอร์คาร์บอนเพิ่มความแข็งแกร่งในการแนบแน่นได้เกือบสองเท่า และเพิ่มความแข็งแรงในการยืดหยุ่นได้ประมาณ 30 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับไฟเบอร์แก้วที่โหลด 30 เปอร์เซ็นต์ โดยลดความหนาแน่นในขณะเดียวกัน ค่าใช้จ่ายของการรับแรงกระแทกที่มีรอยขีดข่วนต่ำกว่าเนื่องจากไฟเบอร์คาร์บอนมีความแข็งแรงมากและนำแรงไปได้ไม่ค่อยสอดคล้องเท่ากับแก้ว สำหรับ PA6 ที่มีเส้นใยไฟเบอร์คาร์บอนเพิ่ม 30 เปอร์เซ็นต์ ค่าอุณหภูมิที่สามารถป้องกันการแตกหักได้ที่ 1.8 MPa อยู่ระหว่าง 200 ถึง 215 องศาเซลเซียส ซึ่งทำให้วัสดุเหมาะสำหรับใช้ในแผงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายใต้ฝากล่องเครื่องและส่วนประกอบทางโครงสร้าง การย่อตัวและการหักตัวก็ลดลงเมื่อความหนาแน่นของไฟเบอร์เพิ่มขึ้นเนื่องจากความขยายตัวทางความร้อนที่ต่ำของไฟเบอร์คาร์บอนจำกัดสารพีวีซี; ความอิสระนี้ต้องถูกจัดการบางส่วนในการออกแบบเพื่อป้องกันการหักตัวทางขนาด
ความนำไฟฟ้า, ESD และประสิทธิภาพ EMI
ไฟเบอร์คาร์บอนมีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้า และคุณสมบัตินี้ทำให้ไฟเบอร์คาร์บอนเป็นวัสดุเสริมที่แตกต่างจากวัสดุเสริมที่มีคุณสมบัติเฉพาะทางกล เมื่อความเข้มข้นของเส้นใยผ่านจุดขีดจำกัดการผ่านน้ำ, จะเกิดเครือข่ายนำไฟฟ้าที่ต่อเนื่องขึ้น และความต้านทานของพื้นผิวลดลงหลายระดับ
ความสามารถในการผ่านของน้ำ
ไฟเบอร์คาร์บอนขนาดเล็กมักจะถึงจุดขีดจำกัดการซึมผ่านเมื่อมีน้ำหนักอยู่ระหว่าง 3 ถึง 8 เปอร์เซ็นต์ ต่ำกว่าช่วงนี้ส่วนนี้เป็นตัวนำไฟฟ้า ซึ่งมีความต้านทานผิวสูงกว่า 10^12 โอห์มต่อตารางนิ้ว ในระดับที่สูงกว่าเส้นแยกนี้ ความยาวเส้นใยจะสัมผัสกันและรวมเป็นเส้นทาง และความต้านทานจะลดลงไปอยู่ในช่วงที่ไม่มีไฟฟ้าสถิตและสุดท้ายเป็นช่วงที่มีความต้านทานได้ เมื่อความตึงเครียดเพิ่มขึ้นไปสูงถึง 15 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์
ช่วงความต้านทานของพื้นผิว
วัสดุอิเล็กโทรไลซิ่งมีค่าความต้านทานสูงกว่า 10^12 โอมต่อตารางนิ้ว วัสดุที่มีคุณสมบัติป้องกันไฟฟ้าสถิตอยู่ที่ 10^9 ถึง 10^11 โอมต่อตารางเมตร โดยระเหยชาร์จได้อย่างช้าๆ วัสดุที่มีความต้านทานไฟฟ้าและความสูญเสียอยู่ที่ 10^6 ถึง 10^9 โอห์มต่อตารางนิ้ว วัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำไฟฟ้ามีค่าความต้านทานอยู่ระหว่าง 10^2 ถึง 10^5 โอมต่อตารางนิ้ว มาสเตอร์แบทช์ของไฟเบอร์คาร์บอนถูกปรับให้อยู่ในช่วงระหว่างไร้สายไฟฟ้าไปสู่สายไฟฟ้า โดยขึ้นอยู่กับปริมาณและการกระจาย
การป้องกัน EMI
เครือข่ายเส้นใยต่อเนื่องยังป้องกันการรบกวนจากสัญญาณไฟฟ้า สารประกอบของไฟเบอร์คาร์บอนมีความสามารถในการป้องกัน EMI ได้ถึง 30 ถึง 60 เดซิเบลในช่วงความถี่ 30 MHz ถึง 1.5 GHz ซึ่งเพียงพอสำหรับหลายช่องเก็บอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เรื่องนี้สำคัญสำหรับเคส 3C และตัวยึดเซนเซอร์รถยนต์ที่ต้องควบคุมการปล่อยพลังงานทางวิทยุ
ความสัมพันธ์กับ Carbon Black, CNT และ Graphene
ไฟเบอร์คาร์บอนมักจะผสมกับคาร์บอนดำ, นาโนทูบ์คาร์บอน หรือกราฟีนเพื่อลดค่าที่ตั้งไว้สำหรับการลัดวงจรและเพิ่มการป้องกัน คาร์บอนดำเติมช่องว่างระหว่างเส้นใยด้วยต้นทุนต่ำ, นาโนทูบ์สร้างสะพานขนาดนาโนที่ลดขีดจำกัดลงอย่างมาก, และกราฟีนเพิ่มความเป็นทางการและคุณสมบัติของบาร์เรอร์ มาสเตอร์แบทช์แบบไฮบริดสามารถลดค่าไฟฟ้ารีเซสติฟิเอนซ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้ต้นทุนของวัสดุเติมเต็มที่ต่ำกว่า หรือสามารถให้ค่าระบายความร้อนที่สูงขึ้นได้ในปริมาณเติมเต็มที่เท่าเดิม
| Class | Surface Resistivity (ohm/sq) | Typical CF Loading | Application |
|---|---|---|---|
| Insulating | > 10^12 | below 3% | Structural only |
| Antistatic | 10^9 to 10^11 | 3 to 8% | ESD-safe bins, carriers |
| Static dissipative | 10^6 to 10^9 | 8 to 15% | Cleanroom, semiconductor |
| Conductive | 10^2 to 10^5 | 15 to 30% | EMI enclosures, heating |
ปัจจัยการผลิตกระบวนการฉีดขึ้นรูปด้วยแกนคู่
การผลิตมาสเตอร์แบชช์ของไฟเบอร์คาร์บอนบนเครื่องอัดแบบสองแท่งที่หมุนร่วมกันเป็นการคำนึงถึงความสมดุลระหว่างการกระจายไฟเบอร์, การทำให้ชื้น, และการรักษาเส้นยาวของไฟเบอร์ เครื่องอัดลูกกลิ้งคู่เครื่อง KTE Series มีการออกแบบด้วยชุดลูกกลิ้งที่ช่วยเหลือด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งรวมฟังก์ชันการขนส่ง, การละลาย, การผสม, และการระบายออกไปพร้อมกับความสามารถในการทำความสะอาดตัวเอง
จุดประสงค์ของเครื่อง
สำหรับสารประกอบของไฟเบอร์คาร์บอน การใช้เครื่องบดคู่ที่มีอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างระหว่าง 40 ถึง 52 เป็นตัวอย่างที่เป็นปกติ ซึ่งให้เวลาในการพักอาศัยเพียงพอสำหรับการละลาย การผสม และการลดความชื้นโดยไม่ทำให้ไฟเบอร์สึกหรอเกินไป เส้นผ่านศูนย์กลางของล็อคมีขนาด 52, 65 และ 75 มม. ซึ่งรองรับการใช้งานในห้องปฏิบัติการ, การทดลอง, และการผลิต โดยมีขนาดที่ใหญ่ขึ้นสำหรับการผลิตในปริมาณมาก ขอบที่มีค่า L/D สูงสุดของช่วงนี้ถูกเลือกใช้เมื่อต้องใช้การใส่วัสดุด้านข้างและขั้นตอนการระบายอากาศหลายชั้น
การใส่เส้นใยและการใส่เส้นด้านข้าง
ไฟเบอร์คาร์บอนจะถูกเพิ่มเข้ามาโดยใช้เครื่องใส่ส่วนผสมข้าง (side feeder) ที่วางอยู่ข้างล่างของเครื่อง, หลังจากพลาสติกละลายและหลังจากช่วงการละลายด้วยแรงต้าน (high-shear melting zone) ทำให้เส้นใยเดินทางผ่านช่องทางที่สั้นลงจากการผสมผสานบล็อก ซึ่งลดความเสียหายและป้องกันความยาวที่ถูกเก็บไว้ เครื่องใส่เส้นด้านนอกเป็นเครื่องบดสองลูกสูบหรือเครื่องลดน้ำหนักที่วัดเส้นใยที่ตัดเป็นชิ้นเข้าสู่สารละลายอย่างสม่ำเสมอ
การระบายอากาศด้วยการดูด
เครื่องระบายอากาศที่มีแรงดันต่ำ 0.08 ถึง 0.09 MPa จะกำจัดความชื้น, ลมที่ติดอยู่ และส่วนประกอบที่ใช้ในการปรับขนาดที่มีความร้อนสูง การดายความชื้นที่ดีจะป้องกันรอยว่างและการแตกหักในเม็ดบดชนิดสุดท้าย และช่วยปรับปรุงคุณภาพผิวของชิ้นงานที่ขึ้นรูป สามารถใช้ท่อระบายอากาศที่สองบนการออกแบบ L/D ที่สูงขึ้นได้
ความเร็วของสกรูและโปรไฟล์อุณหภูมิ
ความเร็วของสกรูตั้งไว้ที่ 300 ถึง 500 รอบต่อนาทีสำหรับสารประกอบของไฟเบอร์คาร์บอน ซึ่งความเร็วนี้สูงพอที่จะทำให้ผสมได้ดี แต่ต่ำกว่าความเร็วที่ทำให้ไฟเบอร์แตก อุณหภูมิของท่อถูกแบ่งเป็นโซนเพื่อให้สามารถละลายสารละลายได้เร็วขึ้น และต่อมาให้คงอุณหภูมิของสารละลายอยู่ที่ระดับที่คงที่ สำหรับ PA6 ค่าประสิทธิภาพที่เป็นตัวแทนคือ 220, 240, 250, 255 และ 250 องศาเซลเซียสในแต่ละโซน โดยควบคุมอุณหภูมิน้ำแข็งอยู่ใกล้กับโซนด้านบนเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพ การควบคุมอุณหภูมิสูญเสียไม่ใช่เพียงการตั้งค่าบาร์เรลเท่านั้น แต่เป็นสิ่งที่ปกป้องโพลีเมอร์และสารเสริมความหนา
วิธีการผลิตเม็ด
มี 3 วิธีการผลิตเม็ด การบดเป็นเม็ดใต้น้ำให้ผลิตเม็ดที่เป็นรูปสังเคราะห์และไม่มีฝุ่น ซึ่งเหมาะสำหรับการจัดการด้วยระบบอัตโนมัติ และเป็นวิธีที่นิยมใช้กับสารประกอบวิศวกรรมส่วนใหญ่ การเปลี่ยนสายเป็นเม็ด, โดยใช้สายที่เย็นด้วยน้ำหรืออากาศ, เป็นวิธีที่แข็งแกร่งและเป็นที่นิยมสำหรับสารประกอบแก้วและไฟเบอร์คาร์บอนที่ความสัมพันธ์ของเม็ดมีความสำคัญ การตัดด้วยตัวตัดแบบ Hot-face เป็นการตัดที่กระชับและเหมาะสำหรับระบบที่ต้องการความร้อนสูงหรือมีปริมาณสารเติมแต่งสูง การเลือกใช้จะขึ้นอยู่กับความแข็งของวัตถุละลายและปริมาณของสารเติมแต่งในมาสเตอร์แบทช์
| Parameter | Typical Setting | Purpose |
|---|---|---|
| Screw L/D | 40 to 52 | Melting, mixing, venting space |
| Screw diameter | 52 / 65 / 75 mm | Lab to production scale |
| Side feeder position | downstream, post-melt | Protect fiber length |
| Vacuum vent | -0.08 to -0.09 MPa | Remove moisture and volatiles |
| Screw speed | 300 to 500 rpm | Mix without over-shear |
| Barrel profile (PA6) | 220/240/250/255/250 °C | Stable melt, no degradation |
| Pelletizing | underwater / strand / hot-face | Match melt strength and load |
การรักษาและวัดความยาวของเส้นใย
คุณภาพการทำงานทางเคมีของสารประกอบที่มีเส้นใยสั้นขึ้นอยู่กับความยาวของเส้นใยที่ยังคงอยู่มากกว่าความยาวที่ตัดไว้แต่เดิม เส้นใยที่ตัดขนาด 6 มิลลิเมตรถูกบดลงในเครื่องอัดขึ้นรูป และความยาวที่ยังคงอยู่จนถึงเม็ดจะกำหนดความแข็งแรงและค่าความยืดหยุ่น เป้าหมายของผงแม่พิมพ์ไฟเบอร์คาร์บอนที่มีการดำเนินงานอย่างมีประสิทธิภาพคือ ความยาวของไฟเบอร์ที่ถูกเก็บไว้อยู่ระหว่าง 150 ถึง 300 ไมโครเมตร
วิธีการให้อาหาร
การใส่เส้นใยเข้าไปในสารละลายโดยไม่ผ่านการผสมผสานด้วยสารพีวีซีที่จุดใส่วัตถุหลัก เป็นปัจจัยที่มีผลต่อการรักษาเส้นยาวที่แข็งแกร่งที่สุดเนื่องจากเส้นใยหลีกเลี่ยงการแตกหักในช่วงการละลาย การวัดที่นุ่มและสม่ำเสมอช่วยป้องกันการก่อตัวของก้อนไฟเบอร์ที่อาจเกิดขึ้นต่อไปและทำให้เกิดการตัดผ่านมากเกินไป
การกำหนดชนิดของอุปกรณ์ล็อค
สกรูถูกสร้างขึ้นจากส่วนประกอบในการขนส่งและบล็อกการผสม เครื่องผสมอัดบล็อกถูกอธิบายด้วยมุมการสับ: KB45, KB60 และ KB90 บล็อก 90 องศาเป็นเครื่องผสมที่แรงที่สุดและมีผลกระทบต่อเส้นใยอย่างรุนแรง; บล็อก 45 องศาเป็นแบบอ่อนลง สำหรับไฟเบอร์คาร์บอน การวางสกรูใช้ตัวนำเข้าสายผ่านส่วนใหญ่ของความยาว และจำกัดการบดในแนวที่มีการละลายอยู่ในช่วงสั้น ๆ ที่วางไว้อย่างเหมาะสม โดยมักจะใช้ KB45 และ KB60 กับตัวนำเข้าสายแทนการตั้งเรียง KB90 เป้าหมายคือการให้แรงดึงที่เพียงพอเพื่อชุ่มชื้นและกระจายเส้นใยโดยไม่ทำให้เกิดฝุ่น
ความแข็งแรง
ความเร็วการตัดจะเพิ่มขึ้นตามความเร็วของมอเตอร์และความแน่นของพื้นที่การผสม ความเร็วของลูกบิดในช่วง 300 ถึง 500 รอบต่อนาที และการรักษาความหนืดของวัสดุให้อยู่ในระดับปานกลางช่วยป้องกันการยาว การทะลุเกินขนาดของแผ่นหรือการทำงานในส่วนผสมที่แน่นเกินไปทำให้ความยาวที่เก็บไว้ลดลงต่ำกว่า 150 ไมโครเมตร และแสดงผลเป็นความแข็งแรงที่ต่ำกว่า
การวัดด้วยวิธี Ash
ความยาวและปริมาณเส้นใยที่ยังคงอยู่จะถูกวัดด้วยวิธีการใช้ควันตามมาตรฐาน ISO 3451 ความยาวของโพลีเมอร์ถูกเผาในเตาอบ, เส้นใยที่เหลืออยู่ถูกเก็บกลับมา, และความยาวถูกวัดด้วยวิธีการวิเคราะห์ภาพหลังจากละลายหรือแห้งตัวของวัสดุหลัก ความชื้นของไอน้ำยังแสดงความใกล้เคียงระหว่างปริมาณเส้นใยกับเป้าหมาย นี่คือการตรวจสอบคุณภาพมาตรฐานสำหรับทุกล็อตของผงปูนไฟเบอร์คาร์บอน
| Factor | Effect on Retained Length | Recommendation |
|---|---|---|
| Main vs side feed | Side feed preserves length | Always side feed fiber |
| KB90 stacking | Strongly reduces length | Limit, prefer KB45/KB60 |
| Screw speed | Higher speed shortens fiber | Keep 300 to 500 rpm |
| Target retained length | 150 to 300 micrometer optimal | Verify by ash + imaging |
สิ่งแวดล้อมและมาตรฐานการทดสอบ
การปล่อยมาสเตอร์แบทช์ไฟเบอร์คาร์บอนต้องมีแผนการทดสอบที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน เพื่อให้ทุกล็อตผ่านเกณฑ์ทางด้านการเคลื่อนไหว, การไฟฟ้า และสารประกอบ มาตรฐานที่ระบุด้านล่างถูกอ้างถึงเป็นข้อความธรรมดาและใช้ในขั้นตอนการรับสินค้า, การผลิต และ การจัดส่งสินค้า
ความเข้มและความไหลของวัสดุที่ละลาย
ความจุของไอน้ำตาม ISO 3451-1 ยืนยันปริมาณเส้นใยโดยการเผาไหม้โพลีเมอร์และน้ำหนักเศษที่เหลือ ความเร็วการไหลของวัสดุที่ละลาย หรือ ความเร็วของปริมาตรวัสดุที่ละลายตามมาตรฐาน ISO 1133 จะตรวจสอบความสามารถในการผลิตและตรวจจับการเสื่อมสภาพหรือการเปลี่ยนแปลงสูตร ทั้งสองวิธีเป็นการทดสอบการปล่อยลูกผสมที่ราคาถูกและรวดเร็ว
คุณสมบัติทางเคมี
คุณสมบัติการยืดของวัสดุถูกวัดตามมาตรฐาน ISO 527, คุณสมบัติการบิดตามมาตรฐาน ISO 178, และคุณสมบัติการทะลายตามมาตรฐาน ISO 179 หรือ ISO 180 เนื่องจากผลลัพธ์ดังกล่าวจะสร้างค่าสูงสุดของความแข็ง, ค่าความยืดหยุ่น และค่าการกระแทกที่ปรากฏในแผนกข้อมูล สิ่งทดสอบถูกผลิตตามโปรโตคอลที่ตั้งไว้เพื่อให้ผลลัพธ์สามารถเปรียบเทียบได้ระหว่างรุ่น
การทำงานด้วยความร้อนและไฟฟ้า
อุณหภูมิการลดความยืดหยุ่นถูกวัดตามมาตรฐาน ISO 75 ซึ่งยืนยันขีดจำกัดการใช้งานในอุณหภูมิสูง ความต้านทานพื้นผิวและความจุถูกวัดตามมาตรฐาน IEC 62631 และ ASTM D257 โดยแบ่งวัสดุออกเป็นกลุ่มต้านทานไฟฟ้า, ต้านไฟฟ้าสถิต, แก้ไขความต้านทานไฟฟ้า หรือความต้านทานไฟฟ้า สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อความร้อน เราจะตรวจสอบการรับรอง UL 94 และการผ่านมาตรฐาน RoHS และ REACH
การกระจายและโครงสร้าง
การกระจายเส้นใยจะถูกประเมินโดยการสังเกตผ่านกล้องจุลทรรศน์ของชิ้นส่วนที่ตัดด้วยเครื่องตัดไมโคร (microtome); การกระจายที่ไม่ดีแสดงให้เห็นกลุ่มของเส้นใยที่กลุ่มกันและสะเก็ดของยางที่เปลือยเปล่า ความแปรผันความยาวเส้นใยมาจากวิธีการคำนวณจากค่าส่วนผสมของควันและการถ่ายภาพ รวมกันแล้วจะช่วยตรวจจับความผิดพลาดในการประกอบก่อนที่ชิ้นส่วนจะถูกขึ้นรูป
| Test | Standard | What It Confirms |
|---|---|---|
| Ash content | ISO 3451-1 | Actual fiber loading |
| Melt flow | ISO 1133 | Processability |
| Tensile | ISO 527 | Strength and modulus |
| Flexural | ISO 178 | Stiffness |
| Impact | ISO 179 / ISO 180 | Toughness |
| HDT | ISO 75 | Heat resistance |
| Surface resistance | IEC 62631 / ASTM D257 | ESD and conductivity class |
สถานการณ์การใช้งาน
มาสเตอร์แบทช์ของไฟเบอร์คาร์บอนใช้ในตลาดที่ต้องการความแข็งแรง, น้ำหนักเบา และความนำไฟฟ้าร่วมกัน ครอบครัวของสารคอนซันต์เดียวกันถูกปรับแต่งตามแต่ละการใช้งานโดยเปลี่ยนการตกแต่ง, วัสดุหลัก และแพ็คเกจสารเพิ่มเติม
อุตสาหกรรมยานยนต์
ในอุตสาหกรรมยานยนต์ คอมพาวด์ไฟเบอร์คาร์บอนถูกใช้สำหรับแผงระบายอากาศ, ส่วนประกอบโครงสร้างกล่องแบตเตอรี่ และตัวยึดที่ต้องการความแข็งแรงและลดน้ำหนัก คุณสมบัติการนำไฟฟ้ายังช่วยลดเส้นสีอิเล็กโทรสตติกได้อีกด้วย PA6 และ PA66 ที่มีใยแก้วคาร์บอน 30 เปอร์เซ็นต์เป็นตัวเลือกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายภายใต้ห้องเครื่องและส่วนสร้างเนื่องจากมีอุณหภูมิการลดทอนความยืดหยุ่นอยู่ระหว่าง 200 ถึง 215 องศาเซลเซียส
3C Electronics
เคสคอมพิวเตอร์พกพาและแผงกลางของสมาร์ทโฟนใช้เมสเตอร์แบทช์ของไฟเบอร์คาร์บอนเพื่อความแข็งแรงของผนังบางและการป้องกัน EMI PC, PC-ABS และ ABS เป็นตัวนำในตลาดนี้ โดยการโหลดถูกปรับให้เหมาะกับคุณภาพผิวและการป้องกันเสียงที่ 30 ถึง 60 เดซิเบล
เครื่องบินไร้คนขับและสินค้าเล่นกีฬา
ระบบเครื่องบินไร้คนขับและอุปกรณ์กีฬาให้ความสำคัญกับค่าความยืดหยุ่นเฉพาะของเส้นใยคาร์บอน: ความแข็งแรงสูงในน้ำหนักต่ำ ส่วนผสมที่มีเส้นใยยาวและความจุสูงให้ความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีที่สุดสำหรับชิ้นส่วนเหล่านี้
เครื่องนำขนาดแผ่นเซมิคอนดักเตอร์
เครื่องขนส่งแผ่นในห้องสะอาดต้องมีพฤติกรรมที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและการระบายไฟฟ้าที่ 10^6 ถึง 10^11 โอมต่อตารางนิ้ว เพื่อป้องกันแผ่นที่มีชาร์จไฟจากการเสียหาย ไฟเบอร์คาร์บอนที่ผ่านการบดในสารละลายที่สะอาดและมีไอออนต่ำให้ผลิตภัณฑ์มีผิวเรียบและความต้านทานที่ควบคุมได้อย่างไร้ขนาด โดยไม่มีการหลุดออกของไฟเบอร์แก้ว
อุปกรณ์ต่อท่อสำหรับน้ำมันและก๊าซ
อุปกรณ์ดาวน์โฮลและไฟล์ไลน์ใช้วัสดุ PPS หรือ PEEK ที่แข็งขึ้นด้วยไฟเบอร์คาร์บอนเพื่อความทนทานต่อสารเคมี ช่องเวลาดัดแปลงและดัดแปลงด้วยความร้อนสูงของวัสดุเหล่านี้ถูกดำเนินการบนเครื่องดัดแปลง Kerke ที่มีอัตราส่วน L/D ที่สูงขึ้น
ความผิดพลาดที่พบบ่อยและการแก้ไขปัญหา
การใช้เมสเตอร์แบทช์ของไฟเบอร์คาร์บอนทำให้เกิดหลายข้อผิดพลาดที่ซ้ำซากกัน โดยมากกว่าคือปัญหาในการใส่วัตถุ, การตัด, ความชื้น, หรือการผสมแทนที่จะเป็นปัญหาในตัวไฟเบอร์เอง
| Defect | Likely Cause | Countermeasure |
|---|---|---|
| Fiber exposure / floating fiber | Poor wetting, low mold temp | Raise mold temp, improve sizing, add flow aid |
| Color difference | Lot variation, oxidation | Tight lot control, check ash and dispersion |
| Warpage | Anisotropic shrinkage | Balance gate, reduce load, add filler |
| Strand breakage | Weak melt, poor cooling | Raise melt temp, improve water bath, slow pull |
| Die pressure fluctuation | Uneven feed, bridging | Stabilize side feeder, check crammer |
| Screw slip | Low feed thrust, wet resin | Improve drying, raise feed zone fill |
| Powder Bridging | Milled fiber agglomeration | Use crammer feeder, reduce humidity |
การร้องเรียนที่เกิดขึ้นบ่อยที่สุดคือเส้นใยที่ลอยอยู่บนพื้นผิวที่ขึ้นรูป ซึ่งเส้นใยยื่นออกจากยาง เรื่องนี้จะแก้ไขได้โดยเพิ่มอุณหภูมิของชิ้นงาน, ตรวจสอบให้แน่ใจว่าระบบขนาดเหมาะสมกับวัสดุหลัก และในบางครั้งอาจเพิ่มตัวกระตุ้นการไหลเล็กน้อย การหักแนวจากการสะสมตัวที่แตกต่างกันจะถูกจัดการในระหว่างการออกแบบชิ้นส่วนด้วยการจัดระบบการไหลที่สมดุล และเมื่อจำเป็นก็ใช้ส่วนผสมของแก้วหรือวัสดุธรรมชาติเพื่อปรับสมดุลการไหล แรงดันที่เปลี่ยนแปลงกันอย่างรวดเร็วจะเกิดขึ้นจากการใส่วัตถุอย่างไม่สม่ำเสมอ ทำให้เครื่องบดหรือเครื่องใส่วัตถุที่มีการสูญเสียน้ำหนักเป็นสิ่งแรกที่ควรตรวจสอบ
คาร์บอนไฟเบอร์ vs แก้วไฟเบอร์ Masterbatch
ผู้ซื้อตลอดเวลาจะพิจารณาความแข็งแรงของมาสเตอร์แบทช์ไฟเบอร์คาร์บอนและไฟเบอร์แก้วกันไปมา โดยการเลือกอย่างถูกต้องขึ้นอยู่กับว่าความแข็งแรง ความนำไฟฟ้า และน้ำหนัก หรือค่าใช้จ่ายและการสึกหรอจะเป็นสิ่งที่สำคัญกว่ากันในการกำหนดสเปค
| Attribute | Carbon Fiber Masterbatch | Glass Fiber Masterbatch |
|---|---|---|
| Density | Lower | Higher |
| Tensile strength | Higher | Moderate |
| Flexural modulus | Much higher | Lower |
| Electrical conductivity | Yes, antistatic to conductive | Insulating |
| Wear resistance | Higher | Moderate |
| Screw and barrel wear | High | Low to moderate |
| Relative cost | Premium | Low |
โดยตรงแล้ว คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงเฉพาะเจาะจง ความนำไฟฟ้า และน้ำหนักที่ดีกว่า แต่ราคาแพงกว่ามาก และทำให้เกียร์และโครงสร้างเสียเร็วขึ้น ซึ่งทำให้ค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมเพิ่มขึ้น ไฟเบอร์แก้วชนะอย่างเด่นด้านต้นทุนและเป็นมิตรต่ออุปกรณ์ ทำให้เป็นวัสดุที่ใช้เป็นส่วนใหญ่สำหรับส่วนสร้างที่ไม่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้า เมื่อความนำไฟฟ้าหรือเป้าหมายความแข็งแรงต่อน้ำหนักเป็นเรื่องที่จำเป็น การใช้เม็ดสีไฟเบอร์คาร์บอนเป็นตัวเลือกเดียวที่เข้าข่าย หลายโปรแกรมใช้ไฟเบอร์แก้วสำหรับสร้างโครงสร้างหลัก และผิวไฟเบอร์คาร์บอนที่บางและมีการใส่ไฟเบอร์คาร์บอนในจุดที่ต้องการป้องกัน ESD หรือป้องกันสัญญาณ
มาตรฐานและการปฏิบัติตามมาตรฐาน
มาสเตอร์แบทช์ของไฟเบอร์คาร์บอนและสารประกอบที่ผลิตจากมันกำหนดตามชุดมาตรฐานที่สอดคล้องกันระหว่างระดับสากลและภูมิภาค เนื้อหาเหล่านี้ถูกจัดไว้ในรูปแบบข้อความธรรมดาเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง และปรากฏอยู่ในเอกสารคุณภาพต่าง ๆ ดังนี้:
- ISO 527 สำหรับคุณสมบัติแรงดึง
- ISO 178 สำหรับคุณสมบัติการยืดหยุ่น
- ISO 179 และ ISO 180 สำหรับคุณสมบัติการกระแทก
- ISO 75 สำหรับอุณหภูมิที่สามารถทนความร้อนได้
- ISO 1133 สำหรับความเร็วไหลของวัสดุที่ละลาย
- ISO 3451 สำหรับการวัดความหนาแน่นของไอน้ำและการวัดความหนาแน่นของเส้นใย
- ASTM D257 สำหรับความต้านทานไฟฟ้าและความต้านทาน
- IEC 62631 สำหรับความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุที่เป็นตัวนำไฟฟ้า
- UL 94 สำหรับการแบ่งประเภทความไวต่อการลุกไหม้
- RoHS สำหรับการจำกัดสารอันตราย
- REACH สำหรับการลงทะเบียนและความปลอดภัยของสารเคมี
ความเข้มงวดตาม RoHS และ REACH จะถูกคาดหวังในสายการผลิตอิเล็กทรอนิกส์และอุตสาหกรรมยานยนต์ ส่วนการรับรอง UL 94 เป็นสิ่งที่สำคัญสำหรับเคสที่ต้องผ่านการประเมินระดับการดับไฟ มาตรฐานเหล่านี้อ้างอิงเป็นข้อความเท่านั้น และควรตรวจสอบกับฉบับที่เผยแพร่ล่าสุดและสายพันธุ์ของยางที่ใช้
คำถามที่ถามบ่อย
ความแตกต่างระหว่างมาสเตอร์แบทช์ไฟเบอร์คาร์บอนและรสีนำเข้าสูตรไฟเบอร์คาร์บอนโดยตรงคืออะไร?
มาสเตอร์แบทช์ของไฟเบอร์คาร์บอนจะคอนซานทราร์ไฟเบอร์ที่ 20 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ในตัวเชื่อมต่อ (carrier resin), ทำให้ผู้ผลิตสามารถลดปริมาณลงไปที่ 5 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ เพื่อให้ได้ปริมาณไฟเบอร์ที่สุดอยู่ที่ 10 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ การผสมแบบตรง (Direct compounding) ผสมเส้นใยและสารเคลือบกันเพียงครั้งเดียว Masterbatch ช่วยให้เส้นใยถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอ, ป้องกันความยาวของเส้นใยด้วยการลดแรงดึงรวม, ทำให้การใส่วัตถุได้ง่ายขึ้น, และให้คุณภาพที่สม่ำเสมอจากรุ่นไปยังรุ่นสำหรับผู้ผลิตเครื่องฉีดพลาสติกที่ไม่มีเครื่องตัดสายสองตัว
ทำไมการใส่อาหารข้าง ๆ ถูกใช้กับเส้นใยคาร์บอนในการอัดด้วยแกนคู่?
เครื่องใส่วัสดุข้างเพิ่มเส้นใยที่ตัดแล้วลงสู่สายลำดับต่อไปหลังจากโพลีเมอร์ละลายและหลังจากช่วงละลายด้วยแรงฉุดสูง นี้ทำให้ระยะทางของเส้นใยสั้นลงเมื่อผ่านผ่านตัวแปรแรงดึง, ลดการแตกของเส้นใย, และเพิ่มความยาวของเส้นใยที่ยังคงอยู่ไปสู่เป้าหมาย 150 ถึง 300 ไมโครเมตร ซึ่งส่งผลต่อความแข็งแรงและค่าความแข็ง
ความหนาแน่นของไฟเบอร์คาร์บอนที่ให้ประสิทธิภาพในการป้องกันไฟฟ้าสถิตหรือการนำไฟฟ้าได้อย่างไร?
เส้นใยคาร์บอนขนาดเล็กมักจะถึงจุดขีดจำกัดการเปรคโลชั่นเมื่อมีน้ำหนักอยู่ระหว่าง 3 ถึง 8 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งส่วนที่ต่ำกว่านี้จะคงความเป็นตัวนำ และเมื่อมีน้ำหนักสูงขึ้นไปถึง 15 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ ความต้านทานทางสายตะกั่วจะลดลงไปอยู่ในช่วง 10^9 ถึง 10^11 โอมต่อตารางนิ้ว และต่อไปยังความเป็นตัวนำที่ 10^2 ถึง 10^5 โอมต่อตารางนิ้ว
วิธีการที่มาสเตอร์แบทช์ไฟเบอร์คาร์บอนแตกต่างจากมาสเตอร์แบทช์ไฟเบอร์แก้ว
ในการโหลดที่เท่ากัน 30 เปอร์เซ็นต์ คาร์บอนไฟเบอร์ชนะกว่าไฟเบอร์แก้วในเรื่องความแข็งแรง ความแข็งแรงต่อหน่วยน้ำหนัก ความนำไฟฟ้า และความทนทานต่อการสึกหรอ ส่วนไฟเบอร์แก้วมีราคาถูกกว่าและมีความอ่อนโยนต่อการสึกหรอของสกรูและท่อมากกว่า ไฟเบอร์คาร์บอนยังลดความหนาแน่นและการหักตัวเมื่อเทียบกับไฟเบอร์แก้วในหลายชนิดของสารเคลือบเทคโนโลยี
คอมปาติบิลไซเตอร์แบบไหนที่ควรใช้กับเส้นใยคาร์บอนในโพลีโพรพิลีน?
โพลีโพรพิลีนเป็นสารที่ไม่มีชนิดโมเลกุลและไม่สามารถยึดกับเส้นใยคาร์บอนได้อย่างดี ดังนั้น โพลีโพรพิลีนที่มีการปลูกถ่ายด้วยแอนไฮไดรอยด์มาลีค (PP-g-MAH) ที่มีอัตราการปลูกถ่าย 0.8 ถึง 1.2 เปอร์เซ็นต์ และปริมาณเพิ่ม 2 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ เป็นตัวเลือกที่นิยมใช้เป็นมาตรฐาน SEBS-g-MAH หรือ EAA สามารถใช้ได้เมื่อความต้านทานหรือความบวกต่ำต่างกัน
วิธีการวัดความเข้มข้นของไฟเบอร์คาร์บอนในเม็ดบดอย่างไร?
ความจุของไอน้ำถูกวัดโดยเผาไหม้โพลีเมอร์ในเตาอบแบบหมุน (muffle furnace) ตามมาตรฐาน ISO 3451-1 และน้ำหนักเส้นใยที่เหลืออยู่หลังจากปรับค่าสำหรับการสูญเสียการปรับขนาด การวัดสเปกตรัมความยาวของเส้นใยจะทำโดยละลายตัวแทนและถ่ายภาพเส้นใยที่ถูกปลดปล่อยออกมา โดยมีความยาวที่ต้องการคงอยู่ระหว่าง 150 ถึง 300 ไมครอน
สภาวะการแห้งอย่างไรที่จำเป็นก่อนการอัดไส้ไฟเบอร์คาร์บอนที่ผสม PA66?
PA66 ต้องถูกทำความแห้งที่อุณหภูมิ 80 ถึง 100 องศาเซลเซียส ประมาณ 4 ชั่วโมง เพื่อให้จุดความชื้นอยู่ใกล้เคียงกับ -40 องศาเซลเซียส เนื่องจากความชื้นที่เหลือจะทำให้โพลีเมอร์ถูกทำลายทางเคมีระหว่างการผลิตในสภาวะละลาย และทำให้คุณสมบัติทางกลลดลง PC, PBT และ PPS ต้องใช้อุณหภูมินึ่งที่สูงขึ้นตามลำดับที่ระบุในตารางการแห้ง
คาร์บอนไฟเบอร์มาสเตอร์แบชช์ช่วยป้องกัน EMI ได้หรือไม่?
ใช่ เครือข่ายไฟเบอร์คาร์บอนที่ต่อเนื่องในโพลีเมอร์ให้ประสิทธิภาพการป้องกัน EMI ระหว่าง 30 MHz ถึง 1.5 GHz ความสูง 30 ถึง 60 เดซิเบล การสังเคราะห์กับกาวคาร์บอน, นาโนทูบ์คาร์บอน หรือกราฟีนสามารถเพิ่มความป้องกันได้อย่างสูงขึ้นโดยลดปริมาณเส้นใยที่จำเป็น
คำสรุป
มาสเตอร์แบชช์ที่มีเส้นใยไฟเบอร์คาร์บอนเสริมคุณสมบัติเป็นวิธีที่หลากหลายที่สุดในการเพิ่มความแข็งแรง, น้ำหนักเบา และความนำไฟฟ้าให้กับพลาสติกทางวิศวกรรมที่เครื่องขึ้นรูป ความสำเร็จอยู่ในสี่ขั้นตอนการตัดสินใจ ได้แก่ การเลือกประเภทและขนาดเส้นใยให้เข้ากับวัสดุหล่อ, การทำให้แร่ละลายแห้งอย่างถูกต้อง, การทำงานของเครื่องบดสองแถวด้วยการใส่เส้นใยด้านล่างและการควบคุมแรงกดเพื่อรักษาระยะของเส้นใยที่ถูกจับไว้อยู่ที่ 150 ถึง 300 ไมครอน, และการตรวจสอบทุกล็อตด้วยการทดสอบค่าสิ่งแห้ง, ความแข็งแรงทางเคมี, และค่าความต้านทาน สำหรับ PA6 ที่มีใยแก้วคาร์บอน 30 เปอร์เซ็นต์ คาดว่าจะมีความแข็งแรงในการยืดขยาย 220 ถึง 250 MPa ความยืดหยุ่น 18 ถึง 22 GPa และอุณหภูมิการยืดหยุ่น 200 ถึง 215 องศาเซลเซียส โดยค่าความต้านทานของผิวสามารถปรับได้จากความไร้การนำไฟฟ้าไปเป็นความนำไฟฟ้าได้โดยการโหลด
Kerke, โรงงาน Wanplas, จำหน่ายเครื่องอัดรีดคู่หมุนแบบคู่รุ่น KTE และระบบผลิตเม็ดที่ใช้ในการผลิตเมสเตอร์แบทช์เหล่านี้ในระดับการทดลองและการผลิตเต็มรูปแบบ โดยมีประสบการณ์ในการผลิตสารผสมมากกว่า 12 ปี และเครือข่ายบริการทั่วโลกในกว่า 70 ประเทศ Wanplas ซึ่งเป็นแบรนด์แม่ จะนำเสนอคุณภาพที่สอดคล้องกันและการสนับสนุนเทคโนโลยีจากโรงงานที่มีความเชี่ยวชาญของบริษัท แม้ว่าคุณจะผสมวัตถุภายในบริษัทหรือใช้วัตถุที่พร้อมใช้งานเป็นสารผสมหลักหรือไม่ ค่าที่ระบุในแนวทางนี้เป็นจุดเริ่มต้นที่น่าเชื่อถือ; คุณควรตรวจสอบค่าที่แท้จริงของวัตถุ, เส้นใย และอุปกรณ์ของคุณเองก่อนที่จะเริ่มการผลิต
