TPU加玻纤增强的加工成型

TPU（热塑性聚氨酯弹性体）加玻纤（玻璃纤维）增强的加工成型需结合材料特性与设备要求，重点解决玻纤分散、熔体流动性、模具磨损及成型缺陷（如翘曲、表面浮纤）等问题。以下是关键工艺要点、设备选型及常见问题解决方案：

一、原材料预处理

1. 玻纤选择

类型：优先选用短切玻璃纤维（长度 0.2~0.5mm），长玻纤（>1mm）易导致熔体粘度激增，影响充模。
表面处理：需经硅烷偶联剂处理（如 KH-550），增强与 TPU 基体的界面结合力，减少玻纤外露和力学性能损失。
添加比例：常用 10%~30%（重量比），超过 40% 会显著降低熔体流动性，且需专用高扭矩挤出机。

2. TPU 基体干燥

含水率要求：加工前需在 80~100℃下干燥 4~6 小时，含水率≤0.05%，避免高温下水分引发 TPU 水解降解（产生气泡、表面银丝）。

二、加工设备选型

1. 挤出机 / 注塑机要求

设备类型	关键参数	备注
螺杆设计	长径比（L/D）20~25:1，压缩比 1.8~2.5，采用屏障型或销钉型螺杆促进分散	避免使用直通型螺杆，防止玻纤团聚
料筒温度	前段 180~200℃，中段 200~220℃，后段 220~240℃（根据 TPU 硬度调整，硬度越高温度越高）	温度过高易导致 TPU 降解发黄
注射压力	80~150MPa（高于纯 TPU 的 50~100MPa），保压压力 30~60MPa，保压时间 10~30s	高压确保玻纤填充均匀
模具温度	40~80℃（低温模具可减少表面浮纤，但冷却时间延长；高温模具提升熔体表观质量）	需配合循环温控系统

2. 特殊配件

耐磨衬套与螺杆：采用氮化钢或双金属材质（如 Xaloy 合金），减少玻纤对机筒的磨损（寿命可延长 3~5 倍）。
过滤网与换网器：安装 20~40 目金属过滤网，过滤未分散的玻纤团，换网器需支持不停机换网以提高生产效率。

三、成型工艺要点

1. 共混造粒工艺（用于改性料生产）

工艺流程：TPU 粒料干燥 → 与玻纤、助剂（如抗氧剂 1010、润滑剂 EBS）按比例混合 → 双螺杆挤出机共混（转速 200~300r/min） → 拉条水冷切粒 → 包装。
关键控制：玻纤加入口需位于挤出机中后段（距加料口 2/3 处），避免过早接触高温熔体导致强度下降；熔体压力控制在 8~15MPa，确保玻纤均匀分散。

2. 注塑成型工艺

浇口设计：

优先使用扇形浇口或潜伏式浇口，避免使用点浇口（易导致玻纤取向集中，产生应力开裂）。
浇口厚度≥产品壁厚的 80%，减少充模阻力。

冷却系统：

采用螺旋式冷却水道，冷却时间占成型周期的 50%~70%（比纯 TPU 延长 20%~30%），确保内部玻纤取向稳定，降低翘曲风险（如长方体制件翘曲度可控制在 0.5mm/m 以内）。

3. 挤出成型工艺（如管材、异型材）

口模设计：流道需光滑过渡，压缩比 1.5~2.0:1，避免锐角结构导致玻纤滞留；出口处设置定型套，通过真空吸附（-0.05~-0.08MPa）确保截面尺寸精度（公差 ±0.1mm）。
牵引速度：比纯 TPU 低 10%~20%（通常 0.5~1.5m/min），避免玻纤取向被拉伸破坏，影响纵向强度。

四、常见问题与解决方案

问题现象	成因分析	解决措施
表面浮纤 / 玻纤外露	熔体流动性不足，玻纤分散不均	① 提高料筒温度 5~10℃；② 增加润滑剂（如硬脂酸锌 0.3%~0.5%）；③ 降低玻纤含量
制品翘曲变形	玻纤取向不一致，冷却不均	① 优化模具冷却水路；② 调整保压压力与时间；③ 采用玻纤双向取向设计（如对称结构）
力学性能不足	玻纤断裂或界面结合差	① 检查玻纤表面处理工艺；② 提高螺杆剪切强度（增加捏合块数量）；③ 控制挤出温度≤240℃
喷嘴堵塞	玻纤磨损导致金属碎屑堆积	① 更换耐磨喷嘴（如碳化钨材质）；② 定期清理料筒（每 4 小时停机清理一次）
气泡 / 银纹	TPU 含水率过高或降解	① 重新干燥原料（含水率≤0.03%）；② 降低料筒温度 10~15℃，缩短滞留时间

五、后处理工艺

1. 退火处理

目的：消除内应力，稳定尺寸（如齿轮类精密零件尺寸变化率≤0.1%）。
工艺：制品在 60~80℃烘箱中保温 2~4 小时，随炉冷却至室温（适用于厚壁件，壁厚 > 4mm）。

2. 表面处理

喷涂工艺：使用 PU 专用底漆（如丙烯酸聚氨酯），提高表面平整度（粗糙度 Ra≤1.6μm），遮盖浮纤并提升美观性（光泽度可达 60~80GU）。
激光处理：通过激光打标或毛化处理，改善表面附着力（如用于汽车外饰件的油漆附着力达 ISO 2409 划格法 4B 标准）。

六、环保与安全注意事项

玻纤粉尘防护：生产车间需配备除尘系统（如脉冲布袋除尘器），操作工人需佩戴防尘口罩（过滤效率≥95%）和护目镜，防止玻纤刺激呼吸道和皮肤。
边角料回收：可破碎后按≤20% 比例回用于非关键部件（如工业托盘），但需避免多次加工导致 TPU 降解和玻纤断裂。

总结：工艺优化核心目标

TPU 加玻纤增强的加工成型需在玻纤分散均匀性、熔体流动性与模具耐磨损性之间取得平衡。通过精准控制温度、压力、螺杆结构及后处理工艺，可实现制品力学性能（如拉伸强度≥80MPa，弯曲模量≥2000MPa）与表观质量的双重提升，满足汽车、工业机械等高端领域的严苛要求。实际生产中建议先通过小批量试模（如制作标准拉伸样条）验证玻纤分散度（显微镜观察，分散粒径≤200μm）和力学性能，再逐步放大生产。