輕量化材料新選擇： 長纖維增強熱塑性複合材料 (LFRT)
■大東樹脂化學 / 蘇培鈞 主任
前言
根據聯合國的報告指出，預估在 2045 年全球將有超過 60 億人會集中在都市地區，形成大型化的都市生活圈，而大城市中所必備的多樣化需求，包括交通、醫療、居住、糧食、水等，都將成為不可或缺的服務及資源，但是人類在追求更優質生活的同時，相對也帶來了氣候變遷與環境汙染的生存危機，舉例來說，汽車帶來生活的行動便利性，造就了工業經濟鏈的成長，但同時也是能源消耗與污染物排放的主要問題來源。
面對這些重大議題，人們開始找尋解決的方式，藉由降低 CO2 的排放、重視自然資源的管理，以及資源的持續再利用等路徑，來達到永續環境的目標，而在這些解決方案中，材料扮演著關鍵的角色。為了因應汽車產業帶來的環境和能源短缺問題，各國均制訂嚴格法規來限制汽車的燃油消耗與溫室氣體排放，包括歐盟於 2021 年 CO2 排放量須降至 95g/km，美國 2025年須降至 97g/km，而相關研究結果顯示，汽車重量每減少 100Kg，可直接節省燃油約 0.3~0.5L/(100km)，以及 CO2 排放能減少約 8~11g/(100km)。因此，企業持續透過運用結構設計、輕質材料、綠色製程三種途徑來實現汽車的輕量化，進而有效降低整體產業對於環境的衝擊。
其中就材料的選擇上，鋼材的比重為 7.8，鋁合金約2.7，而熱塑性塑膠則在 0.9~1.6，玻纖強化複合材料的比重也低於 2.0，雖然在直接強度上不如碳纖維、金屬材料，但是從性能 / 價格 / 加工的比值來看，大幅使用比重及成本較低的熱塑性複合材料來取代部份金屬部件，已成為現階段產業發展輕量化的方向之一。
在熱塑性複合材料的配方組成中，常使用玻璃纖維作為樹脂的增強材料，藉以提高成型製品的機械性能或耐熱性，而一般傳統的技術工法，是使用押出機將玻纖絲束直接與樹脂基料熔融混合造粒，玻纖絲束在受到螺桿和料缸的摩擦剪切作用之下被切碎，所得到的是玻纖長度 <1mm 的補強樹脂料粒。這樣的材料在經過下一次的成型加工之後，玻纖又再一次被破碎，因此在終端製品中，大部份玻纖的保留長度其實遠低於有效的臨界長度，玻纖本身的增強效果並沒有被充分發揮出來，因此如何提高纖維的保留長度，將成為複合材料在終端應用的領域中，是否能再更上一級之關鍵所在。
輕量材料新選擇
長 纖 維 增 強 熱 塑 性 材 料（Long Fiber Reinforced Thermoplastics，簡稱 LFRT 或 LFT）是近幾年來發展迅速的一類高性能複合材料，係使用特殊的製程及設備，將連續的玻璃纖維以熔融樹脂充分浸潤包覆，膠條冷卻後再切成特定尺寸的長棍狀膠粒，單一膠粒的長度約為 10~15mm，其內所包覆玻纖的長度即與膠粒長度等長 (10~15mm)，由於 LFRT 內含的玻纖長度超過臨界長度 (Lc)，即能展現出玻纖原有剛強性能的優勢。
使用長玻纖增強材料射出成型的製成品中，玻纖的實質長度保持率高，所以纖維之間有足夠的長度能相互搭接，形成三維立體的 3D 網狀結構，交錯貫穿於基體樹脂內作為增強骨架（如圖 1 所示），與一般的熱塑補強材料相比較，LFRT 可以承受較大的應力和荷載，並有效吸收能量，進而使製成品具有高比強度、高剛性、高耐衝擊、高尺寸穩定性、耐溫、低翹曲、抗蠕變性、低熱膨脹係數等許多優點，相關性能比較如圖 2 所示。
針對 LFRT 的配方及性能評估，大東樹脂化學已進行許多相關測試與研究，例如以聚丙烯 50% 長玻纖增強材料為例，在不同玻纖長度下 (12mm、25mm) 的力學性能做比較，由實驗結果顯示，當內含玻纖長度愈長時，相對的耐衝擊性能也愈高（如表 1 所示），同樣的型態也可以從測試片的斷裂面觀察看到，樹脂內交錯的網狀玻纖形成緊密結構（如圖 3 所示），進而讓材料能夠承受更多的破壞應力，尤其當纖維長度達到 25mm 的型態時，即使試片已經斷裂，但藉由內部纖維在足夠的長度下，所形成彼此間的 3D 搭接效果，仍可讓試片外觀有維持部份的完整性。
從研究數據來看，LFRT 能夠大幅提升產品的力學安全性能，以比強度而言，則與金屬材料相當接近，加上 LFRT 可以用模具快速的成型，製作出複雜的形狀，而且材料能夠回收再使用，隨著全球各先進國家朝向環保、節能、輕量化的趨勢下，產業界掀起了「以塑代鋼」的潮流，LFRT 已成為替代金屬的輕量化新材料選擇之一。
加工關鍵與應用
長玻纖增強材料可用一般的射出成型機進行成型，但須避免使用剪切力高的螺桿和射嘴，以免導致纖維斷裂太多；模具方面則建議採用直接進膠設計，同樣減少纖維斷裂的程度，但最好是前期先藉由 CAE 模流分析軟體如 Moldex3D 系統（如圖 4 所示），找出最適化的流道與機構設計，以及預測纖維的配向型態，來設計出最佳的產品結構，如此才能確保發揮 LFRT 效能，並滿足客戶產品在安全和耐用上的需求。和金屬材料相比，長纖維增強熱塑性複合材料能有效減少製成品的重量、降低加工成本、縮短生產週期，可應用於大型結構部件或模組，如汽車儀表板支架、門板模組、工業扇葉、機電泵體等，在高性價比及輕量化的優勢下，未來的市場應用將愈來愈廣泛。■
