熱塑性複合材料製備工藝概述

更新時間：2010-01-31 點擊次數：4081

熱塑性複合材料製備工藝概述

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熱塑性樹脂基複合材料（FRTP）具有很多*的優點，如韌性高、耐衝擊性能好、預浸料穩定、無貯存時間限製、製造周期短、耐化學性能好、吸濕率低、可重複加工等。自1951年R．Bradit采用玻璃纖維增強聚苯乙烯製造複合材料以來，熱塑性複合材料的基體樹脂、增強材料及成型方法的研究不斷深入，產量與應用領域不斷擴大，已經在汽車、電子、電器、醫藥、建材等行業得到了廣泛的應用。近幾年來，熱塑性樹脂基複合材料的發展速度已大大超過熱固性樹脂基複合材料。

由於熱塑性樹脂熔融溫度高、化學性質穩定，其複合材料成型加工與熱固性複合材料有很多不同之處。預浸、成型等每一個階段對設備和工藝都有特殊的要求。如製備熱塑性預浸料，采用熱固性預浸料常用的熔融法、溶液法難度較大，因而出現了懸浮法、粉末法等特殊的預混工藝。通常熱塑性複合材料製備過程如圖1所示。

圖1 熱塑性複合材料製備過程

          1 預浸料的製備

         熱塑性樹脂的熔體粘度很高，一般大於100 Pa·s，難以使增強纖維獲得良好浸漬。因此製備FRTP的關鍵技術是解決熱塑性樹脂對增強纖維的浸漬。各國對此進行了大量的研究，主要開發了熔融浸漬、懸浮浸漬、粉末預浸、纖維混雜、原位聚會以及薄膜鑲嵌等多種製備技術。

        （l）熔融預浸法是先將樹脂加熱熔融，纖維通過熔融樹脂得到浸漬。這是一種zui常用的方法，無溶劑汙染，特別適用於結晶性樹脂製備預浸帶。早在1972年，美國PPG公司采用這一技術生產連續玻璃纖維氈增強聚丙烯複合材料。具體是將兩層玻璃纖維原絲針刺氈夾在三層聚丙烯層之間，其中間層是擠出機擠出的熔融樹脂；上下兩層樹脂既可用擠出機擠出，也可直接用樹脂薄膜；將這種夾層結構置於高於樹脂基體熔化溫度下熱壓成型。

        （2）懸浮預浸法是根據樹脂情況選定合適的懸浮劑配成懸浮液，纖維通過懸浮液使樹脂粒子均勻地分布在纖維上，然後加熱烘幹懸浮劑，同時使樹脂熔融浸漬纖維得到預浸帶。懸浮浸漬法生產的片材中玻璃纖維分布均勻，成型加工時預浸料流動性好。它適合製作複雜幾何形狀和薄壁結構製品，但與熔融製備方法一樣，存在技術難度高和設備投資大的缺點。

        （3）粉末預浸法是纖維預先經過擴散器被空氣吹鬆散後進入流化床中，帶靜電的樹脂粉末很快沉積於接地的纖維上，沉積量由流化床電壓和纖維通過的速率控製，再經烘爐加熱熔化。這種工藝能快速連續生產熱塑性浸演帶，纖維損傷少，聚合物無降解，具有成本低的潛在優勢。適合於這種技術的樹脂粉末直徑以5－10μm為宜。此法的不足之處是浸潤僅在成型加工過程中才能完成，且浸潤所需的時間、溫度、壓力均依賴於粉末直徑的大小及其分布狀況。

        （4）纖維混雜法是將熱塑性樹脂紡成纖維或薄膜帶，然後根據含膠量的多少將一定比例的纖維與樹脂纖維束緊密地合並成混合紗，再通過一個高溫密封浸漬區使樹脂和纖維熔成連續的基體。該法的優點是樹脂含量易於控製，纖維能得到充分浸潤，可以直接纏繞成型得到製件。它是一種很有前途的方法。但由於製取直徑極細的熱塑性樹脂纖維（＜10μm）非常困難，同時編織過程中易造成纖維損傷，限製了這一技術的應用。

       （5）原位聚合法是利用單體或預聚體初始分子量小、粘度低及流動性好的特點，纖維與之一邊浸潤、一邊反應，從而達到理想的浸漬效果。采用反應浸漬法要求單體聚合速度快，反應易於控製。存在的主要問題是工藝條件比較苛刻、反應不易控製，尚不具有實用價值。

         （6）薄膜鑲嵌法是先將熱塑性樹脂熱熔製成襯有脫模紙的薄膜。鋪層時，撕去脫模紙與增強纖維之間的間隔薄膜，然後加熱加壓將樹脂壓人纖維區。該法加工比較簡單，但要加工低孔隙率的複合材料很困難，且僅能用於模壓製品的加工。

         2 成型工藝

        采用上述工藝製備的FRTP隻是半成品—預混料，通過進一步成型加工才可製得zui終產品。熱塑性樹脂基複合材料的成型方法主要是從熱固性樹脂基複合材料及金屬成型技術借鑒而來。按照所用的設備可以分為注塑成型（IM）、熱壓成型、真空模壓成型工藝、纖維纏繞成型、輥壓成型噴擠成型及樹脂注射成型等。

        （1）注塑成型是生產短纖維增強塑料的主要方法。短纖維增強塑料至少有50％（質量分數）是通過注塑機成型的。生產工藝包括加料及熔融，並在一定的壓力下將熔體（短玻璃纖維和塑料混合）注入到金屬模腔中；然後，製品固化成所設計的形狀。優點是製品加工成本低，加工數量不受限製，甚至無需後續加工，基本上是一種連續性批量生產方法。

        （2）熱壓成型是一種快速、批量成型熱塑性樹脂基複合材料製品的工藝方法。用熱成型工藝製造複合材料製品與製造純塑料製品不同，預浸料在模具內不能伸長，也不能變薄。模具閉合之前，預浸料要從夾持框架上鬆開，放在下半模具上。閉合模具時，預浸料鋪層邊緣將向模具中滑移，並貼敷到模具型麵上，預浸料層厚保持不變。

       （3）真空模壓成型工藝是近年來以金屬超塑性成型和熱固性複合材料熱壓罐成型為基礎，開發出的一種新型的適合於熱塑性樹脂基複合材料的成型方法。它廣泛應用於航空、航天器件的製造。成型時，將剪裁成要求尺寸的片材預熱後移到金屬模具上，然後密封片材和金屬模具的外周邊；模腔內拍成真空，片材緊貼在模腔壁上，冷卻後脫模即可得到所儒形狀的製品。

        （4）纖維纏繞成型是一種連續化製備複合材料的方法。目前，熱塑性複合材料在纖維纏繞製品中的應用研究工作正在積極進行。一般將纖維與樹脂製成預浸來或預浸帶，然後在纏繞機上成型。成型過程中可采用紅外燈、石英爐或熱空氣對芯模與冷壓輥之間的預浸料局部加熱，製品成型在纏繞中完成。

       （5）輥壓成型主要借鑒於金屬成型方法。設備由一係列（一組或多組）熱壓輥和冷壓輥組成，鋪好的預浸料受熱後首先通過一組熱輥使預混料變形，然後通過一組間距逐漸減小的冷輥成型。

        （6）自從1951年*個關於拉擠工藝的誕生以來，拉擠工藝已經發展成一種廣泛用於製造連續纖維增強塑料型材的成型方法。實現拉擠工藝的設備主要是拉擠機。拉擠成型是將預浸帶或預浸紗在一組拉擠模具中固結，預浸料或是邊拉擠邊預浸，或是另外浸漬。一般的浸漬方法是纖維混紡浸債和粉末流化床浸漬。

       （7）樹脂注射成型也稱為“樹脂傳遞模塑”，它是一種從熱固性樹脂基複合材料成型技術 RTM借鑒過來的成型方法。在成型製品時，首先將環狀齊聚物樹脂粉末在室溫下放入不鏽鋼壓力容器中；絕熱的容器逐漸加熱到注入溫度時，加入引發劑粉末，攪拌均勻；再用氮氣給壓力容器充壓，樹脂通過底部開口和加熱管道注入纖維層狀物或預成型物的模腔中。當樹脂充滿模腔後，將模具溫度提高到聚合溫度，樹脂進一步聚合；聚合完成後，將模具按要求降溫、開模即得到zui終製品。

       （8）真空袋模壓成型是一種成本較低的簡便成型方法。預浸料鋪層放在模具上後，利用真空袋及密封膠密封，然後對預浸料鋪層加熱融真空，預浸料在大氣壓力及溫度作用下成型。在第三十六屆JEC複合材料展覽會上，英國的SP Systems公司展示了這種新工藝，使用真空袋模壓法生產複合材料製件。據稱，它具有空隙含量低，製件性能高，省勞力，降成本等特點，可用於汽車部件的生產。

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