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熱塑性復(fù)合材料制備工藝概述

時間:2005-07-05

關(guān)鍵詞:塑性復(fù)合材料制備工藝概述來源：www.newmaker.com

熱塑性樹脂基復(fù)合材料（FRTP）具有很多獨特的優(yōu)點，如韌性高、耐沖擊性能好、預(yù)浸料穩(wěn)定、無貯存時間限制、制造周期短、耐化學(xué)性能好、吸濕率低、可重復(fù)加工等。自1951年R．Bradit首次采用玻璃纖維增強(qiáng)聚苯乙烯制造復(fù)合材料以來，熱塑性復(fù)合材料的基體樹脂、增強(qiáng)材料及成型方法的研究不斷深入，產(chǎn) 量與應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已經(jīng)在汽車、電子、電器、醫(yī)藥、建材等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來，熱塑性樹脂基復(fù)合材料的發(fā)展速度已大大超過熱固性樹脂基復(fù)合材料。

由于熱塑性樹脂熔融溫度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其復(fù)合材料成型加工與熱固性復(fù)合材料有很多不同之處。預(yù)浸、成型等每一個階段對設(shè)備和工藝都有特殊的要求。如制備熱塑性預(yù)浸料，采用熱固性預(yù)浸料常用的熔融法、溶液法難度較大，因而出現(xiàn)了懸浮法、粉末法等特殊的預(yù)混工藝。通常熱塑性復(fù)合材料制備過程如圖1所示。

圖1 熱塑性復(fù)合材料制備過程

          1 預(yù)浸料的制備

         熱塑性樹脂的熔體粘度很高，一般大于100 Pa·s，難以使增強(qiáng)纖維獲得良好浸漬。因此制備FRTP的關(guān)鍵技術(shù)是解決熱塑性樹脂對增強(qiáng)纖維的浸漬。各國對此進(jìn)行了大量的研究，主要開發(fā)了熔融浸漬、懸浮浸漬、粉末預(yù)浸、纖維混雜、原位聚會以及薄膜鑲嵌等多種制備技術(shù)。

        (l)熔融預(yù)浸法是先將樹脂加熱熔融，纖維通過熔融樹脂得到浸漬。這是一種最常用的方法，無溶劑污染，特別適用于結(jié)晶性樹脂制備預(yù)浸帶。早在1972年，美國PPG公司采用這一技術(shù)生產(chǎn)連續(xù)玻璃纖維氈增強(qiáng)聚丙烯復(fù)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(jī)擠出的熔融樹脂；上下兩層樹脂既可用擠出機(jī)擠出，也可直接用樹脂薄膜；將這種夾層結(jié)構(gòu)置于高于樹脂基體熔化溫度下熱壓成型。

        (2)懸浮預(yù)浸法是根據(jù)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，然后加熱烘干懸浮劑，同時使樹脂熔融浸漬纖維得到預(yù)浸帶。懸浮浸漬法生產(chǎn)的片材中玻璃纖維分布均勻，成型加工時預(yù)浸料流動性好。它適合制作復(fù)雜幾何形狀和薄壁結(jié)構(gòu)制品，但與熔融制備方法一樣，存在技術(shù)難度高和設(shè)備投資大的缺點。

        (3)粉末預(yù)浸法是纖維預(yù)先經(jīng)過擴(kuò)散器被空氣吹松散后進(jìn)入流化床中，帶靜電的樹脂粉末很快沉積于接地的纖維上，沉積量由流化床電壓和纖維通過的速率控制，再經(jīng)烘爐加熱熔化。這種工藝能快速連續(xù)生產(chǎn)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(yōu)勢。適合于這種技術(shù)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、壓力均依賴于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，然后根據(jù)含膠量的多少將一定比例的纖維與樹脂纖維束緊密地合并成混合紗，再通過一個高溫密封浸漬區(qū)使樹脂和纖維熔成連續(xù)的基體。該法的優(yōu)點是樹脂含量易于控制，纖維能得到充分浸潤，可以直接纏繞成型得到制件。它是一種很有前途的方法。但由于制取直徑極細(xì)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，限制了這一技術(shù)的應(yīng)用。

       (5)原位聚合法是利用單體或預(yù)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(yīng)，從而達(dá)到理想的浸漬效果。采用反應(yīng)浸漬法要求單體聚合速度快，反應(yīng)易于控制。存在的主要問題是工藝條件比較苛刻、反應(yīng)不易控制，尚不具有實用價值。

         (6)薄膜鑲嵌法是先將熱塑性樹脂熱熔制成襯有脫模紙的薄膜。鋪層時，撕去脫模紙與增強(qiáng)纖維之間的間隔薄膜，然后加熱加壓將樹脂壓人纖維區(qū)。該法加工比較簡單，但要加工低孔隙率的復(fù)合材料很困難，且僅能用于模壓制品的加工。

         2 成型工藝

        采用上述工藝制備的FRTP只是半成品—預(yù)混料，通過進(jìn)一步成型加工才可制得最終產(chǎn)品。熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型方法主要是從熱固性樹脂基復(fù)合材料及金屬成型技術(shù)借鑒而來。按照所用的設(shè)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(chǎn)短纖維增強(qiáng)塑料的主要方法。短纖維增強(qiáng)塑料至少有50％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是通過注塑機(jī)成型的。生產(chǎn)工藝包括加料及熔融，并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；然后，制品固化成所設(shè)計的形狀。優(yōu)點是制品加工成本低，加工數(shù)量不受限制，甚至無需后續(xù)加工，基本上是一種連續(xù)性批量生產(chǎn)方法。

        (2)熱壓成型是一種快速、批量成型熱塑性樹脂基復(fù)合材料制品的工藝方法。用熱成型工藝制造復(fù)合材料制品與制造純塑料制品不同，預(yù)浸料在模具內(nèi)不能伸長，也不能變薄。模具閉合之前，預(yù)浸料要從夾持框架上松開，放在下半模具上。閉合模具時，預(yù)浸料鋪層邊緣將向模具中滑移，并貼敷到模具型面上，預(yù)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復(fù)合材料熱壓罐成型為基礎(chǔ)，開發(fā)出的一種新型的適合于熱塑性樹脂基復(fù)合材料的成型方法。它廣泛應(yīng)用于航空、航天器件的制造。成型時，將剪裁成要求尺寸的片材預(yù)熱后移到金屬模具上，然后密封片材和金屬模具的外周邊；模腔內(nèi)拍成真空，片材緊貼在模腔壁上，冷卻后脫模即可得到所儒形狀的制品。

        (4)纖維纏繞成型是一種連續(xù)化制備復(fù)合材料的方法。目前，熱塑性復(fù)合材料在纖維纏繞制品中的應(yīng)用研究工作正在積極進(jìn)行。一般將纖維與樹脂制成預(yù)浸來或預(yù)浸帶，然后在纏繞機(jī)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(yù)浸料局部加熱，制品成型在纏繞中完成。

       (5)輥壓成型主要借鑒于金屬成型方法。設(shè)備由一系列(一組或多組)熱壓輥和冷壓輥組成，鋪好的預(yù)浸料受熱后首先通過一組熱輥使預(yù)混料變形，然后通過一組間距逐漸減小的冷輥成型。

        (6)自從1951年第一個關(guān)于拉擠工藝的專利誕生以來，拉擠工藝已經(jīng)發(fā)展成一種廣泛用于制造連續(xù)纖維增強(qiáng)塑料型材的成型方法。實現(xiàn)拉擠工藝的設(shè)備主要是拉擠機(jī)。拉擠成型是將預(yù)浸帶或預(yù)浸紗在一組拉擠模具中固結(jié)，預(yù)浸料或是邊拉擠邊預(yù)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復(fù)合材料成型技術(shù) RTM借鑒過來的成型方法。在成型制品時，首先將環(huán)狀齊聚物樹脂粉末在室溫下放入不銹鋼壓力容器中；絕熱的容器逐漸加熱到注入溫度時，加入引發(fā)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(yù)成型物的模腔中。當(dāng)樹脂充滿模腔后，將模具溫度提高到聚合溫度，樹脂進(jìn)一步聚合；聚合完成后，將模具按要求降溫、開模即得到最終制品。

       (8)真空袋模壓成型是一種成本較低的簡便成型方法。預(yù)浸料鋪層放在模具上后，利用真空袋及密封膠密封，然后對預(yù)浸料鋪層加熱融真空，預(yù)浸料在大氣壓力及溫度作用下成型。在第三十六屆JEC復(fù)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(chǎn)復(fù)合材料制件。據(jù)稱，它具有空隙含量低，制件性能高，省勞力，降成本等特點，可用于汽車部件的生產(chǎn)。

        3 FRTP應(yīng)用前景

       由于與許多材料相比具有的獨特性能，熱塑性復(fù)合材料在航天航空、汽車、電子、電器、醫(yī)藥、建材等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。美國洛克希德·馬丁公司在一份報告中指出，用碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制造發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道，可使成本降低30％。而玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性片材(GMT)是目前國際上極為活躍的復(fù)合材料開發(fā)品種，被視為對世紀(jì)新材料之一。目前歐美各國熱塑性樹脂基復(fù)合材料占到了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料總量的30％以上，估計全世界GFRTP年產(chǎn)量已達(dá)200萬t，而我國GFRTP年產(chǎn)量不足5000t ,所以我國要加快FRTP，特別是GFRTP的研究與發(fā)展。

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