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連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料的制備工藝 復(fù)材云集|復(fù)合材料

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2023-04-06 10:44:19    瀏覽次數(shù):309    評論:0
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連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic composites,簡稱CFRT)是指以熱塑性樹脂為基體,連續(xù)性

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic composites,簡稱CFRT)是指以熱塑性樹脂為基體,連續(xù)性纖維為增強(qiáng)材料,經(jīng)過樹脂熔融浸漬、擠壓等工形成的輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛性、高韌性、可回收的新型熱塑性復(fù)合材料。

由CFRTP制成的薄膜和片材可以以多變的方式組合,從而為設(shè)計師提供了更多設(shè)計自由度  圖片:Covestro AG

 

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料性能優(yōu)異,在交通運(yùn)輸,航空航天和國防,工業(yè)和體育用品方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

CFRT的應(yīng)用領(lǐng)域 圖片來自GPM

 

熱塑性復(fù)合材料制件的生產(chǎn),一般情況下需要經(jīng)過兩個過程:

(1)片材(預(yù)浸漬)的制備;

(2)制件的成型。

 

預(yù)浸料是用樹脂基體在嚴(yán)格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物,制成樹脂基體與增強(qiáng)體的組合物,是制造復(fù)合材料的中間材料。預(yù)浸料的某些性質(zhì)直接帶入復(fù)合材料中,是復(fù)合材料的基礎(chǔ)。復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于預(yù)浸料的性能。

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料單向預(yù)浸帶

 

與熱固性樹脂基復(fù)合材料相比,連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的浸漬更復(fù)雜,由于熱塑性樹脂的熔體黏度大,一般都超過100Pa·s,熔體流動困難,使得增強(qiáng)纖維很難獲得良好浸漬,因此解決熱塑樹脂對連續(xù)增強(qiáng)纖維的浸漬問題成為制備CFRTP片材的關(guān)鍵技術(shù)。

 

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的浸漬方式主要有溶液浸漬法、熔體浸漬法、粉末浸漬法、漿狀樹脂沉積法、混編法、薄膜疊層法及反應(yīng)浸漬等。

 

01 溶液浸漬法


 

溶液浸漬是將樹脂溶于合適的溶劑,使其黏度下降到一定水平,然后采用熱固性樹脂浸漬時所使用的工藝來浸潤纖維,最后通過加熱除去溶劑。

溶液浸漬法的優(yōu)點(diǎn):
  • 克服了熱塑性樹脂溶體粘度高的缺點(diǎn),使纖維得到良好浸漬;
  • 制備工藝簡便,設(shè)備簡單。

溶液浸漬法的不足:
  • 溶劑必須完全去除,不然將會導(dǎo)致制品耐溶劑性下降;
  • 去除溶劑的過程中存在物理分層,沿樹脂纖維界面滲透以及溶劑可能聚集在纖維表面的小孔和空隙內(nèi),造成樹脂與纖維界面不好,耐溶劑性受影響;
  • 溶劑蒸發(fā)和回收費(fèi)用昂貴且污染環(huán)境。

盡管如此,目前一些采用其他制備技術(shù)不易浸漬的高性能樹脂復(fù)合材料的制備大多仍采用溶液浸漬法。


02 熔體浸漬法


 

熔體浸漬是將熱塑性樹脂加熱熔融后來浸漬纖維的一種制備技術(shù)。可以通過兩種方法實現(xiàn):

 

一種是熔體擠出浸漬,即利用擠壓器將熔體喂入到纖維經(jīng)過的模具中。影響熔體擠出浸漬工藝的因素主要是熔體聚合物穿透纖維層的速度,這取決于增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)。

           圖片

另一種是熔體拉擠浸漬,采用一種特殊結(jié)構(gòu)的拉擠模頭,讓均勻分散、預(yù)加張力的連續(xù)纖維束通過一連串輪系間流動著熔融態(tài)的基體樹脂的滾輪系統(tǒng),反復(fù)多次承受交替的變化使纖維和熔體強(qiáng)制性的浸漬,達(dá)到理想的浸漬效果。但是這種方法只能用于生產(chǎn)長纖維增強(qiáng)顆粒(長度一般為6~10mm)而非片材。

以上兩種方法,施加在纖維上的壓力很大,會導(dǎo)致纖維損傷。而熔體浸漬法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要任何溶劑。

03 粉末浸漬法


 

粉末浸漬法是在硫化床中,通過靜電作用將樹脂細(xì)粉吸附在纖維單絲的表面,然后加熱使粉末熔結(jié),最后在成型過程中使纖維得以浸潤。由于在干態(tài)下進(jìn)行浸漬,因此加工過程不受基體黏性的限制,高相對分子質(zhì)量的聚合體可分布到纖維中。
能夠吸附在纖維上的聚合物顆粒直徑在5~25μm范圍內(nèi),樹脂粉末直徑以5~10μm為宜。

粉末浸漬法的優(yōu)點(diǎn):
  • 纖維損傷少,聚合物無降解;
  • 加工速度快,成本低。

粉末浸漬法的不足:
  • 浸潤盡在成型加工過程中才能完成,粉末易散失;
  • 浸潤所需的時間、溫度、壓力依賴于粉末粒徑的大小及分布。

 

04 漿狀樹脂沉積法


 

漿狀樹脂沉積法是法國造紙公司Arjomari和英國Wiggins Teape公司開發(fā)的,其工藝與造紙工藝相似。Arjomari公司將短切長度在6—25mm的玻璃纖維、樹脂粉末和乳化劑一起分散在水中,成為水懸浮液,然后加入絮凝劑,使其凝聚在液壓成型機(jī)的濾網(wǎng)上,使凝聚物與水分離,熱壓成氈狀凝聚物,熔化成片。

漿狀樹脂沉積法的優(yōu)點(diǎn),纖維分散性好、破損小,受熱少,生產(chǎn)效率高;缺點(diǎn)是技術(shù)難度大、設(shè)備成本高。

 

05 混編法


 

混編法是將紡成纖維或薄膜帶的熱塑性樹脂與增強(qiáng)纖維按一定比例緊密地合并制成混合砂,再通過一個高溫密封浸漬區(qū),將樹脂纖維熔成基體。

用一般的織造工藝就可以很容易地將混合纖維制成織物,混合越均勻,固化時所需的壓力越小,混合的理想狀態(tài)是每一根增強(qiáng)纖維都與基體纖維相鄰,但是由于增強(qiáng)纖維與基體纖維的物理性能差異較大,實際上這是很難以實現(xiàn)的。

混編法具有良好的加工性能,樹脂含量易于控制,纖維能得到充分的浸潤,混合紗可以織成各種復(fù)雜形狀,包括三維結(jié)構(gòu),也可以直接纏繞,制得性能優(yōu)良的復(fù)合材料。

但是該技術(shù)不適用于玻纖材料的復(fù)合以及日用品或低溫?zé)崴苄怨こ滩牧系某尚汀?/span>

 

06 薄膜疊層法


 

薄膜層疊法是纖維增強(qiáng)材料層和熱塑性材料片疊加,加熱加壓使聚合物流入增強(qiáng)材料之間,然后固化。

 

薄膜層疊法施加的壓力要足夠大,使熔體既能進(jìn)入纖維層之間,又不至于在增強(qiáng)層之間出現(xiàn)流動,典型壓力值小于2MPa。冷卻之后的復(fù)合物應(yīng)該沒有孔洞,真空輔助施壓可以保證片材無孔。這種方法廣泛應(yīng)用于成型表面形狀復(fù)雜的片材。

 

薄膜層疊法的優(yōu)點(diǎn):
  • 可以制得高質(zhì)量的層壓制品,但由于溶體高粘性,需要較高壓力

薄膜層疊法的不足:
  • 樹脂含量高,成本高;
  • 高粘性基體樹脂很難浸潤到纖維中。

 

07 反應(yīng)浸漬法


 

反應(yīng)浸漬法是利用單體或預(yù)聚體初始分子量小, 熔體黏度低、 流動性好可充分浸潤纖維的特點(diǎn),通過原位聚合制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料。

 

但這種工藝條件比較苛刻、反應(yīng)不易控制,尚未實現(xiàn)工業(yè)化。

 
(文/小編)
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