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连续纤维增强热塑性预浸料 — 工艺篇

2021-02-23 管理员 阅读 84
连续纤维增强热塑性复合材料(ContinuousFiber Reinforced Thermoplastic Composites,以下简称CFRTP)是区分于短纤维增强和长纤维增强复合材料。通常复合材料中纤维长度在0.5-1mm之间称之为短纤维增强(SFT),纤维长度在1-10mm之间称为长纤维增强(LFT),但这个只是通俗的讲法,并没有具体的规定。连续纤维增强复合材料是指复合材料中增强纤维是连续性的。

图1热塑复合材料种类

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连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)是指复合材料中的增强纤维是连续性的,树脂基体是热塑性的。常见增强材料和树脂基体如下图所示:

图2热塑复合材料组成部分

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CFRTP相比SFT、LFT而言,纤维是连续的,纤维含量较高,材料的力学性能更高。可用在机械强度要求更高的航空航天、远洋航海、高压管道等领域。热塑性树脂在常温下通常为固体颗粒,在CFRTP制备过程中需要将热塑树脂从颗粒状转化为熔融状态(粘流态),主要方式是升温至树脂的熔点以上。因为CFRTP的制备需要将树脂完全浸渍到纤维束内部,对树脂粘度要求较高,所以该产品的生产温度比其他加工工艺的温度稍高。对于切敏性树脂,对挤出机的螺杆要求也会较高。CFRTP目前主要的制备工艺有以下几种:

1.熔融浸渍法:将纤维穿过熔融状态的树脂区,在浸渍模具中被树脂充分浸渍进过冷却定型后,制得预浸料。优点:成型速度快、材可完全回收缺点:设备复杂、对树脂熔指要求高等。该方法普遍使用,占据主要市场。主要分为:张力控制系统、展丝分散系统、纤维浸渍系统、冷却定型系统、牵引收卷系统。

图3熔融法制备连续纤维增强热塑性预浸料

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2.溶液法:将纤维丝束穿过溶有树脂的溶液槽,待纤维与树脂充分浸渍后将溶剂挥发掉,之后烘干即可制得预浸料。该制备方法的优点:设备简单、纤维与树脂浸渍充分等;缺点:热塑性溶剂难找、溶剂会残留在预浸料中,影响性能、溶剂污染环境等。目前市场尚未见到成熟产品。

图4溶液法制备连续纤维增强热塑性预浸料

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3.混编纤维法:将热塑性树脂加工成细纤维,之后将树脂纤维与增强纤维混合编织成织物,因该织物可直接用于复合材料制品制备。该工艺优点:纤维体积含量可控,可编制成各种形状织物;缺点:热塑树脂纤维的直径不易控制,对树脂拉丝性要求高等。目前市场应用状况:特定树脂的小规模生产。

图5混编纤维法制备连续纤维增强热塑性预浸料

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4.粉末浸渍:将纤维束通过充满了树脂粉末的流化床中,树脂粉末在气流和静电的作用下附着在纤维表面,之后加热浸渍制得预浸料。该工艺优点:无溶剂、可用于高熔指树脂,操作方便;缺点:设备复杂、粉末树脂原料成本高等。目前市场应用状况:国外技术较成熟,国内应用刚起步。

图6粉末法制备连续纤维增强热塑性预浸料

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撰文:联洋新材 陶守亮


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