13树脂基复合材料

热塑性树脂--Thermoplasticresins在常温下是固体。加热到一定温度时，可软化，甚至流动（特别是在加压时易流动），它们可以塑制加工成一定的形状。冷却后变硬。再加热可软化。即它的变化（相变）是双向的。这类树脂中所包含的高分子聚合物属于线型或支链型分子结构。常用的有：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、氯化聚醚、聚砜、聚酚醚、有机氟树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚丁烯、聚醋酸乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、丙烯腈-丁烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺等、聚醚醚酮（PEEK）。Thermoplasticresins主要种类的基本性能主要种类强度（MPa）模量（GPa）弯曲强度（MPa）延伸率（%）聚乙烯PE230.825-2960聚丙烯PP35-401.442-56200聚苯乙烯PS592.3772聚碳酸酯PC632.310060-100ThermoplasticResincompositesmolding热塑性复合材料和热固性复合材料相比，具有不同的特点项目热塑性复合材料热固性复合材料成型加工性成型时间短、温度高，成型较困难成型时间长、温度低，成型较容易力学性能耐冲击和疲劳性能优良高强度、高刚度、静态性能好再生性次品可再生利用再生利用困难（一）短纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺1、挤拉成型2、注塑成型（二）连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺1、预浸料加工方法2、成型工艺：辊轧成型、纤维缠绕、挤拉和热成型。ThermoplasticResincompositesmolding挤出成型挤出成型工艺是生产热塑性复合材料制品的主要方法之一。各种增强塑料管、棒材、异形断面型材等。其工艺过程是先将树脂和增强纤维制成粒料，然后再将粒料加入挤出机内，经塑化、挤出、冷却、定型成制品。纤维和树脂无规混合。长纤维粒料生产的制品力学性能较高，短纤维粒料则用于生产形状复杂的薄壁制品。（一）短纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺ThermoplasticResincompositesmolding优点：能加工绝大多数热塑性复合材料及部分热固性复合材料时，生产过程连续，自动化程度高，工艺易掌握及产品质量稳定等。缺点：只能生产线型制品。ThermoplasticResincompositesmolding注塑成型注塑成型是树脂基复合材料生产中的——种重要成型方法材料，它适用于热塑性和热固性树脂基复合材料，但以热塑性树脂基复合材料应用为广。注射成型是将粒状或粉状的纤维-树脂混合料从注射机的料斗送入机筒内，加热熔化后由柱塞或螺杆加压，通过喷嘴注入温度较低的闭合模内，经过冷却定型后，脱模得制品。特点：成型周期短，热耗量少，闭模成型，可使形状复杂的产品一次成型，生产效率高、成本低。但是它不适于长纤维增强的产品，模具质量要求高。注射成型工艺在复合材料制品生产中，主要是代替模压成型工艺，生产各种电器材料、绝缘开关、汽车零部件、纺织零部件、家电壳体、安全帽、食品周转箱、空调机叶片等。ThermoplasticResincompositesmolding（二）连续纤维增强热塑性树脂基复合材料成型工艺长期以来，连续纤维增强热固性复合材料的研究与应用占主导地位。进入80年代，连续纤维增强热塑性复合材料的研究成为国际上关注的热点。研究表明：加工费用本身占先进热塑性复合材料部件总成本的72％。提高连续纤维增强热塑性复合材料的应用的关键是要开发最合适的成型技术。1、预浸料加工方法（1）溶液浸渍法。（2）熔融浸渍法。（3）薄膜叠合。（4）纤维混合：（A）共混纤维（B）共织织物（5）粉末浸渍。ThermoplasticResincompositesmolding（1）溶液浸渍法。热塑性聚合物被溶解在溶剂中，然后用低粘度溶液浸渍增强纤维集合体(纤维束或织物)。为了避免预浸料在复合材料固化中产生空隙，必须完全去除溶剂。亚基氯化物和N—甲基吡咯烷广泛用作溶剂。但是去除预浸料中的溶剂常常是一个困难工序，在最后成型时，遗留的溶剂能引起气泡、表面缺陷及内部空隙，并且排出的溶剂会带来环境污染。除此之外，许多重要的热塑性聚合物在室温下不能溶解于普通溶剂中，在使用高相对分子质量聚合物时，聚合物在溶液中的质量分数应该不大于15％，因为较高质量分数将产生高的溶液粘度，达不到使用溶剂的目的。经过浸渍的纤维集合体的柔软性、悬垂性差，不利于一些部件的成型加工。ThermoplasticResincompositesmolding（2）熔融浸渍法。在这种方法中，熔融聚合物浸渍纤维粗纱已有两种方法用于生产中：(A)十字头挤拉机把熔融聚合物喂入纤维粗纱通过的模具中；(B)纤维粗纱通过一个配有浸渍杆的熔融基体槽以增加纤维束的渗透性。在每一种方法中，作用于纤维束上的力是非常高的并可能引起纤维损伤。并由于热塑性基体的高粘性，导致纤维粗纱不能充分预浸。同时，在基体熔融过程中，通常需要高的温度和压力来提供足够低的融化粘性，致使消耗大量能量，浸渍过的粗纱常常缺乏柔软性和悬垂性。ThermoplasticResincompositesmolding（3）薄膜叠合。热塑性树脂的内在特性允许其以—种形式成型，然后通过加热和模压而成为另一种型式。因此，假如热塑性树脂成型为薄膜，就可用两层或更多层薄膜与纤维单向带或机织物相互交叉叠合，然后加热、加压，形成制品。双带机是该方法的一种成型设备。在这个加工中，增强材料夹在两个聚合物膜之间，由脱膜薄膜夹带通过加热区，施加热和压力使熔融的聚合物浸渍增强材料，然后在冷却区中进行硬化成型。由于熔融热塑性树脂相对高的粘性，该方法要求高压力。就板材尺寸而言，该加工也受到限制。（4）纤维混合。热塑性聚合物纺成多根长丝纤维，使得开发增强纤维和热塑性聚合物长丝混合形成特有预浸料成为可能。根据纤维混合方式的不同，该种方法又可分为共混纤维和共织织物。ThermoplasticResincompositesmolding（A）共混纤维：连续增强纤维和热塑性聚合物纤维(长丝或短纤维)通过特有的纺纱技术形成连续增强纤维／热塑性聚合物纤维混合纱。混合纱可以机织、针织、编织加工，形成机织物、针织物和编织物预浸料。也可进行单向缠绕加工单向复合材料板。混合纱的混合程度越好，在成型加工中熔融基体的浸渍性越好。理想的混合纱是每根增强纤维与热塑性聚合物纤维相邻，但由于两种纤维直径、刚度等方面存在着差异，在实际中不可能达到这种理想纱线结构。该方法的优点是：解决了高相对分子质量聚合物浸渍的困难，两种纤维的含量比率能够精确地控制，容易调节增强纤维和基体的比例；有良好的柔顺性，容易适应复杂形状；混合纱能织成夏杂的形状。包覆法：通过特定纺纱技术将热塑性基体长丝均匀地、呈螺旋形地缠绕在增强纤维上。包缠法是利用摩擦纺纱技术将热塑性短纤维包缠在增强纤维外层。喷气法是利用气流来实现连续增强纤维与热塑性基体纤维长丝束的混合。前两种方法所形成纱线是增强纤维在内层的皮芯结构，增强纤维笔直平行，两相纤维的混合程度差。ThermoplasticResincompositesmolding（B）共织织物由增强纤维与热塑性基体纤维交替作经纱、纬纱进行织造。共织加工预浸料比混合纱加工织物预浸料的加工成本低。然而，混合纱织物悬垂性比共织织物好，并由于混合纱改善了聚合物和纤维的浸润，产生较好的材料性能。通常，共织加工对低相对分子质量聚合物是较合适的，而高相对分子质量聚合物应进行混合纱加工。ThermoplasticResincompositesmolding（5）粉末浸渍。即用聚合物粉末预浸纤维束。用聚合物粉末预浸纤维束时要求：a.纤维束蓬松，以便粉末均匀渗透纤维。b.粉末颗粒必须牢固粘附到纤维上，防止在下道处理过程中粉末从纤维束上掉下来。目前已经研究和开发了湿加工和干粉加工两种浸渍方法。湿加工要求：蓬松的纤维束在悬浮液中浸渍。悬浮液是含有少量浸润剂和乳化剂的树脂粉末水悬浮液。纤维束离开悬浮液槽后通过一个密封的量孔来控制树脂和水的含量。含有湿粉末的纤维柬通过烘室以去除水分并把粉末融合在纤维上。早期的加工是纤维束通过甲醇与润湿剂的水溶液，然后湿的纤维束经过粉末氮气硫化床，接着进入烘室以去除挥发物并把粉末融合在纤维上。干粉加工（浸渍）：是将靠压缩空气扩散展开的纤维束通过树脂粉末硫化床，然后经过烘室把树脂粉末融合在纤维上。由于范德华力和静电引力作用，使得树脂小的颗粒粘附到纤维上，大的颗粒沉落在纤维之间。可采用不同的加工方式，使树脂粉末沉积并被纤维束握持。ThermoplasticResincompositesmolding干粉加工的方式1是：利用喷气冲击树脂粉末到纤维网，同时静电加工使硫化气体带电，依次使树脂颗粒带电，以增加粉末颗粒落在纤维上的运动速率。干粉加工的方式2是：不利用烘室来融合粉末，而是将含有粉末的纤维束用相同聚合物薄膜覆盖，把纤维束包裹在聚合物皮层中。与湿法加工相比，干粉加工的优点是：不需要干燥，不需要利用润湿剂和乳化剂。粉末浸渍技术的一个不足之处是：在加工阶段必须完成浸渍，同时对粉末的尺寸也有严格要求。ThermoplasticResincompositesmolding2、成型工艺目前，有关连续纤维增强热塑性树脂复合材料部件的成型方法有辊轧成型、纤维缠绕、挤拉和热成型。（1）辊轧成型。辊轧成型工艺如简图所示。该工艺由把预成型板升温至模压温度的红外预加热室和成型、固化部件的一系列轧辊组成。第一轧辊必须加热，至少最后一个轧辊必须足够冷以硬化复合材料部件。轧辊传动机构、排列和支撑装置以及适于层合板厚度的轧辊间容许间隙是辊轧成型中必须控制的关键参数。ThermoplasticResincompositesmolding（2）纤维缠绕。热塑性复合材料纤维缠绕的一个主要目的是减少热固性复合材料成型需要的长的缠绕固化周期。在缠绕过程中，对缠绕结构进行原位（in-situ）固化。图表示了热塑性复合材料纤维缠绕的工作原理。关键工序为纤维束预热、纤维束导向、接触点加热、芯模加热和后固化。理想情况下不利用后固化，但在一些情况下，为了获得要求的部件质量，进行后固化是必要的。原位(in-situ)固化所得部件空隙率为2.5%，如果利用后固化工序，空隙率能降到1%。用于热固性复合材料系统的相同基本缠绕设备也能用于热塑性复合材料系统，但改装要求增加热源以加热预浸纤维束达到树脂的熔点／软化点，加热技术如超声波、激光、聚焦红外、传导和对流加热。ThermoplasticResincompositesmolding（3）拉挤加工。尽管拉挤加工主要用于热固性树脂聚合物复合材料，但是该方法正在研究和改进以适应于连续纤维增强热塑性树脂复合材料成型。两者的主要不同有：（A）热塑性树脂拉挤要求模具温度远高于热固性树脂拉挤所要求的模具温度。（B）为了防止产品变形，热塑性树脂拉挤构件必须经过冷却模具。为了便于固化，热塑性树脂拉挤从模具入口到出口有变化的横截面，而热固性所用模具为恒定横截面。热固性拉挤时用过多的树脂进入模具，由于树脂粘度低，在模具入口过多的树脂被挤出；但由于热塑性树脂粘度大，进入模具时材料中树脂含量必须进行控制。热塑性树脂拉挤不依靠模具中的化学反应，热塑性树脂拉挤速度快于热固性拉挤速度。ThermoplasticResincompositesmolding（4）热成型工艺。（A）铺层成型。在这个工艺中，将预浸料层放入热模具或放在已处于热模具中的另一预浸料层上，加压轧辊使预浸料层粘合在一起。由于热塑性材料导热性差，预浸料上表面不会发粘，如果采用冷却轧辊，则不必要使用脱模剂，因为脱模剂影响预浸料层的粘合。使用的热源包括激光、红外和热气体。此加工也能自动化操作。为了全面提高材料质量，可通过真空或高压釜对部件进行后固化处理。ThermoplasticResincompositesmolding（B）模压成型。通过热合压力的使用，所有预浸料都能通过压缩模压转化为平面层合板。也能加工特定构形的材料。工艺步骤为：把预浸料