热塑复合材料的特点..doc

纤维增强热塑性材料FRTP简述张 月 20090546材料科学与工程学院090201摘要：热塑性复合材料是以玻璃纤维，碳纤维，芳烃纤维及其他材料增强各种热塑性树脂的总称，国外称其为FRTP。先进的纤维增强热塑性复合材料纤维增强热塑性树脂复合材料，具韧性耐蚀性和抗疲劳性高，成型工艺简单周期短，材料利用率高（无废料），预浸料存放环境与时间无限制等优异性能而得到快速发展。近20年来，随着刚性、耐热性及耐介质性能好的芳香族热塑性树脂基体的出现，以及具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀等优异性能碳纤维、芳伦纤维、碳氟纤维（PTFE）等高性能纤维的发展，使先进热塑性复合材料克服了一般FRTP使用温度低，模量小，强度差等缺点，使其在航空航天等高科技领域获得越来越多的应用。关键字：浸渍、成型工艺Fiber Reinforced Thermoplastic Material FRTP BrieflyZhangYue 20090546Material science and engineering college 090201Abstract: Thermoplastic composite material is glass fiber, carbon fiber, aromatic fiber and other materials increase the floorboard of all sorts of thermoplastic resin, foreign called the FRTP. Advanced fiber reinforced thermoplastic composite fiber reinforced thermoplastic resin composites, with toughness corrosion resistance and fatigue resistance is high, the molding process simple cycle short, material utilization high (no waste), prepreg deposit environment and time unlimited superior performance and got rapid development. Over the past 20 years, with rigidity, heat resistance and resistance to medium performance good aromatic thermoplastic resin matrix appearance, and has high strength, high modulus, high temperature resistance, corrosion resistance, and other excellent performance carbon fiber, and aromatic Aaron fiber, fluorocarbon fiber (PTFE), and other high performance fiber development, so as to make advanced thermoplastic composite materials to overcome the general FRTP use low temperature, modulus is small, the strength of the shortcomings of, make its in aerospace and other high-tech areas get more and more applications. Key word: dip, molding technology 一、FRTP的种类及其成形方法FRTP按其纤维增强形态如下所示。具有代表性的增强纤维有玻纤、碳纤及芳烃纤维等。材料形态增强纤维形态成型方法预浸渍物单项连续纤维、织物、线束高压机、压缩、推压及带绕卷紧片毡连续纤维毡、短纤维毡冲压成型、传递成型粒料短纤维、单项长纤维注射树脂单体织物、连续长纤毡、纤维片RTM二、预浸渍工艺FRTP与热固性纤维复合材料一样,可以首先制成预浸料。FRTP预浸料按其形态可分为纤维束、纤维细带、片材、粒料、树脂单体几种。1.溶剂浸渍法这种方法是把热塑性树脂溶解在某合适的溶剂,使其粘度下降到一定的水平,随后用传统的热固哇树脂的浸渍方法浸渍纤维或纤维细带。这种方法有下列几个缺点：浸渍多余溶剂的贮存问题；不能制造高性能热塑性复合材料（抗溶剂性）；环境污染；溶剂的再利用需要投资。但是它可以采用用的加工设备,提供一个低成本的浸渍各种编织材料的工艺,与其他工艺形成互补。因此,目前溶剂浸渍工艺仍然是制造热塑性复合材料预浸料的一种重要方法。2.熔融浸渍法 这种方法是采用加热使热塑性树脂熔融来浸渍纤维或织物。有三种基本方法：2.1薄膜层合法。这是至今应用最为广泛,使用最久的一种浸渍法。这种方法是把热塑性树脂通过吹塑而制成薄膜,然后把纤维或织物（包括毡）与薄膜隔层交替堆积铺放,通过加热加压使纤维或织物得到浸渍。2.2粉末包覆法。这是一种解决高粘度熔体难流动的有效方法,把热塑性树脂加工成5um左右粉末,使用某种形式的硫化床方法使粉末吸附在纤维或织物表面上,然后加热烧结,使粉末粘附在纤维表面上。对于碳纤维可以采用静电喷涂硫化技术,也可以用树脂粉末直接铺放在织物上,按设计的层数铺叠,经加热加压复合、冷却后定型。2.3熔融包覆法,这是一种传统的浸渍方法,类似于生产电缆护套线的相似工艺,熔融体从挤压机挤出进入十字型的模头中,使纤维包覆一层熔体3.纤维合并工艺法这是一种把热塑性树脂纤维与增强纤维混杂一起,在纺织过程中,共同编织成一束丝或布,然后在成型加热加压过程中使增强纤维得到比较好的浸渍。这种方法的浸渍效果较好,但要避免采用使脆性纤维损伤的织造工艺。目前又发展一种用热塑性树脂纤维包缠增强纤维的纺织工艺。利用包缠手段,将连续增强纤维作为芯纱,外层包覆纤维状的热塑性树脂。4.湿法造纸工艺法这种方法是仿湿法造纸技术的工艺法,称为Radtite法,也称Siurry法,是在造纸机上开发的。把长度625mm的玻璃纤维,也可使用其他纤维或填料,和粉末树脂一起放人混合机或分散槽内加水混合均匀；用泵将其打到多孔的传动带上扩散,在多孔带上减压脱水（真空脱水）,待发泡体破碎后即形成湿毡,通过干燥后变成干毡,可以把干毡卷于卷筒上,直接送到成型工厂,或把干毡在连续层压机上连续加压,制成热塑性SMC,这种SMC厚度为0.54mm。5.RTM与热固性树脂一样,目前利用热塑性单体的RTM技术发展甚速,利用单体或预聚体所具有的初始分子量小,熔体粘度低及流动性好的特点,使纤维与之一边浸渍,一边发生化学反应从而得到了理想的浸渍效果。6.熔体拉挤法这种方法是英国ICI公司于1984年开发成功的,不同于熔融包覆法。主要采用特殊结构的拉挤模头,使纤维束通过这一充满高熔体的模头时,反复多次承受交替的变化,促使纤维与熔体强制性的浸渍,达到相当理想的浸渍效果,是目前公认的最有效的浸渍法。当前市场上供应的Verton的长纤维增强粒料就是用这方法生产的。缺点是产量低、成本高。7.浆态浸渍工艺浆态浸渍工艺是近几年研究较多的一种工艺,将热塑性树脂和合适的悬浮剂配成悬浮液,让纤维通过悬浮液使树脂粉末均匀地分布在纤维束或带内,然后加热烘去悬浮剂,同时使树脂熔融,冷却凝固后即得到预浸料。往往在悬浮液中加适量的表面活性剂。三、成型工艺生产出质量良好的预浸料,仅仅完成了热塑性复合材料的第一步。要完成最终复合材料制品,还必须采用合适的成型工艺。目前已有20多种成型热塑性复合材料的方法。热塑性复合材料的成型工艺机理与热固性复合材料是不同的,前者是靠冷却降温后达到定型产品,而后者是固化剂固化成型。主要成型方法有下列5大类。1.热压成型把各色各样的预浸料按不同方式加热加压制成复合材料制品。这种成型法生产费用低,成型周期短,方法简单。按模具材料及加压形式又可分五种1.1对合模压法这是一种常用的热压成型法,通常采用金属对模。把预浸料加热熔融后,两个匹配的对模之间加压成型,冷却一定程度取出即为制品。模具必须仔细设计，模具料腔设计裕度要准确,要计及材料的收缩率,否则会造成制品受力不均,纤维分布不均,不密实等。1.2隔膜法这种方法是用超塑性铝薄膜或聚酞亚胺薄膜包在工件两面,然后放在模具上,在另一面上加压,将工件压在模具上成型制品。1.3液压法与隔膜法相似,不同的是在工件上是橡胶薄膜,橡胶薄膜固定在液压机的一个压头上,在橡胶薄膜上是液压油一类的液体介质。有时要在片材上铺放一层耐热橡胶,防止液压薄膜在高温时破裂。液压成型压力可达70Mpa,所用橡胶片厚度接近13mm。液压成型的特点是模具高低部位压力均匀,缺点是成型温度不够高。1.4橡胶模具模压法。与1.1法相似,仅用柔性橡胶阳模代替金属阳模,这种方法的优点是能使模具上的压力较均匀，模具压力大。缺点是使用温度受到一定的限制,不适合做形状复杂的制品。1.5高压釜法在高压釜内成型使片材和模具间的料腔处于真空或常压状态,由料腔内外的压力差把片材压靠模具上,使成型制品。如果高压釜是常压,内腔是真空,即为真空成型法。 按压制的材料又可分： a.预浸料压制法,把各种预浸料按设计要求叠层并加温加压制成制品。 b.薄膜叠合压制法,将纤维织物（如毡等）与热塑性树脂薄膜交替铺设在模 具内按设计要求设层数然后加温加压直接制成制品。树脂薄膜可以挤出吹塑薄膜,也可用溶剂在专门设备上干燥制成薄膜。2.纤维缠绕成型热塑性纤维复合材料的纤维缠绕成型与热固性复合材料不同,缠绕时要把预浸纱 （带）加热到软化点,并在与芯模的接触点上加一只加热压辊。近年来国外许多公司致力于新型缠绕成型工艺的研究,开发出了几种很有特色的成型方法。其中有一步成型法,即纤维通过热塑性树脂粉末沸腾硫化床制成预浸料（纱或带）,然后直接缠绕在芯模上。还有通电加热成型法,即对碳纤维预浸纱（带）直接通电,预浸纱一端接正极,芯模接地,靠通电发热使热塑性树脂熔化,使纤维纱（带）缠绕成制品。第三种是用机器人进行缠绕,提高缠绕自动化程度和制品的精度,因而受到了极大的重视。3.拉挤成型类似热固性复合材料,拉挤成型可以生产出截面形状多变的复合材料制品。在拉挤成型中,材料被预加热,然后牵引通过一个模具或多个模具,经冷却后成型最终形状的制品。这种成型技术既适合于预浸料,更适合于边牵引纤维边通过各种设备加入热塑性树脂,再通过一个或多个模具制成复合材料制品,加热塑性树脂的备,可以采用树脂挤出机加熔融的树脂,也可采用树脂粉末沸腾硫化床把树脂粉末在纤维上。类似拉挤成型的还有一种老式的注射成型法,先把热塑性树脂包覆纤维制成粒料,然后用粒料通过注射机注射成型复合材料制品。结语： FRTP现已成为广泛替代传统橡胶和部分塑料的极具发展前景的新型材料。FRTP由于成形周期短所以降低了生产成本。目前大部分热塑性复合材料是用长纤维增强的,纤维含量约为50%75%。热塑性注射模塑工艺通常用短纤维做增强材料,纤维含量约为25%。就纤维长度来说,一般认为纤维较长,复合材料的力学性能较好,但加工性能较差。热塑性复合材料的最大特点是加工性能好,树脂贮存期不限,生产周期短,废料可回收及热成型性能好等。不足之处是纤维浸渍较差和模塑温度及压力高。后两者可使生产成本上升。假如纤维工业能跟上复合材料工业的发展,热塑性复合材料的性能就能得到充分发掘,大规模的工业生产为期不远。总而言之,日前热塑性复合材料种类层出不穷,用途日益广泛,这是复合材料今后发展的一种趋势。参考文献：1 唐伟家.2003年全球热塑性弹性体需求旺盛.弹性体,2003,13(2):342 李明.世界热塑性弹性体发展方向.橡塑技术及装备2003,29(8):83 顾朝霞，王惠民.世界TPE市场动向及国内EPDM/PP TPE市场前景.石油化工技术经济,2000,16(3):50554 文兴 译.21世纪技术热塑性弹性体.现代橡胶技术,2003,30（6）: