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工程塑料

长玻纤增强复合材料的浸渍技术

February.5
英蓝电子期刊
  长玻纤增强热塑性复合材料LFRTR(long-fiber reinforced thermoplastic composition)与传统的短切纤维增强粒料相比,长纤维增强热塑性复合材料中,纤维平行于粒料的轴向,纤维与粒料等长而在短切纤维粒料内,纤维无规取向,其长度远小于粒料的长度。注塑成型后,长纤增强热塑性复合材料制品内纤维的平均长度较大,并且长纤维在注塑制品内可以形成一定的网络结构,使长纤增强热塑性复合材料制品的力学性能及其它物理性能均优于短切纤维增强的复合材料,如比强度和比刚度、抗冲击性能好、耐蠕变性能提高、尺寸稳定性更好、部件成型精度高、耐疲劳性能优良。在高温和潮湿环境中稳定性更好,在成型过程中纤维可以在成型模具中相对运动,纤维损伤小。长玻纤增强热塑性复合材料主要有两大发展方向:一是玻璃纤维毡增强热塑性树脂基复合材料片材,简称GMT,如AZAEL、ELAATRIOPRG和SYMALIT等;二是注塑成型用长纤增强热塑性复合材料,如VERTON和CELSTRAN等注塑用长玻纤增强粒料。
  热塑性聚合物熔融时黏度很高,浸渍困难,如何在纤维与基体间形成良好的浸渍、使两者充分接触,减少制备与成型过程中纤维的损伤,是高性能制备与成型过程所面临的关键问题。对此,国内外已开展大量的研究,形成了一系列浸渍技术,如原位聚合浸渍技术、粉末浸渍技术和熔融浸渍技术等。
  (1)原位聚合浸渍技术
  原位聚合浸渍技术是将聚合物基体单体、引发剂等与增强纤维均匀混合后,在一定的条件下引发剂引发单体聚合,使其聚合成为具有一定韧性和强度的高分子聚合物。由于采用低黏度的单体或低聚物对纤维进行浸渍,浸润性好,浸润速度快,生产速度提高,从而在根本上解决了LRTR的生产过程的关键技术难点。存在的主要问题是工艺条件比较苛刻,反应难以控制,尚不具备普遍的工业价值。
  (2)粉末浸渍技术
  粉末浸渍技术是将粉末状基体树脂以各种不同方式与增强纤维相复合。粉末浸渍分为湿法粉体浸渍和干法粉体浸渍。湿法粉体浸渍工艺是热塑性树脂粉体和一些表面活性剂在浸渍室中形成悬浮液,用牵引连续玻纤通过树脂的悬浮液,使树脂粉末均匀地渗人纤维之间,再使附着树脂粉末的玻纤束通过除溶剂,干燥装置,后加热熔融、冷却、切成长纤维增强粒料。法国的Arjomari公司借助造纸技术发明了悬浮法制备长纤维增强的热塑性片材的制造技术。该方法的工艺过程是将聚丙烯颗粒与分散剂、表面活性剂等助剂按照一定的比例制备成悬浮的水溶液,再将一的玻璃纤维加人悬浮液中,在搅拌的状态,使之形成分散均匀的纤维聚合物的悬浮液。其工艺如图所示。
  悬浮制备GMT的工艺示意图
  干法粉体浸渍技术采用连续无捻粗纱通过带电的树脂的粉末流化床,树脂粉末由于静电的作用被吸附到纤维。带有树脂粉末的连续玻纤被牵引至加热通道,熔融形成预浸料,最后冷却切成。
  (3)熔体浸渍技术
  熔体浸渍技术是将热塑性树脂加热熔融后来浸渍纤维的一种技术。最初该技术主要用于制备热塑性复合材料的预浸料,经模压成型等二次成型加工工艺,将预浸料加工成为热塑性复合材料部件。近年来,美国、德国等工业发达国家将此技术与模压成型技术结合起来,开发出直接法生产纤维增强热塑性复合材料部件的技术,简化了预浸料的冷却凝固和加热熔融的工艺环节,节省了能源消耗,降低成本。熔融法制备热塑性复合材料预浸料的典型产品为玻璃纤维毡增强热塑性复合材料,其工业化的工艺有两种,连续熔融浸渍最常用,其工艺方法为将两层玻璃纤维毡夹在三层聚丙烯熔体之间,在履带式热压机上热轧,然后凝固冷取成片材的半成品材料。熔体浸渍也可采用拉挤技术,即采用一种特殊结构的拉挤模头,让均匀分散、预加张力的连续纤维束经过这一充满高压熔体的模头时,反复多次承受交替的变化,促使纤维和熔体强制性的浸渍,达到理想的浸渍效果。

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