1期 孙宝磊等:先进热塑性树脂基复合材料预浸料的制备及纤維缠绕成型技术 型工艺,他们将预浸带加热后缠绕成NOL环和压力品含胶量过低。纤维缠绕中发生的纤维磨损是影响 容器的半固結0形态,然后将其装入真空袋加热熔纤维强度转换的重要因素,因此降低缠绕张力在 融后进行热固结。 定程度上可提高纤维发挥的强度,但张力减小到 美国的 DuPant公司报道了预浸带缠绕/后固结定程度时会降低层间剪切强度,从而也不利于纤维 工艺制备非回转体结构部件的研究结果。他们首先强度的整体发挥 采用缠绕工艺将预浸带缠绕成回转体,预浸带之间 今后的研究重点应集中于胶液粘度、缠绕张力 没有形成牢固的粘接,呈类似于网络的结构状态;然以及挤胶状况对含胶量的影响上,做到在缠绕工艺 后,将其放入预先加工好的非回转体模具中,重新加中使树脂粘度可调,并精确量化缠绕张力与含胶量 热预浸带结构使其熔融,在压力的作用下固结为密以及制品性能之间的关系 实的结构部件 本课题组利用含二氮杂萘酮结构的新型高性能 4.3在线(溶液)浸渍缠绕/原位固结工艺 热塑性树脂聚芳醚砜酮(PESK)的可溶解性,采用 20世纪80年代末美国的 Delaware大学报道了在线溶液浸渍缠绕/原位固结工艺制作了玻璃纤维/ 玻璃纤维增强聚苯硫醚复合材料的/在线浸渍缠绕/PESK和碳纤维/PPEs复合材料套筒部件和NL 原位固结0的工艺方法。他们采用悬浮法将聚苯硫环。在成型过程中,有效地解决了溶液浸渍工艺技 醚粉末与玻璃纤维均匀地混合在一起,加热使得聚术应用于连续纤维增强高性能热塑性树脂基复合材 苯硫醚粉末熔融,黏附在玻璃纤维上;然后,表面黏料预浸料制备中的难题,并首次将此树脂应用于缠 附了聚苯硫醚的玻璃纤维经热绕丝头,缠绕在加热绕成型工艺中,在高温下将预浸料固结。具体工 芯模的表面,在一定条件下固结为结构件。相对于艺4如下 以上两种缠绕工艺,此工艺不需要事先制备和妥善 使用N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)作为溶剂溶 储藏预浸带,所需设备简单,制造工序得到简化,因解聚芳醚砜酮( PPESK)树脂,配制成黏度适合的胶 此可有效降低复合材料的制造成本。但是此成型工液,然后将玻璃纤维或碳纤维引入胶液中进行浸渍, 艺最大的困难在于含胶量和胶液均匀分布的精确控经过胶液槽后浸胶纤维直接进入远红外加热烘道除 制上,工艺中影响含胶量的因素有很多,如缠绕张去纤维里的溶剂,从烘道中出来后将预浸纤维缠绕 力树脂粘度以及刮胶系统等。其中缠绕张力是很在预加热的芯模之上,同时在芯模的上面有加热板 重要的工艺参数,较大的缠绕张力有利于纱带充分持续稳定的对预浸料进行加热,芯模的后面有挤压 浸渍胶液,并挤出富余胶液而使材料更加密实,但张辊对缠绕在芯模之上的预浸料进行压实,保证了缠 力过大反而会使纱带在传递过程中发生磨损,而不绕制品结构的密实性,其工艺流程如图1所示 利于纤维强度的发挥,同时也会造成过度挤胶使制 刮胶装置 纤维 加热板 溶剂蒸发 原位固结辊 溶液浸渍 图1纤维增强 PPESK复合材料在线浸渍缠绕/原位固结过程示意图 术、连接技术、修补技术等方面 5展望 热塑性基体纤维缠绕工艺近些年来的发展表明 目前各发达国家均加大了对先进树脂基复合材它具有优异的综合性能。国外一些机构甚至已开始 料的研究工作,研究的领域涉及高性能树脂基体的对热塑性纤维缠绕的整个过程进行详细的热力学分 开发、预浸料的制备技术、复合材料的各类成型技析,利用若干热力学数学模型对缠绕过程进行大量型工艺, 他们将预浸带加热后缠绕成NOL 环和压力 容器的/ 半固结0形态, 然后将其装入真空袋, 加热熔 融后进行热固结。 美国的 DuPont 公司报道了预浸带缠绕/ 后固结 工艺制备非回转体结构部件的研究结果。他们首先 采用缠绕工艺将预浸带缠绕成回转体, 预浸带之间 没有形成牢固的粘接, 呈类似于网络的结构状态; 然 后, 将其放入预先加工好的非回转体模具中, 重新加 热预浸带结构使其熔融, 在压力的作用下固结为密 实的结构部件。 4. 3 在线(溶液)浸渍缠绕/ 原位固结工艺 20 世纪 80 年代末, 美国的 Delaware 大学报道了 玻璃纤维增强聚苯硫醚复合材料的/ 在线浸渍缠绕/ 原位固结0的工艺方法。他们采用悬浮法将聚苯硫 醚粉末与玻璃纤维均匀地混合在一起; 加热使得聚 苯硫醚粉末熔融, 黏附在玻璃纤维上; 然后, 表面黏 附了聚苯硫醚的玻璃纤维经热绕丝头, 缠绕在加热 芯模的表面, 在一定条件下固结为结构件。相对于 以上两种缠绕工艺, 此工艺不需要事先制备和妥善 储藏预浸带, 所需设备简单, 制造工序得到简化, 因 此可有效降低复合材料的制造成本。但是此成型工 艺最大的困难在于含胶量和胶液均匀分布的精确控 制上, 工艺中影响含胶量的因素有很多, 如缠绕张 力、树脂粘度以及刮胶系统等。其中缠绕张力是很 重要的工艺参数, 较大的缠绕张力有利于纱带充分 浸渍胶液, 并挤出富余胶液而使材料更加密实, 但张 力过大反而会使纱带在传递过程中发生磨损, 而不 利于纤维强度的发挥, 同时也会造成过度挤胶使制 品含胶量过低。纤维缠绕中发生的纤维磨损是影响 纤维强度转换的重要因素, 因此降低缠绕张力在一 定程度上可提高纤维发挥的强度, 但张力减小到一 定程度时会降低层间剪切强度, 从而也不利于纤维 强度的整体发挥。 今后的研究重点应集中于胶液粘度、缠绕张力 以及挤胶状况对含胶量的影响上, 做到在缠绕工艺 中使树脂粘度可调, 并精确量化缠绕张力与含胶量 以及制品性能之间的关系。 本课题组利用含二氮杂萘酮结构的新型高性能 热塑性树脂聚芳醚砜酮( PPESK)的可溶解性, 采用 在线溶液浸渍缠绕/ 原位固结工艺制作了玻璃纤维/ PPESK 和碳纤维/ PPESK 复合材料套筒部件和 NOL 环。在成型过程中, 有效地解决了溶液浸渍工艺技 术应用于连续纤维增强高性能热塑性树脂基复合材 料预浸料制备中的难题, 并首次将此树脂应用于缠 绕成型工艺中, 在高温下将预浸料固结。具体工 艺[ 40]如下: 使用 N,N- 二甲基乙酰胺( DMAc) 作为溶剂溶 解聚芳醚砜酮( PPESK) 树脂, 配制成黏度适合的胶 液, 然后将玻璃纤维或碳纤维引入胶液中进行浸渍, 经过胶液槽后浸胶纤维直接进入远红外加热烘道除 去纤维里的溶剂, 从烘道中出来后将预浸纤维缠绕 在预加热的芯模之上, 同时在芯模的上面有加热板 持续稳定的对预浸料进行加热, 芯模的后面有挤压 辊对缠绕在芯模之上的预浸料进行压实, 保证了缠 绕制品结构的密实性, 其工艺流程如图1 所示。 图 1 纤维增强 PPESK 复合材料在线浸渍缠绕/ 原位固结过程示意图 5 展 望 目前各发达国家均加大了对先进树脂基复合材 料的研究工作, 研究的领域涉及高性能树脂基体的 开发、预浸料的制备技术、复合材料的各类成型技 术、连接技术、修补技术等方面。 热塑性基体纤维缠绕工艺近些年来的发展表明 它具有优异的综合性能。国外一些机构甚至已开始 对热塑性纤维缠绕的整个过程进行详细的热力学分 析, 利用若干热力学数学模型对缠绕过程进行大量 1 期 孙宝磊等: 先进热塑性树脂基复合材料预浸料的制备及纤维缠绕成型技术 47