平等:高性能热塑性树脂基复合材料的研究进展 璃纤维浸渍ABS树脂溶液,研究了纤维在浸胶过程重量分额高,这是熔融浸渍工艺难以办到的。但是 中纤维的牵引速度、牵引力和胶液粘度对复合材料粉末浸渍法要求纤维在气相中被分散成单丝,这对 含胶量及纤维与胶液浸润性的影响。王荣国等于在膨松状态即使在有张力作用下也比较难,树脂 选择三种国产高性能热塑性树脂聚醚砜、酚酞侧基粉末也难以均匀地粘附于纤维的表面上,容易造成 聚醚砜、酚酞侧基聚醚酮和高强玻璃纤维粗纱,通过粉末堆积,形成空隙较多,此外,还有粉尘爆炸的危 定的溶液浸渍工艺,制作了纤维预浸料,并加工成险 复合材料,对其进行了相关力学性能试验研究得到2.4粉末悬浮浸渍工艺 连续玻璃纤维增强PESC与PEKC的基本力学 水悬浮浸渍工艺是近几年研究较多的一种工 性能和连续玻璃纤维增强环氧树脂的基本力学性能艺。这种工艺中热塑性树脂粉末和表面活性剂在 相差不大但纵横向剪切性能有了明显的提高。陈浸渍室中形成水悬浮液,导辊将连续纤维牵拉入主 平等采用溶液浸渍法分别研究了连续的玻璃纤槽中浸渍,使粉末均匀地渗入纤维之间,然后经干 维、T70碳轩维和F12纶纤维增强PSK树脂燥、加热压实成型,再经拉出机拉出,这种工艺与上 复合材料的浸渍成型工艺以及力学性能解决高性述其他工艺相比具有以下优点 能聚芳醚系列树脂连续纤维缠绕、拉挤成型过程中 (1)采用资源丰富且无污染的水作为悬浮分散 的树脂浸渍问题。 剂,方便易得且易除去 溶液法制备预浸料的生产工艺具有胶液粘度 2)采用连续纤维浸渍适合于大批量、高效率生 低,易于浸渍纤维浸渍设备简单等优点但缺点是产,降低生产成本; 不适用于耐溶剂良好的树脂,同时溶剂可能会有少 (3)树脂粉末大小在m级以下,克服了粉末法 量残留在预浸带中,并存在污染问题。且许多高性20L的极限 能热塑性树脂没有合适的溶剂溶解,故此法的使用 (4)水悬浮法操作容易,安全卫生,粘度低,可以 范围有限 小于10mPa#s,克服了熔融浸渍的高粘问题 2.3粉末浸渍法 5)仅在热滚压时需要高温,在熔融态树脂停留 粉末浸渍工艺克服了溶剂后处理的问题,同时时间短,减少了其重量损失,大大避免了热降解对 又降低了粘度。可以采用静电浸渍,再经迅速加热温度敏感的聚合物也可以适用,节省了能耗; 使颗粒与纤维融合形成预浸料,也可采用流化床进 (6)牵引机械简单。 行浸渍。在这种工艺中,纤维在张力辊作用下分散 该工艺近些年才开始在文献上常有报道。饶军 成为单丝然后通过一个由树脂粉末悬浮于气流中等采用P粉料、二苯醚酮制成一定配比的悬浮 形成的流化室,树脂粉末在流化室中状态好似其浮液,与连续碳纤维浸渍获得了良好的预浸料;章奕 于水中一样,由于此时粗纤维已分散因此粉末状树定等研究了连续纤维粗沙浸渍PS泥浆(PNP水 脂便能够分散在单丝间然后经熔融、孔模定尺寸大的悬浮液)的浸渍工艺邢玉清等凹用中长纤维毡 小、牵拉成型。 浸渍PPS的悬浮液,也取得了好的效果 周晓东等研究了连续玻璃纤维增强聚丙烯 此工艺技术新,潜力大,采用该工艺进行连续纤 复合材料的粉末浸渍过程研究发现聚丙烯粉末越维增强热塑性树脂基复合材料的生产,成本低,工艺 细分散辊越多,浸渍效果越好且浸渍树脂量越多,简单设备投资少,制备周期短,生产出的预浸料可 但当粉末细到一定程度,分散辊多到一定程度后,增以直接投入市场。目前,德国柏林工大的 Augst in21 加效果不明显接枝极性基团的改性聚丙烯的引入采用次发生成出来的预浸带速度 SmPmin、纤维体积 可增强体系对纤维的浸渍效果,增强了界面粘结。 含量60%;法国BA乎公司已采用该工艺生产出 张凤翔等用连续纤维增强PEK树脂,通过纤维增强PK、PEE、 PEEKK PES复合材料片材。 正交试验确定了一条静电粉末法制作预浸料的工2.5混编制备技术 艺、设备,并研究了其复合材料的性能,得出ASCP 混编制备技术是将纺成细丝的热塑性树脂与增 PEK单项织物复合材料的常规力学性能和热固性强纤维制成混合纱,再进行进一步加工。这一技术 复合材料T005405相当,韧性远优于T3005405,始见于美国NASA公司制备碳纤维与PB、PET和 Gc达到1560JPm2,CAl为28MPa 液晶聚合物(ICP)的混杂纤维束发展而来。混编技 这种工艺主要优点是浸渍速度快,易在单丝间术最大优点是具有良好的加工性能,混合纱可以织 捕集到高分子量的聚合物,所得复合材料的聚合物成各种复杂形状,包括三维结构,也可以直接缠绕璃纤维浸渍 ABS 树脂溶液, 研究了纤维在浸胶过程 中纤维的牵引速度、牵引力和胶液粘度对复合材料 含胶量及纤维与胶液浸润性的影响。王荣国等 [17] 选择三种国产高性能热塑性树脂聚醚砜、酚酞侧基 聚醚砜、酚酞侧基聚醚酮和高强玻璃纤维粗纱, 通过 一定的溶液浸渍工艺, 制作了纤维预浸料, 并加工成 复合材料, 对其进行了相关力学性能试验研究, 得到 连续玻璃纤维增强 PES- C 与 PEK- C 的基本力学 性能和连续玻璃纤维增强环氧树脂的基本力学性能 相差不大, 但纵横向剪切性能有了明显的提高。陈 平等 [ 18] 采用溶液浸渍法, 分别研究了连续的玻璃纤 维、T700 碳纤维和 F- 12 芳纶纤维增强 PPESK 树脂 复合材料的浸渍成型工艺以及力学性能, 解决高性 能聚芳醚系列树脂连续纤维缠绕、拉挤成型过程中 的树脂浸渍问题 [ 19] 。 溶液法制备预浸料的生产工艺具有胶液粘度 低, 易于浸渍纤维, 浸渍设备简单等优点; 但缺点是 不适用于耐溶剂良好的树脂, 同时溶剂可能会有少 量残留在预浸带中, 并存在污染问题。且许多高性 能热塑性树脂没有合适的溶剂溶解, 故此法的使用 范围有限。 2. 3 粉末浸渍法 粉末浸渍工艺克服了溶剂后处理的问题, 同时 又降低了粘度。可以采用静电浸渍, 再经迅速加热 使颗粒与纤维融合形成预浸料, 也可采用流化床进 行浸渍。在这种工艺中, 纤维在张力辊作用下分散 成为单丝, 然后通过一个由树脂粉末悬浮于气流中 形成的流化室, 树脂粉末在流化室中状态好似其浮 于水中一样, 由于此时粗纤维已分散, 因此粉末状树 脂便能够分散在单丝间, 然后经熔融、孔模定尺寸大 小、牵拉成型。 周晓东等 [ 19] 研究了连续玻璃纤维增强聚丙烯 复合材料的粉末浸渍过程, 研究发现聚丙烯粉末越 细, 分散辊越多, 浸渍效果越好且浸渍树脂量越多, 但当粉末细到一定程度, 分散辊多到一定程度后, 增 加效果不明显; 接枝极性基团的改性聚丙烯的引入 可增强体系对纤维的浸渍效果, 增强了界面粘结。 张凤翔等 [ 20] 用连续纤维增强 PEEK 树脂, 通过 正交试验确定了一条静电粉末法制作预浸料的工 艺、设备, 并研究了其复合材料的性能, 得出 AS4CP PEEK 单项织物复合材料的常规力学性能和热固性 复合材料 T300P5405 相当, 韧性远优于 T300P5405, GIC达到 1560JPm 2 , CAI 为 285MPa。 这种工艺主要优点是浸渍速度快, 易在单丝间 捕集到高分子量的聚合物, 所得复合材料的聚合物 重量分额高, 这是熔融浸渍工艺难以办到的。但是 粉末浸渍法要求纤维在气相中被分散成单丝, 这对 于在膨松状态即使在有张力作用下也比较难, 树脂 粉末也难以均匀地粘附于纤维的表面上, 容易造成 粉末堆积, 形成空隙较多, 此外, 还有粉尘爆炸的危 险。 2. 4 粉末悬浮浸渍工艺 水悬浮浸渍工艺是近几年研究较多的一种工 艺。这种工艺中, 热塑性树脂粉末和表面活性剂在 浸渍室中形成水悬浮液, 导辊将连续纤维牵拉入主 槽中浸渍, 使粉末均匀地渗入纤维之间, 然后经干 燥、加热压实成型, 再经拉出机拉出, 这种工艺与上 述其他工艺相比, 具有以下优点: ( 1)采用资源丰富且无污染的水作为悬浮分散 剂, 方便易得且易除去; ( 2)采用连续纤维浸渍适合于大批量、高效率生 产, 降低生产成本; ( 3)树脂粉末大小在 mm 级以下, 克服了粉末法 20L的极限; ( 4)水悬浮法操作容易, 安全卫生, 粘度低, 可以 小于10mPa#s, 克服了熔融浸渍的高粘问题; ( 5)仅在热滚压时需要高温, 在熔融态树脂停留 时间短, 减少了其重量损失, 大大避免了热降解, 对 温度敏感的聚合物也可以适用, 节省了能耗; ( 6)牵引机械简单。 该工艺近些年才开始在文献上常有报道。饶军 等 [ 21] 采用 PPS 粉料、二苯醚酮制成一定配比的悬浮 液, 与连续碳纤维浸渍, 获得了良好的预浸料; 章奕 定 [ 22] 等研究了连续纤维粗沙浸渍 PPS 泥浆( PPSP水 的悬浮液) 的浸渍工艺; 邢玉清等 [23] 用中长纤维毡 浸渍PPS 的悬浮液, 也取得了好的效果。 此工艺技术新, 潜力大, 采用该工艺进行连续纤 维增强热塑性树脂基复合材料的生产, 成本低, 工艺 简单, 设备投资少, 制备周期短, 生产出的预浸料可 以直接投入市场。目前, 德国柏林工大的 Augstin [ 25] 采用次发生成出来的预浸带速度 5mPmin、纤维体积 含量 60% ; 法国 BASF [ 24] 公司已采用该工艺生产出 纤维增强PEK、PEEK、PEEKK、PES 复合材料片材。 2. 5 混编制备技术 混编制备技术是将纺成细丝的热塑性树脂与增 强纤维制成混合纱, 再进行进一步加工。这一技术 始见于美国 NASA 公司制备碳纤维与 PBT、PET 和 液晶聚合物 (LCP)的混杂纤维束发展而来。混编技 术最大优点是具有良好的加工性能, 混合纱可以织 成各种复杂形状, 包括三维结构, 也可以直接缠绕, 2 期 陈 平等: 高性能热塑性树脂基复合材料的研究进展 55