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连续纤维增强热塑性树脂基复合材料
摘要：热塑性树脂基复合材料近年来发展较快，而连续纤维增强热塑性树脂的复合材料的优点更为突出，比较几种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的加工方法，其中用摩擦纺包芯纱加工的方法是一种很好的方法，并讨论了这种方法的特性。关键词：热塑性树脂基复合材料；加工方法；摩擦纺包芯纱自50年代热塑性树脂基材料问世以后，几十年树脂基复合材料一直以热固性树脂基材料为主流发展着。热固性树脂基复合材料存在一些固有的缺点，如断裂韧性、损伤容限比较低；吸湿、环境适应性不佳；an-r_周期长；难以回收[-等，这些均使它的发展受到一定影响。自1956年美国Fiberfil公司首先工业化生产玻璃纤维增强尼龙以来，通过60年代进一步的研究和推广应用，热塑性树脂基复合材料从70年代开始，其产量即直线上升[。进入90年代，随着科学技术的迅猛发展，以通用工程塑料和高性能工程塑料为基体树脂的热塑性复合材料越来越受到人们的关注，并已成为复合材料异常活跃的研究开发热点[。近些年来，国外的热塑性树脂基复合材料发展速度非常快，已大大超过热固体性树脂基复合材料的发展速度。以美国为例，1994—1998年间，热固性树脂基复合材料年平均增长速度为5．48％，而热塑性树脂基复合材料则为23．15％E。据资料介绍，国外玻璃纤维增强树脂基复合材料中有1／3为增强热塑性树脂复合材料[5]。在国内，通过60年代前期的摸索研究，自1969年开始，玻璃纤维增强尼龙首先投入生产，随即聚苯乙烯、氯化聚醚、聚碳酸酯、聚氯乙稀、饱和聚酯、聚砜等等增强复合材料相继研制成功并投人生产[5]。由于玻璃纤维的配合和反展，我国的热塑性树脂基复合材料无论从品种、性能、产量方面，都显示了赶超世界先进水平的趋势。热塑性树脂复合材料之所以得到长足的发展，主要是由于它克服了热固性树脂基复合材料存在的一些缺点，并具有以下优点[4]：热塑性树脂的线型分子结构使其韧性提高，是热固性树脂的10倍以上；吸湿性小；由于热塑性树脂在浸渍前聚合反应已经完成，因此在成型加工中纯粹是物理过程，无化学反应，所以成型速度快，并且可以多次重复加工及修补；其预浸料稳定，无贮存期限制，存放也无特殊要求；可回收再加工，无环境污染问题；另外还有维修方便，有类似于金属的加工特性，以及成本低。然而，由于热塑性树脂的熔融粘度(通常为508—5000Pa·s)一般都超过100Pa·s[6]，因此在加工过程中不利于增强纤维的分布和基体树脂的浸渍。采用传统的复合材料加工方法来加工热塑性树脂基复合材料，很难满足增强纤维与基体树脂均匀分布和基体树脂对增强纤维完全浸渍的要求。所以，对热塑性树脂基复合材料，热塑性树脂和增强纤维的结合方法一直是这类复合材料加工的难点和关键。1ll热塑性树脂基复合材料的几种常用加工方法、连续纤维增强热塑性复合材料，其突出优是目前所有树脂基复合材料难于兼备的，如极其优异的力学性能(高韧性、极高刚性、极高强度、高裂纹扩展、高抗疲劳、高耐磨损、高热变形温度、不吸水、抗老化、抗腐蚀等)。其次，连续纤维增强复合材料的原料成本低，成型工艺简单(既可以在现有通用设备上加工，也可以在小型压机上加工，并且特别适用于机械化、自动化的连续性大工业生产)。成型周期短，原材料贮存期长。先进国家普遍重视的连续纤维增强热塑性复合材料的另一突出优点是可重复使用性、可再生利用以及一定的可修补性。对热塑性树脂，它与连续增强纤维的结合归纳以来有2大类方法：第一类方法是预浸渍法，即预浸料的制备方法，它是使液态树脂流动、逐渐浸渍纤维并最终充分浸渍每根纤维，形成的半成品为预浸料。预浸渍法又分溶液浸渍法和熔体浸渍法。第二类方法是后浸渍法或预混法，即预混料的制备方法，它是将热塑性树脂以纤维、粉末或薄膜态与增强纤维结合在一起，形成一定结构形态的·半成品。但其中的树脂并没有浸渍增强纤维，复合材料成型加工时，在一定的温度和压力下树脂熔融并立即浸渍相邻纤维，进一步的流动最终完全浸渍所有纤维。1．1浸渍法1．1.1溶剂法。溶剂法(SobentTechnique)，又称溶液浸渍法(SolutionImpregnationTechnique)161。该方法是选用一种合适的溶剂，也可以是几种溶剂配成的混合溶剂，将树脂完全溶解，制得低粘度的溶液浸渍纤维，然后将溶剂挥发制得预浸料。如果溶剂完全挥发，则制得硬挺的预混料；若保留适当的溶剂，则预浸料具有一定的粘性和铺覆性。该方法克服了热塑性树脂熔融粘度高的缺点，可以很好的浸渍纤维，然而也存在许多不足主要是溶剂的蒸发和回收费用昂贵，且有环境污染；如果溶剂消除不完全，在复合材料中会形成气泡和孑L隙，影响制品性能；该方法加工的复合材料，在使用的过程中其耐溶剂性必然会受到影响；另外，一些热塑性树脂很难找到合适的溶剂。1．1．2。熔体浸渍法。熔体浸