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熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料拉擠成型研究及應(yīng)用進(jìn)展

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-02-24  瀏覽次數(shù):129

  自上世紀(jì)8 0 年代中期始,人們對(duì)采用拉擠工藝制造連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合材料(FRTP)產(chǎn)生了極大興趣。這是因?yàn)椴捎脽崴苄詮?fù)合材料可避免熱固性復(fù)合材料固有的環(huán)境友好性差、加工周期長(zhǎng)和難以回收等不足,并且可具有更好的綜合性能,如:較強(qiáng)的柔韌性和抗沖擊性能、良好的抗破壞能力、損傷容限高、可補(bǔ)塑、可焊接、生物相容性好、可回收、成型時(shí)無(wú)需固化反應(yīng)、成型速度快及可以重復(fù)利用等特點(diǎn)[1]。
       盡管熱塑性塑料拉擠成型具有上述優(yōu)點(diǎn),但迄今仍未獲得普遍的商業(yè)應(yīng)用。原因在于這種工藝受到以下缺點(diǎn)的制約:如熔體黏度高、成型溫度高、基體在室溫下呈固態(tài),需要精確控制冷卻和熔體冷卻時(shí)收縮率大,產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)大等。
       為了使熱塑性材料的拉擠成型應(yīng)用獲得更廣泛的應(yīng)用,重要的任務(wù)是開(kāi)發(fā)最合適的加工工藝、降低成本和提高質(zhì)量。由于拉擠工藝本身是一種能夠經(jīng)濟(jì)的連續(xù)生產(chǎn)復(fù)合材料的典型制造工藝,并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)及制品的用途廣泛,所以該工藝在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已受到普遍重視,發(fā)展速度很快。如美國(guó)專利(專利號(hào):US5091036)以及Dr.Scott Taylor 對(duì)熱塑性復(fù)合材料的研究成果的發(fā)表[ 2 ] ,給熱塑性復(fù)合材料拉擠成型的工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)突破性的推進(jìn)。
       概括而言,從熱固性基體拉擠成型轉(zhuǎn)變到熱塑性基體拉擠成型所遇到的關(guān)鍵問(wèn)題主要包括:基體在室溫下呈固態(tài)、在熔融溫度下流動(dòng)性差(黏度高)和熔體冷卻時(shí)收縮率大等特點(diǎn),目前,實(shí)施熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的拉擠成型典型研究成果及其進(jìn)展可概括如下。
1 生產(chǎn)工藝方面
   
       由于熱塑性樹(shù)脂融體的黏度大, 浸漬困難,因而改進(jìn)研究工作的關(guān)鍵點(diǎn)集中在浸漬技術(shù)方面,而不同拉擠工藝的根本區(qū)別也就在浸漬方法和浸漬工藝的差異上。通常,根據(jù)浸漬技術(shù)可把熱塑性復(fù)合材料拉擠工藝分為非反應(yīng)型拉擠工藝和反應(yīng)拉擠工藝兩大類。從目前應(yīng)用情況來(lái)看,非反應(yīng)型工藝占主體,應(yīng)用較為廣泛,相對(duì)來(lái)講也比較成熟[ 3 ] 。圖1 是采用2 種不同方式的熱塑性復(fù)合材料拉擠工藝示意圖[ 4 ] 。
    1.1 非反應(yīng)型拉擠工藝
    1.1.1 熔體浸漬
       浸漬方法一般是讓均勻分散、預(yù)加張力的連續(xù)纖維束通過(guò)一連串輪系,使纖維在熔融樹(shù)脂中充分浸漬[ 5 ] 。為提高浸透性,還通常加一定的壓力,或混入低相對(duì)分子質(zhì)量同種類的改性組份(或增塑劑)等。該工藝目前已比較成熟,具有浸漬時(shí)纖維不易纏繞,且能加工一切可以熔融流動(dòng)的塑料材料的優(yōu)點(diǎn)。
       1.1.2 溶劑浸漬
        該方法是選用一種合適的溶劑,也可以是幾種溶劑配成的混合溶劑, 將樹(shù)脂完全溶解,制得低黏度的溶液,并以此浸漬纖維,然后將溶劑揮發(fā)、回收制得預(yù)浸料[ 6 ] 。該方法克服了熱塑性樹(shù)脂熔融黏度高的缺點(diǎn),可以很好地浸漬纖維。該工藝也存在一些不足,如溶劑的蒸發(fā)和回收費(fèi)用昂貴,且易污染環(huán)境;若溶劑清除不完全,在復(fù)合材料中常會(huì)形成氣泡和孔隙。
     所以采用該方法進(jìn)行加工的復(fù)合材料,在使用過(guò)程中其耐溶劑性會(huì)有一些影響。
       1.1.3 粉末浸漬
       粉末浸漬制備技術(shù)是在硫化床中,通過(guò)靜電作用將樹(shù)脂細(xì)粉吸附于纖維束中纖維單絲的表面,然后加熱使粉末熔結(jié)在纖維的表面,最后在成型過(guò)程中使纖維得以浸潤(rùn)[ 7 ] 。加工過(guò)程不受基體黏性的限制,高相對(duì)分子質(zhì)量的聚合體可分布到纖維中。這種工藝?yán)w維損傷少,聚合物無(wú)降解,具有成本低的潛在優(yōu)勢(shì)。適合于這種技術(shù)的樹(shù)脂粉末直徑以5 ~l 0 ìm 為宜。
       1.1.4 混雜無(wú)捻粗紗法
       該法是將熱塑性樹(shù)脂紡成纖維或薄膜帶,然后根據(jù)含膠量的多少將一定比例的增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂纖維束緊密地合并成混紗,再通過(guò)一個(gè)高溫密封浸漬區(qū),將樹(shù)脂纖維熔成基體。該法的優(yōu)點(diǎn)是樹(shù)脂含量易于控制,纖維能得到充分的浸潤(rùn)。
       1.2 反應(yīng)型拉擠工藝
   
     1.2.1 預(yù)聚體拉擠工藝
     這種工藝所使用到的樹(shù)脂是將單體和引發(fā)劑混合后再加熱熔融,由于預(yù)聚體初始相對(duì)分子質(zhì)量小、黏度低及流動(dòng)性好,使得纖維與之一邊浸潤(rùn)、一邊反應(yīng),從而可達(dá)到理想的浸漬效果[ 8 ] 。這種工藝要求單體聚合速度快,反應(yīng)需精確控制。該工藝適用于玻璃纖維、碳纖維、尼龍以及其他纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料的拉擠成型,樹(shù)脂的適用范圍較廣。預(yù)聚體拉擠工藝流程如圖2 所示[9]。
     1.2.2 反應(yīng)注射拉擠工藝
       與通常的拉擠工藝相比,反應(yīng)注射(RIM)拉擠工藝的特點(diǎn)在于:拉擠過(guò)程中是將樹(shù)脂組份直接注入樹(shù)脂浸漬腔或拉擠模具入口處與增強(qiáng)材料浸漬,然后通過(guò)加熱的模具成型,它實(shí)際上是將拉擠工藝與(R I M )模塑工藝結(jié)合起來(lái), 而形成的一種很有特色的工藝。
     R IM 拉擠工藝過(guò)程中,樹(shù)脂體系一般分成A、B 兩個(gè)組份,每一組份自身都不會(huì)反應(yīng)。將樹(shù)脂體系的A 、B 兩組份預(yù)熱后經(jīng)計(jì)量泵送入樹(shù)脂混合單元,充分混合后直接導(dǎo)入樹(shù)脂浸漬腔或模具入口處浸漬增強(qiáng)材料,其中增強(qiáng)材料也經(jīng)過(guò)預(yù)熱,這樣就保證了樹(shù)脂浸漬在高溫的條件下進(jìn)行,這時(shí)樹(shù)脂體系的黏度極低,因而對(duì)纖維浸透性極好;樹(shù)脂組份的混合和使用同時(shí)進(jìn)行,也不存在樹(shù)脂使用期的問(wèn)題,由于樹(shù)脂混合單元鄰近模具入口處,因此有可能采用快速固化的或者在常溫下呈固態(tài)的樹(shù)脂體系[ 1 0 ] 。
    RIM 拉擠工藝如圖3 所示。
    
                        圖3 RIM拉擠工藝示意圖
    1.2.3 原位拉擠工藝
    這種拉擠工藝實(shí)際與R IM 工藝類似。不同的是,在線制備的樹(shù)脂直接注入拉擠模具。
 
 
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