热塑性树脂基体纤维缠绕工艺--2

玄武

热塑性树脂基体纤维缠绕工艺--2
2．2 热塑性预浸带的制备

悬浮法：将树脂粉末在机器或其他作用下分散于水中，形成悬浮液，然后经过类似于溶液法的工艺制势预浸料，这种方法已经用于制备PPS等难溶解的树脂预浸料，但由于悬浮液为热力学不稳定体系，有可能导致树脂分布不均匀。

薄膜镶嵌法：将热塑性树脂制成膜后与增强材料结合在一起，在成型过程中树脂熔融并浸渍纤维。这种组合体系需要较高的成型温度、压力，以保证良好的浸润及低的孔隙率。

溶液法：选取合适的溶剂并配成胶液，然后使纤维通过胶液得一浸渍，再烘干溶剂，便得到预浸带。这种方法虽然操作简便，但其树脂含量难以精确控制，而且残留的溶剂在最后成型时会引起材料发泡、表面缺陷及内部孔隙，制品性能不好控制。

静电粉末法：树脂粉末在流化室中经过压缩空气成流化状态，纤维通过流化室时，树脂自然沉积或由静电吸附与纤维结合。沉积了树脂的纤维在熔融炉和辊压设备作用下完成浸渍过程。

双纤维法：将带捻度的纤维制成外面包覆树脂层的双纤维，然后再加热压制成预浸带。

熔融浸渍法：纤维通过几个引导辊通过熔融的树脂槽得到浸渍。这种方法简便易行，效果也较好，是采用最普通的工艺。

资料反映目前对纤维预浸带制备工艺的研究正在向更高的纤维表面处理和更精确的浸胶量控制的方向发展。而一些重要的热塑性树脂在欧美国家已经实现了工业化产品生产，如：美国帝国化学公司/ICI生产的APC-2/AS4热塑性树脂/碳纤维预浸料带材等。

2.3 缠绕和后固化工艺

自从80年代末提出热塑性纤维复合材料缠绕工艺以来，国内外均对其进行了多方面的研究和生产实践。其中包括美国杜邦公司、帝国化学公司、德国凯瑟斯劳滕大学、BSAF公司等多家大公司和科研机构。研究内容涉及热塑性缠绕的设备、工艺过程、条件以及相关参数等。

大部分报道中热塑性缠绕工艺都被分为三个过程：





导纱（包括预浸带的预热）：纤维预浸带由导辊引至缠绕芯模的过程。多数情况下配有一套导纱器来实施控制，有时为了加快缠绕速度，导纱过程中还要对预浸带进行预热。一些研究表明预热不仅对缠绕速度，缠绕张力等因素有影响，对提高制品的性能也很有利。一般的说来预热温度不小于树脂的Tg相关范围内得到的制品抗压强度比预热温度大于Tg的高（如PEEK）。

加热缠绕：加热缠绕是整个工艺的核心控制部分，其中加热方式的选择，缠绕速度、缠绕张力的调节，缠绕温度的控制对整个生产效益、产品性能等都有决定性作用。

常见的加热方式有：（1）气体对流加热，可选用空气、氮气等多种气体，优点是加热均匀，缺点是加热效率底、气体湍流损伤预浸带。（2）红外线加热，这种方法热效率高，加热时不用接触，是比较理想的热源。（3）激光加热，热效率极高，但费用昂贵且容易引起树脂降解。（4）微波加热，热容很大且不损伤纤维，应用的主要困难是设备复杂，成本高。（5）火焰加热，效率较高、设备简单，是一种常用的加热方式，缺点是容易造成局部过热使基体树脂降解。（6）热辊或芯模加热，通过热履或辊或直接由芯模加热，热效率效好，主要问题是辊加热会接触材料本身，造成了表面损伤；芯模加热则会限制制品的厚度。各种方法利弊不同，可视具体情况应用。现在大多 数的相关研究均采用复合加热方式，如：火焰加热与芯模加热相结合等。

对于缠绕速度，主要由以下几方面控制。（1）加热的效率要与速度匹配，速度太高导致预浸带上树脂末能充分受热熔融从而影响缠绕制品层间结合，速度太低则会导致预浸带过热变形甚至降解；（2）缠绕速度学要受到固化压力的限制。

缠绕过程的张力控制目前是研究的热点，有的文献中还报道省略了固化压力辊的缠绕装置，而其固化压力完全由缠绕张力提供。对于 不同的加热方式，缠绕张力的选择也有差异，以便最大限度的减小孔隙率。

缠绕温度方面的研究较少，一般控制在树脂基体熔点以上30℃-40℃左右，与纯树脂加工温度相差不大。值得注意的问题是，温度不能超过树脂降解温度，在高温区域加热时间不宜过长，避免树脂降解或农空气侵入造成树脂氧化。

加压冷却固化：热塑性纤维缠绕的固化有两种方法，一是采用压力履或辊在被缠绕部件的表面加太，另外就是对预浸带加张力并由此获得固化压力。为了消除制品的内应力，也有采用固化后处理方案，即将固化后的制品升温至接近基体熔 点，保温一段时间后冷却。这种方法能减少制品的内应力，但无法完全消除。

总体来说热塑性纤维缠绕工艺已发展到了一定阶段，但国内外研究进展差距很大，一些产品也已用于航空航天和发用。如：美国用CF/PEEK缠绕制件作飞机水平安定面，德国用CF/PA缠绕管制造超轻质自行车等。

3 展望

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的模拟和预测，对产品的孔隙状况和内应力进行计算等。而国内相关报道很少，只有北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室等少数机构对APC-2/AS4热塑性预浸带进行了缠绕实验，并对制品性能进行了初步分析。可以说国内这种工艺还处在逐步开发的阶段，发展空间较大。伴随着国内高性能热塑性树脂的不断发展及其生产成本的降低，它必将逐步成为一种很有希望的复合材料成型工艺。


摘自http://www.frp.com.cn/ejforum/topic-1-1-362-1.html       作者yc