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干货丨连续纤维增强热塑性复合材料工艺及应用

2018-12-10

本文为SAMPE 特邀撰稿人  姚志佳撰写 


一、概述

连续纤维增强热塑性复合材料由于其轻质、高刚度、高韧性等特性,在汽车工业,航空航天,军工,电子等诸多领域已经广泛的应用。连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)是以连续纤维作为增强材料,以热塑性树脂为基体,通过将热塑性树脂熔融浸渍的工艺制造的高强度、高刚性、高韧性的复合材料。可选用的增强材料包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、植物纤维、以及玄武岩纤维。可以选用的树脂基体有PP、PE、PA6、PA66、PC、PET、TPU、PPS、PEEK等。根据产品性能及成型要求的不同,增强材料的形态可以是单向的,也可以是织物。


尽管短纤维和长纤维热塑性复合材料占整个热塑性复合材料市场的主导地位。但由于连续纤维独特的特点,近年来国际上连续纤维增强热塑性复合材料市场仍然保持着快速增长,国外行业巨头也正将连续纤维增强的热塑性复合材料及相关企业作为重点开发方向和并购的首选标的。其中朗盛收购了德国Bond-Laminates、三菱收购QPC、东丽公司收购荷兰的Tencate;而韩华、巴斯夫、科思创、英力士等化工巨头也都推出了相应的连续纤维增强热塑性复合材料。


目前,掌握连续纤维增强热塑性复合材料技术的企业主要集中在德国、荷兰、英国、美国等少数欧美国家。我国有部分企业掌握了一部分连续纤维增强热塑性复合材料的技术,但是在连续纤维增强特种工程塑料复合材料方面,我国与国外依旧存在非常大的差距。


二、连续纤维增强热塑性复合材料的浸润工艺

(1)混纤纱-TwinTex(Commingled yarn)

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制造商:OCV (Saint-Gobain)-TwinTex、巨石-Compofil


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(2)熔体浸渍(Melt impregnation)

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工艺关键:

①纤维排布、展丝

②熔体浸渍槽

以下是不同熔体浸渍槽的内部结构


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熔融浸渍工艺的特点是:

①浸润完全

②制造成本较低

③由于树脂在熔体槽中停留时间较长容易氧化


(3)粉末浸渍法(Powder impregnation)

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工艺特点:

①树脂需要打成较细的粉末,成本相对较高。

②树脂含量较难控制。


(4)悬浮浸润(Slurry impregnation)

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主要生产高性能树脂基复合材料:PEI、PEEK、PAEK、PEKK、PPS、PSU、PVDF等。


(5)液体成型   liquid  infusion

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树脂体系:

PA6(己内酰胺阴离子开环聚合)

丙烯酸树脂(Elium , Arkema)

该工艺可用的树脂体系较少,聚合较难控制。


三、连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)的特点:

1、环境因素小。生产过程排放小、可回收。

2、材料选择范围广。热固性树脂仅有几种,而热塑性树脂及其合金品种繁多,满足不同的需求。

3、储存方便,储存时间长。

4、复合材料的耐疲劳性、抗冲击性能、耐腐蚀性优异。

5、材料的密度低,比强度、比刚性大。

6、材料成型快、成型方式多样化。

7、材料易于焊接。


四、连续纤维增强热塑性复合材料的成型方式

(1)模压成型

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(2)缠绕成型

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(3)模内注射成型

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五、连续纤维增强热塑性复合材料的应用

1、汽车轻量化

(1)商用车轻量化

目前汽车轻量化主要集中在厢式货车厢板和乘用车次结构件。其中使用以连续纤维增强PP为外蒙皮的蜂窝板可以替代厢式货车传统的玻璃钢车厢板和金属车厢板。可非常明显的降低厢式货车整车质量。通过有关机构统计,汽车重量每降低100公斤,每公里的油耗可节约0.6L,整车质量下降10%,燃油效率提高6%-8%,滚动阻力较少10%,燃烧效率提高3%。


以9.6米厢式货车为例,使用连续玻璃纤维PP为蒙皮的蜂窝板可对金属车厢减重1000Kg,可对木夹芯车厢减重800Kg,可对玻璃钢车厢减重500Kg。按照行业经验汽车整备质量减少1000Kg,每百公里的油耗可降低3-6升,以物流干线车辆每年20万公里的行驶里程计算,每年每台车最低可节约燃油成本52000元。

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(连续纤维增强热塑性复合材料蜂窝板新能源汽车)


(2)乘用车轻量化

在乘用车轻量化中,连续纤维织物增强热塑性复合材料目前被国外企业更加广泛的采用。通过对织物增强的热塑性复合材料片材的模压加注塑的工艺使得制件的成本更低、重量更轻且保持良好的物理性能。下图为国外企业成型的汽车制件。原产品使用40%玻璃纤维含量的PA6注塑成型,循环节拍≤60s,重量为500g。通过使用连续纤维织物增强热塑性复合材料和注塑工艺的结合,使用PP树脂的连续纤维织物,注塑30%纤维含量PP改性塑料。最终将该制品的循环时间降低到39s,重量275g,且成本降低44%。这种成型方式也正在被国内企业熟悉,已有相关企业正在对设备及工艺进行研发。


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下图为不同树脂的连续纤维织物增强热塑性复合材料片材:

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(3)模内注射成型的相关制件:

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(4)轨道交通的轻量化

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