文档介绍：第十三章纤维增强高分子复合材料的制备
第一节概述
聚合物基复合材料成形通常有一步法与二步法之分。一步法是由纤维、树脂等原材料直接混合浸渍,一步固化成形形成复合材料。二步法则是预先对纤维树脂进行混合浸渍加工,使之形成半成品,再由半成品成形出复合材料制品。一步法工艺简便,设备简单,但溶剂、水分等挥发物不易去除,裹入制品形成孔洞,树脂不易分布均匀,在制品中形成富胶区和贫胶区,严重时会因纤维浸渍不好而出现“白丝”现象,生产效率低,环境恶劣。针对一步法的缺点,预先将纤维浸渍树脂,或纤维树脂预先混合,经过一定处理,使浸渍物或混合物成为一种干态或稍有粘性的材料,即半成品材料,再用它成形复合材料制品,因此二步法又称“干法”。二步法将浸渍过程提前,可很好地控制含胶量和解决纤维树脂均匀分布问题。
热固性树脂基复合材料制品典型的生产工艺过程如图13-l所示,在准备工序中增加半成品制备工艺环节,由专业化厂或车间生产,生产出的半成品贮存备用。可见半成品是复合材料整个生产过程中的一种中间材料,也即是复合材料成形用的一种特殊种类的原材料。由原材料经过一定的加工制成干态或半干态的半成品材料的过程,即半成品制备工艺,也与成形加工一样是复合材料工艺的内容。早期制造复合材料都是采用一步法(又称“湿法”)工艺,如成形模压制品是先将纤维或织物置于模具中,倒入配好的树脂胶液后加压成形。在半成品制备过程中烘去溶剂、水分和低分子组分,降低了制品的空隙率,也改善了复合材料成形作业的环境。通过半成品的质量控制,确保复合材料制品的质量。
第二节高分子复合材料半成品的制备
高分子复合材料,常常是预先将纤维等添加剂与树脂混合制成成形用材料(半成品),然后再经压制、注射等成形操作获得。对热塑性塑料,习惯上把这种成形用材料叫做粒料;热固性塑料,叫做模塑料;对连续纤维增强塑料即复合材料,则称为预浸料。它们是由树脂制成塑料或复合材料制品的重要中间环节,其质量直接影响着成形工艺条件及产品的性能。本节简要介绍几种纤维增强半成品的制造方法。
一、纤维增强热塑性塑料粒料的制造方法
纤维增强热塑性模塑料是粒状形式的半成品,适宜高效率的注射模塑成形。制造纤维增强粒料的工艺方法很多,其目的是将体积庞大、结构松散的玻璃纤维加到基体树脂中去,形成均匀分散的粒状材料。热塑性增强粒料有长纤维型和短纤维型两种。
长纤维型粒料一般采用电缆包覆法制造,其工艺流程如图13-2所示。玻纤粗纱通过十字形挤出机头(或在聚合釜出料口安装包覆机头),被熔融树脂包覆,经冷却、牵引、切粒而成。长纤维粒料,由于树脂包覆差,纤维分布不均匀,粒料硬度不高,仅适宜于螺杆式注射机成形。在成形时依靠螺杆的混合作用,使纤维均匀地分散于树脂之中。
市售长纤维粒料有三种截面结构形式,如图13-3所示,(a)玻璃纤维成一大束包于粒子中,包覆不紧,切粒时易拉毛,玻璃纤维易飞扬,注射成形时不利于玻璃纤维的均匀分散; (b)玻璃纤维成几小束分散于四周,虽然玻璃纤维分散了,但纤维过于靠近粒子周围边上,树脂包覆力不够,在切粒时也容易起毛,至使纤维飞扬;(c)玻璃纤维成几小束包于粒子中,是最理想的结构形成,玻璃纤维分散得好,且周围树脂较厚,粒子包覆较结实,因而粒子端面平整,玻璃纤维不易被拉毛及飞扬。
短纤维型增强粒料,是为解决高熔融粘度树脂的长纤维型粒料,因纤维在树脂中分散不好,易引起制品性能和外观不理想而产生的,所以也称分散型增强粒料。它是先将短切纤维和树脂初混合,再经螺杆挤出机混炼,纤维被折断,—,均匀地分散于树脂中,其工艺流程图如13-4所示。短纤维型粒料具有较好的成形加工性和表面平滑性,用柱塞式和螺杆式注射成形机均可成形。但由于纤维在造粒时磨损严重、长度短,制品强度不高。由于短纤维型粒料的加工流动性较好,它适合于制造壁薄和形状复杂的制品。
二、短纤维增强热固性模塑料的制造方法
纤维模塑料即短纤维预浸料,它是由树脂渍短纤维经过烘干制成,因通常用于模压工艺,故称之为模塑料。所用树脂主要是酚醛树脂,还有氨基树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、环氧树脂等。所用纤维主要是玻璃纤维,还有棉纤维、石棉、有机纤维、碳纤维等。根据不同的纤维和不同的树脂,其模塑料的制造方法也是多种多样的,但概括起来,最主要的制造方法有两大类,即:预混法和预浸法、挤出法。
预混法是将短纤维(如棉纤维、石棉纤维等)或切成10~50mm长的纤维(如玻璃纤维、合成纤维等)与一定量的胶液混合均匀,再经撕松、烘干而制成模塑料的工艺方法。一般为间断操作,其生产工艺流程如图13-5所示。这种模塑料的特点是:纤维较松散而无定向,流动性好,宜做形状复杂的小型模压