复合材料-拉挤成型工艺-(综合版改)

复合材料拉挤成型工艺——纺硕1205班柴寅芳、丁倩、刘冰、刘小梅、戎佳琦、王卷1拉挤成型定义拉挤成型是指玻璃纤维粗纱或其织物在外力牵引（外力拉拔和挤压模塑）下，经过浸胶、挤压成型、加热固化、定长切割，连续生产长度不限的玻璃钢线型制品的一种方法。这种工艺最适于生产各种断面形状的型材，如棒、管、实体型（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片）等。2拉挤成型的特点2.1优点：1)典型拉挤速度0.5-2m/min，效率高，适于批量生产，制造长尺寸制品；2)树脂含量可精确控制；3)主要用无捻粗纱增强，原材料成本低，多种增强材料组合使用，可调节制品力学性能；4)拉挤制品中纤维含量可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥连续纤维的力学性能，产品强度高；5)原材料利用率在95％以上，废品率低；6)制品纵、横向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要求。2.2缺点：1)不能利用非连续增强材料；2)产品形状单调，只能生产线形型材（非变截面制品），横向强度不高；3)模具费用较高；4)一般限于生产恒定横截面的制品。3拉挤成型所需的材料拉挤成型工艺中使用的材料包括树脂、增强材料、辅助材料等。3.1拉挤成型工艺所用树脂拉挤成型工艺要求所用的树脂黏度低，主要使用不饱和聚酯树脂和环氧树脂或改性环氧树脂。不饱和聚酯树脂用作拉挤的基本上是邻苯和间苯型。间苯型树脂有较好的力学性能、坚韧性、耐热性和耐腐蚀性能。目前国内使用的较多的是邻苯型，因其价格较间苯型有优势。环氧树脂和不饱和聚酯树脂相比，具有优良的力学性能、高介电性能、耐表面漏电、耐电弧，是优良绝缘材料。常用拉挤工艺用树脂如表1所示，树脂生产配方如表2和表3。表1拉挤工艺用树脂表2典型拉挤用不饱和聚酯树脂配方树脂196100份填料（轻质碳酸钙）5～15份脱模剂（硬脂酸锌）3～5份固化剂（过氧化物）1～3份低收缩剂（PVC树脂）5～15份颜料0.1～1份表3环氧树脂配方环氧树脂E-55100份脱模剂（硬脂酸锌）3～5份固化剂（590#）15～20份增韧剂10～15份稀释剂适量3.2拉挤成型工艺所用增强材料拉挤成型玻璃钢所用的纤维增强材料，主要是E玻璃纤维无捻粗纱居多，其优点是不产生悬垂现象，集束性好，易被树脂浸透，力学性能较高。根据制品需要也可选用C玻璃纤维、S玻璃纤维、T玻璃纤维、AR玻璃纤维等。此外，为了特殊用途制品的需要也可选用碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、维尼纶等合成纤维。为了提高中空制品的横向强度，还可采用连续纤维毡、布、带等作为增强材料。表4为拉挤成型工艺用增强材料。表4拉挤成型工艺用增强材料类型商品牌号制造厂家性能与应用聚酯粗纱Allied低模量，低性能，低成本玻璃粗纱E-玻璃Owens-Corning通用品级S-2玻璃463适用于环氧树脂，可改善剪切性能，降低成本S-2玻璃449高性能，适用于军品S-2玻璃425常用56股和113股粗纱，低悬垂度，分散性好，工艺性好S-2玻璃424，30型浸润性好，无悬垂度，常用113股和256股粗纱；分散性和拉伸性能好，仅适用于聚酯，加工条件苛刻时易断E-玻璃PPG通用品级有机纤维Kevlar-49DuPont轻质，用于航空、航天材料和军用材料，中等成本石墨布带ASHercules轻质，成本高于Kevlar纤维和玻璃纤维，用于刚性要求高的场合T300UnionCarbide与AS相同3.3拉挤成型工艺所需辅助材料3.3.1无机填料适当加入填料可提高树脂基体的耐热性，降低树脂收缩率，改善拉挤制品表面性能和降低成本。还可赋予拉挤制品阻燃、耐化学腐蚀或电绝缘等功能。常用的拉挤工艺用无机填料如表5所示。表5拉挤工艺用无机填料硅酸盐类碳酸盐类硫酸盐类氧化物类瓷土、高岭土、粘土、滑石粉、珍珠岩粉、云母粉碳酸钙硫酸钡硫酸钙水合氧化铝氧化铝沉积或气相二氧化硅石英粉3.3.2拉挤成型工艺所用内脱模剂表6拉挤成型工艺用内脱模剂商品牌号生产厂家性能与应用Orth162DuPont用于乙烯基酯树脂MoldWizPS-125AxelPlasticsResearchLab用于乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂MoldWizINT-54INT-EQ-6MWINT-1847用于乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂MoldWizINT-33P/A高分子缩聚产品，用于乙烯基酯树脂MoldWizINT-EQ-6高分子缩聚产品，用于乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂MWINT-1846液体，用于环氧树脂Synpron1301SyntheticProducts液体，用于乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂FX-9SpecialProducts用于乙烯基酯树脂ZelecNEDuPont糊料，用于不饱和聚酯树脂ZelecVN用于环氧树脂ZelecUN液体，用于不饱和聚酯树脂ZelecNK糊料，用于环氧树脂拉挤成型模剂如表6所示。另外还有引发剂、固化剂、着色剂等。4拉挤成型的应用进展及分类4.1热固性复合材料与热塑性复合材料的对比自上世纪80年代中期，人们对采用拉挤工艺制造连续纤维增强热塑性塑料复合材料（FRTP）产生了极大兴趣。下面详细介绍一下热固性复合材料与热塑性复合材料的对比分析。热固性复合材料：环境友好性差、加工周期长、难以回收。热塑性复合材料：优点是克服了热固型的缺点，具有更好的综合性能，如较强的柔韧性和抗冲击性能、良好的破坏能力、损伤容限高、可补塑、可焊接、生物相容性好、可回收、成型时无需固化反应、成型速度快、可以重复利用等；缺点是熔体黏度高、成型温度高、基体在室温下固态，需要精度控制冷却和熔体冷却时收缩率大，产品质量波动大等。从热固性基体拉挤成型转变到热塑性基体拉挤成型所遇到的关键问题主要包括：基体在室温下呈固态、在熔融温度下流动性差（黏度高）和熔体冷却时收缩率大等特点。4.2热塑性复合材料拉挤工艺分类由于热塑性树脂融体的黏度大，浸渍困难，因而改进研究工作的关键点集中在浸渍技术方面，而不同拉挤工艺的根本区别也就在浸渍方法和浸渍工艺的差异上。通常，根据浸渍技术可把热塑性复合材料拉挤工艺分为非反应型拉挤工艺和反应拉挤工艺两大类。从目前应用情况来看，非反应型工艺占主体，应用较为广泛，相对来讲也比较成熟。图1为2种不同的热塑性复合材料的拉挤工艺框图。图12种不同的热塑性塑料拉挤工艺框图4.2.1非反应型拉挤工艺4.2.1.1熔体浸渍浸渍方法一般是让均匀分散、预加张力的连续纤维束通过一连串轮系，使纤维在熔融树脂中充分浸渍。为提高浸透性，还通常加一定的压力，或混入低相对分子质量同种类的改性组份(或增塑剂)等。该工艺目前已比较成熟，具有浸渍时纤维不易缠绕，且能加工一切可以熔融流动的塑料材料的优点。4.2.1.2溶剂浸渍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，制得低黏度的溶液，并以此浸渍纤维，然后将溶剂挥发、回收制得预浸料。该方法克服了热塑性树脂熔融黏度高的缺点，可以很好地浸渍纤维。该工艺也存在一些不足，如溶剂的蒸发和回收费用昂贵，且易污染环境；若溶剂清除不完全，在复合材料中常会形成气泡和孔隙。所以采用该方法进行加工的复合材料，在使用过程中其耐溶剂性会有一些影响。4.2.1.3粉末浸渍粉末浸渍制备技术是在硫化床中，通过静电作用将树脂细粉吸附于纤维束中纤维单丝的表面，然后加热使粉末熔结在纤维的表面，最后在成型过程中使纤维得以浸润。加工过程不受基体黏性的限制，高相对分子质量的聚合体可分布到纤维中。这种工艺纤维损伤少，聚合物无降解，具有成本低的潜在优势。适合于这热塑型复合材料拉挤工艺非反应型拉挤反应型拉挤熔体浸渍混杂无捻粗纱法粉末浸渍溶剂浸渍预聚体拉挤工艺原位拉挤工艺反应注射拉挤工艺种技术的树脂粉末直径以5～l0μm。4.2.1.4混杂无捻粗纱法该法是将热塑性树脂纺成纤维或薄膜带，然后根据含胶量的多少将一定比例的增强纤维和树脂纤维束紧密地合并成混纱，再通过一个高温密封浸渍区，将树脂纤维熔成基体。该法的优点是树脂含量易于控制，纤维能得到充分的浸润。4.2.2反应型拉挤工艺4.2.2.1预聚体拉挤工艺这种工艺所使用到的树脂是将单体和引发剂混合后再加热熔融，由于预聚体初始相对分子质量小、黏度低及流动性好，使得纤维与之一边浸润、一边反应，从而可达到理想的浸渍效果。这种工艺要求单体聚合速度快，反应需精确控制。该工艺适用于玻璃纤维、碳纤维、尼龙以及其他纤维增强的热塑性塑料的拉挤成型，树脂的适用范围较广。预聚体拉挤工艺流程如图2所示。图2预聚体拉挤工艺示意图4.2.2.2反应注射拉挤工艺与通常的拉挤工艺相比，反应注射(RIM)拉挤工艺的特点在于：拉挤过程中是将树脂组份直接注入树脂浸渍腔或拉挤模具入口处与增强材料浸渍，然后通过加热的模具成型，它实际上是将拉挤工艺与(RIM)模塑工艺结合起来，而形成的一种很有特色的工艺。RIM拉挤工艺过程中，树脂体系一般分成A、B两个组份，每一组份自身都不会反应。将树脂体系的A、B两组份预热后经计量泵送入树脂混合单元，充分混合后直接导八树脂浸渍腔或模具入口处浸渍增强材料，其中增强材料也经过预热，这样就保证了树脂浸渍在高温的条件下进行，这时树脂体系的黏度极低，因而对纤维浸透性极好；树脂组份的混合和使用同时进行，也不存在树脂使用期的问题，由于树脂混合单元邻近模具入口处，因此有可能采用快速固化的或者在常温下呈固态的树脂体系。RIM拉挤工艺如图3所示。图3RIM拉挤工艺示意图4.2.2.3原位拉挤工艺这种拉挤工艺实际与RIM工艺类似。不同的是，在线制备的树脂直接注入拉挤模具。5拉挤成型的工艺设备及工艺流程拉挤成型工艺形式很多，分类方法也很多。如间歇式和连续式，立体和卧式，湿法和干法，履带式牵引和加持式牵引，模内固化和模内凝胶模外固化，加热方式有电加热、红外加热、高频加热、微波加热或组合式加热等。首先讨论热固性塑料的拉挤成型方法的简单过程是：首先使碳纤维增强塑料（CF）连续经过树脂浸渍槽，然后通过加热成型、口模固化成为各种形状的型材或制品，生产过程简单、连续、适应性强，易于实现自动化，从而实现了快速、连续地生产碳纤维增强塑料制品的愿望。5.1热固性塑料拉挤成型工艺热固性塑料拉挤成型工艺过程如下流程所示，所使用的设备主要包括碳纤维供给装置、树脂浸渍槽、预成型装置，加热成型口摸，拉拔装置、切割装置等。纤维供给——纤维导向——树脂浸渍——预成型——拉挤成型——牵引——切割——拉挤成型制品。碳纤维储放在轴架上，由导引装置拉出，而后进入树脂浸渍槽进行树脂浸渍，也可直接进入口模，在口模内靠压力作用迫使树脂与纤维结台。前一种方法碳纤维的浸渍比较完全，生产线速度快，成本低，产品厚度不受限制；后一种方法的优点是碳纤维易于控制，产品的表面光洁度好。碳纤维浸渍树脂后进入预成型口模，使其排列整齐，溢出过剩的树脂。继而，浸渍的碳纤维进入加热口模固化成型，再经拉拔装置牵引，按需切割成最终的型材或制品。5.1.1碳纤维的供给、排列与浸渍置于轴架上的连续碳纤维通过导向和排列装置引出，送至树脂浸渍单元，导向装置的设计要求是使碳纤维从轴架到口模保持平直，对所有纤维束施加的力相等，避免因纤维束问张力的变化导致拉挤制品扭曲变形。浸渍操作中，首先在树脂浸渍槽中精确地量入热固性树脂和固化剂等，以后要保证投料速度与消耗速度相等。在整个浸渍过程中，纤维润湿要完全，不应存在干纤维，干纤维的存在会导致拉挤物产生缺陷。控制碳纤维润湿程度的一个重要工艺参数是树脂体系的粘度，该粘度称为初始粘度(μ)，μ的大小不仅与树脂本身有关，而且与添加剂、温度等有关。除初始粘度外，碳纤维浸润效果还与浸润时间(t)、浸润时树脂的温度(T)和浸渍槽中碳纤维的工作状态(ω)有关。一般来说，给定了初始粘度，碳纤维工作状态正常(导向装置使纤维排列整齐)，浸渍时间延长(生产线速度慢或浸渍槽较大)，树脂温度升高，均可改善纤维浸润程度。从理论上讲，在工作温度下，树脂体系的粘度应控制在0.2～1.2Pa·s范围内,超过1.2Pa·s时，在预成型口模内会产生粘性拖拽，进入成型口模后所产生的压力会损伤碳纤维。相反，当初始粘度小千0.2Pa·s时，碳纤维到达口