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连续纤维增强热塑性复合材料生产工艺与装备的国内外发展现状
发布时间:2016-11-14 16:46:25   浏览次数:613

随着复合材料回收再利用问题日益受到关注,行业未来如何实施绿色化发展,成为事关行业能否成功转型,打开行业全新发展格局的首要问题。为此,欧美各国已经率先投入大量精力研究和发展热塑性复合材料,尤其是连续纤维增强热塑性复合材料。与短纤维增强热塑性复合材料、长纤维增强热塑性复合材料相比,连续纤维增强热塑性复合材料中,纤维形态连续,含量可高达60-70%,因此增强效果更好,制品性能大幅提升,应用领域可拓宽至广大军工及民用领域,市场前景广阔。

中国复合材料工业协会近年来也积极致力于国内热塑性复合材料的发展,在重点推广LFT-D等已基本实现技术装备国产化的成熟工艺基础上,通过赴外考察、资料整理等渠道,调研和跟踪国际国内在连续纤维增强热塑性复合材料的工艺与装备方面的最新研究与突破,现汇总整理如下:

一、连续纤维增强热塑性复合材料半成品生产工艺与装备

1、复合纱及其制品

复合纱,是以连续玻璃纤维和热塑性纤维为原料,经过特殊工艺复合加工而成。此外,还可以根据后续加工工艺的不同需求,制作成不同组织结构的复合纱织物制品。

复合纱及其制品,实质属于热塑性预浸料的一种,适宜拉挤、缠绕、模压、真空袋等各种成型工艺,可直接用来制备连续纤维增强热塑性复合材料,不需要添加额外的树脂。特点是:自身浸渍优良,玻纤分散均匀;制品纤维含量高,力学性能优异;成型工艺简单、周期短、生产效率高;生产环境清洁,可回收,绿色环保。目前,中国巨石集团已经成功研发并销售玻纤复合纱Compofil及其制品。此外,泰山玻纤、重庆国际等玻纤企业也已经或正在研发自己的复合纱产品,以满足连续纤维增强热塑性复合材料快速发展的需要。

2、热塑性预浸带/预浸卷材

热塑性预浸带,是通过干法或湿法工艺,将热塑性树脂涂浸在连续纤维束或织物上,成为单向或织物预浸带。具体的涂浸工艺包括:熔融法、溶液法、薄膜层迭法、粉末法等。

熔融法:该工艺主要通过加热,使热塑性树脂基材熔融,涂布于离型纸上,然后以压辊使树脂基材与增强纤维或织物混合。此法操作较容易,但须注意塑料基材的成膜性及高温流动特性。目前美国litzler公司已经量产热塑性预浸料生产设备,该设备幅宽可达1500毫米,由于独有的S型包裹技术,可以使设备生产速度达到30米每分钟。全球着名的剑杆织机生产商——德国道尼尔公司,在今年的JEC展会上也展出了其最新研制的展带预浸机,其可以将单束或多束玻纤纱进行展平,同时预浸热塑性树脂,制成热塑性预浸带。此外,瑞士Santex公司也已经最新研制了熔融法热塑性预浸带生产装备。

薄膜层迭法:该工艺是将热塑性树脂膜与增强纤维或织物规则层迭后,热压融浸。此法为熔融法的改良型,可以用较低的加工温度,但需较长的加工时间。目前,德国MEYER公司、英国Reliant公司,均有此项工艺与装备。

溶液法:该工艺是将热塑性树脂溶于特定溶剂中制备树脂溶液,再将增强纤维或织物浸入溶液,最后将溶剂去除。此法浸渍效果好,但存在溶剂选择、回收及人体安全性等弊端。目前,美国litzler公司拥有此项工艺与装备。

3、热塑性预浸板材

热塑性预浸板材,是利用热塑性预浸带多角度的铺放叠层后,层合而成,主要用于加工各类结构用热塑性复合材料部件。荷兰BOIKON公司今年在JEC展会上展出了其研制推出的热塑性铺带机,该装备可以根据需要,将热塑性预浸带进行0-90度不同方向的铺放,然后利用超声波焊接技术,制成不同厚度的热塑性预浸板材。

二、连续纤维增强热塑性复合材料制品成型工艺与装备

1、缠绕成型

利用热塑性复合纱或热塑性预浸带,在张力及温度作用下,按预定路径高速而准确的缠绕在转动的模芯上,固化成型。

德国EHA公司研发的连续纤维增强热塑性复合材料的缠绕工艺与装备生产线,以玻璃纤维与热塑纤维复合而成的复合纤维为原料,通过缠绕臂加热后,直接进行连续缠绕,3分钟即可完成一个车载气瓶的生产。该工艺与装备突破了很多技术难点,使连续纤维增强热塑性复合材料的一步法生产得以实现。

2、模压成型

将热塑性复合纱织物或热塑性预浸料裁切后,铺放叠层并放入模具,然后利用带有热源的压机进行加热加压固化而成。

德国KraussMaffei公司近年来研发了Fiberform成型工艺,也即热塑性预浸板材热压成型工艺,采用连续纤维增强热塑性预浸板材,通过红外加热软化后,直接模压成型,生产速度可达6-8/件。

3、拉挤成型

将热塑性复合纱或热塑性预浸带,通过加热的预定内腔型面的模具,迅速固化而制成型面各异的连续制品。此类工艺的关键,是模具的加热方式和加热效率。

文莱商涌源科技公司最新发明了模具表面加热技术——TECH HENRY。该技术特点是:热源由表面产生,并往内热传导。热源可控,加热快,时间短,同时可尽量减少模具厚度,减少热源浪费。具有节能、升温快、生产周期短等优点。因此,非常适合连续纤维增强热塑性复合材料的拉挤成型。此外,该模具也可以用于热塑性预浸板材的缠绕、模压成型工艺。

4、连续挤拉成型

将热塑性复合纱织物或热塑性预浸料,与热塑性树脂膜、其它增强片材或夹芯材料,进行铺层叠合,并通过加热加压,连续挤拉成板材制品。

瑞典sandvik公司是全球知名的双带压机连续片材装备供应商。近年来该公司根据客户需要,研发了热塑性复合材料连续挤拉成型生产装备,优化了进料、加热、加压、冷却等工艺过程,生产热塑性复合材料板材。目前国内已经有广州金发等多家企业采购并投入生产。

此外,德国HELD公司首创全球范围内第一个等压双带式压滤机;全球范围内第一个高压双带压机(提供100巴表面压力);全球范围内第一个高温双带压机(提供加热温度为400℃);全球范围内第一个等压高速双带压机(生产速度可达48/分钟)。该公司的双钢带压机生产线,采用高品质钢材并经特殊表面处理,在施加压力、温度均匀性、生产速度等方面,均具备潜在优势,可用于各种规格和种类的连续纤维增强热塑性板材的连续挤拉生产。

5、其它成型工艺

利用热塑性复合纱织物或热塑性预浸料,还可以采用热压罐或真空袋成型工艺。利用密闭空间的均匀温度场和空气压力,对复合纱织物或预浸料叠层毛坯施加温度和压力,完成固化成型。

结语

个人经验有限,以上汇总梳理难免有错漏之处。同时,作为一类新型成型工艺与装备,其仍在不断研发完善之中。但从人力社会和国民经济愈加注重可持续发展、纤维复合材料下游市场更加关注回收再利用问题的角度来讲,我们必须加大对热塑性复合材料,尤其是连续纤维增强热塑性复合材料的研究与发展力度。与此同时,荷兰腾卡特、中国杭州华聚等国际国内连续纤维增强热塑性复合材料制品生产企业的成功案例,也为我们转型热塑性复合材料发展,提供了榜样和经验。我们相信,在不久的将来,连续纤维增强热塑性复合材料的生产技术与装备将更加成熟和多样化,产品应用领域和市场规模也会越来越宽广!

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