聚合物基复合材料成型工艺

5.3 聚合物基复合材料的制备工艺
聚合物基复合材料的性能在纤维与树 脂体系确定后，主要决定于制备工艺。
制备工艺主要包括以下两个方面：
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一是成型，即将预浸料按产品的要求， 铺置成一定的形状，一般就是产品的形状;
二是固化，即把已铺置成一定形状的 叠层预浸料，在温度、时间和压力等因素 影响下使形状固定下来，并能达到预期的 性能要求。
最常用的树脂是在室温或稍高温度下即可 固化的不饱和聚酯等。
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喷射法使用的模具与手糊法类似， 而生产效率可提高数倍，劳动强度降低， 能够制作大尺寸制品。
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用喷射成型方法虽然可以制成复杂 形状的制品，但其厚度和纤维含量都较 难精确控制，树脂含量一般在60%以上， 孔隙率较高，制品强度较低，施工现场 污染和浪费较大。
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模压成型工艺缺点
模具设计制造复杂，压机及模具投资高， 制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量 大的中、小型制品。
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模压成型工艺已成为复合材料的重要 成型方法，在各种成型工艺中所占比例仅 次于手糊/喷射和连续成型，居第三位。
近年来随着专业化、自动化和生产效 率的提高，制品成本不断降低，使用范围 越来越广泛。
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金属对 模准备
模塑料、 颗粒树脂
短纤维
涂脱模剂
加热、加压
膜压成型 加热 冷却
固化
脱模
制品 检验 后处理
膜压成型工艺流程图
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模压成型工艺优点
模压成型工艺有较高的生产效率，制品尺寸 准确，表面光洁，多数结构复杂的制品可一次成 型，无需二次加工，制品外观及尺寸的重复性好， 容易实现机械化和自动化等。
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手糊成型工艺优点
①不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、 批量小、形状复杂产品的生产； ②设备简单、投资少、设备折旧费低。 ③工艺简单； ④易于满足产品设计要求，可以在产品不同 部位任意增补增强材料 ⑤制品树脂含量较高，耐腐蚀性好。
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手糊成型工艺缺点
① 生产效率低，劳动强度大 ②产品质量不易控制，性能稳定性不高。 ③产品力学性能较低。
(2)电工领域。主要用于高压电缆保护管、电 缆架、绝缘梯、绝缘杆、灯柱、变压器和电机的零 部件等。
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(3)建筑领域。主要用于门窗结构用型材、 桁架、桥梁、栏杆、支架、天花板吊架等。
(4)运输领域。主要用于卡车构架、冷藏车 箱、汽车笼板、刹车片、行李架、保险杆、船 舶甲板、电气火车轨道护板等。
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常用的芯模材料有石膏、石蜡、金 属或合金、塑料等，也可用水溶性高分 材料，如以聚烯醇作粘结剂制成芯模。
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连续纤维缠绕技术的优点
首先，纤维按预定要求排列的规整度和精度 高，通过改变纤维排布方式、数量，可以实现等 强度设计，因此，能在较大程度上发挥增强纤维 抗张性能优异的特点，
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其次，用连续纤维缠绕技术所制得 的成品，结构合理，比强度和比模量高， 质量比较稳定和生产效率较高等。
(5)运动娱乐领域。主要用于钓鱼杆、弓箭 杆、滑雪板、撑杆跳杆、曲辊球辊、活动游泳池 底板等。
(6)能源开发领域。主要用于太阳能收集器、 支架、风力发电机叶片和抽油杆等。
(7)航空航天领域。如宇宙飞船天线绝缘管， 飞船用电机零部件等。
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目前，随着科学和技术的不断发展，正向 着提高生产速度、热塑性和热固性树脂同时使 用的复合结构材料和方向发展。
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当不饱和聚酯树脂与玻璃纤维无捻粗纱 混合沉积到一定厚度时，用手辊滚压，使纤 维浸透树脂、压实并除去气泡，最后固化成 制品。
其具体工艺流程图如下：
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玻璃纤维无捻粗纱
脱模 模 具
聚酯树脂 加热
固化
切
喷
引发剂 静态混合
割 喷
射 成
辊压
枪
型
促进剂
喷射成型工艺流程图
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喷射成型对所用原材料有一定要求，例如 树脂体系的粘度应适中，容易喷射雾化、脱除 气泡和浸润纤维以及不带静电等。
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连续纤维缠绕技术的缺点
设备投资费用大，只有大批量生产时 才可能降低成本。
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连续纤维缠绕法适于制作承受一定 内压的中空型容器，如固体火箭发动机 壳体、导弹放热层和发射筒、压力容器、 大型贮罐、各种管材等。
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近年来发展起来的异型缠绕技术，可 以实现复杂横截面形状的回转体或断面呈 矩形、方形以及不规则形状容器的成型。
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利用纤维缠绕工艺制造压力容器时， 一般要求纤维具有较高的强度和模量， 容易被树脂浸润，纤维纱的张力均匀以 及缠绕时不起毛、不断头等。
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另外，在缠绕的时候，所使用的芯模应 有足够的强度和刚度，能够承受成型加工过 程中各种载荷（缠绕张力、固化时的热应力、 自重等），满足制品形状尺寸和精度要求以 及容易与固化制品分离等。
绕
成
型 纵、环向缠绕
工
艺
烘干
络纱
胶纱纱绽
干
张力控制
法 缠
绕 加热粘流 成
型
芯模
纵、环向缠绕
工 艺
固化
脱模
打模喷漆
成品
缠绕工艺流程图 38
利用连续纤维缠绕技术制作复合材料制品时， 有两种不同的方式可供选择：
一是将纤维或带状织物浸树脂后，再缠绕在芯 模上；
二是先将纤维或带状织物缠好后，再浸渍树脂。 目前普遍采用前者。
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利用喷射法可以制作大蓬车车身、 船体、广告模型、舞台道具、贮藏箱、 建筑构件、机器外罩、容器等。
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4. 拉挤成型工艺
拉挤成型工艺中，首先将浸渍过树脂 胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置 作用下通过成型模而定型；
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其次，在模中或固化炉中固化，制成具 有特定横截面形状和长度不受限制的复合材 料，如管材、棒材、槽型材、工字型材、方 型材等。
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模压制品主要用作结构件、连接件、防护件 和电气绝缘等，广泛应用于工业、农业、交通运 输、电气、化工、建筑、机械等领域。
由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导 弹、卫星上也都得到应用。
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3．喷射成型工艺
将分别混有促进剂和引发剂的不饱和聚 酯树脂从喷枪两侧（或在喷枪内混合）喷 出，同时将玻璃纤维无捻粗纱用切割机切 断并由喷枪中心喷出，与树脂一起均匀沉 积到模具上。
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然后，在一定压力作用下加热固化成 型（热压成型）或者利用树脂体系固化时 放出的热量固化成型（冷压成型），最后 脱模得到复合材料制品。其工艺流程如下 图所示：
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模具 准备
树脂胶 液配制
增强材 料准备
涂脱模剂
手糊成型
固化
脱模
手糊成型工艺流程图
制品 检验 后处理
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为了得到良好的脱模效果和理想 的制品，同时使用几种脱模剂，可以 发挥多种脱模剂的综合性能。
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③不需要或仅需要进行少量加工，生 产过程中树脂损耗少；
④制品的纵向和横向强度可任意调整， 以适应不同制品的使用要求，其长度可根 据需要定长切割。
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拉挤制品的主要应用领域
(1)耐腐蚀领域。主要用于上、下水装置，工 业废水处理设备、化工挡板及化工、石油、造纸和 冶金等工厂内的栏杆、楼梯、平台扶手等。
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缠绕机类似一部机床，纤维通过树脂槽后， 用轧辊除去纤维中多余的树脂。
为改善工艺性能和避免损伤纤维，可预先 在纤维表面徐覆一层半固化的基体树脂，或者 直接使用预浸料。
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纤维缠绕方式和角度可以通过机械传动或计 算机控制。
缠绕达到要求厚度后，根据所选用的树脂类 型，在室温或加热箱内固化、脱模便得到复合材 料制品。
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生产中采用的制备工艺
(1) 手糊成型
(2)喷射成型
(3)模压成型
(4)拉挤成型
(5)连续缠绕工艺
(6)树脂注射和树脂传递成型
(7)真空辅助注射成型
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(1)手糊成型工艺
手糊成型工艺是复合材料最早的一 种成型方法，也是一种最简单的方法， 其具体工艺过程如下：
4பைடு நூலகம்
首先，在模具上涂刷含有固化剂的树脂混 合物，再在其上铺贴一层按要求剪裁好的纤维 织物，用刷子、压辊或刮刀压挤织物，使其均 匀浸胶并排除气泡后，再涂刷树脂混合物和铺 贴第二层纤维织物，反复上述过程直至达到所 需厚度为止。
生产大型制品，改进产品外观质量和提高 产品的横向强度都将是拉挤成型工艺今后的发 展方向。
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5. 连续缠绕工艺
将浸过树脂胶液的连续纤维或布带，按照一 定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为增强塑 料制品的工艺过程，称为缠绕工艺。
缠绕工艺流程图如下图所示：
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胶液配制
纱团 集束 浸 胶
湿
法 缠
张力控制
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用作基体材料的树脂以热固性树脂为 主，要求树脂的粘度低和适用期长等。
大量使用的基体材料有不饱和聚酯树 脂和环氧树脂等。
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另外，以耐热性较好、熔体粘度较低的 热塑性树脂为基体的拉挤成型工艺也取得了 很大进展。
其拉挤成型的关键在于增强材料的浸渍。
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拉挤成型的优点
①生产效率高，易于实现自动化； ②制品中增强材料的含量一般为40％-80％，能够充分发挥增强材料的作用，制品 性能稳定可靠；
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一般情况下，只将预制品在成型模中加热到 预固化的程度，最后固化是在加热箱中完成的。
纤维
挤 胶
预 成
热
器型 模
拉 拢
切割
制品
树脂槽
卧式拉挤成型过程原理图
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拉挤成型过程中，要求增强纤维的强 度高、集束性好、不发生悬垂和容易被树 脂胶液浸润。
常用的增强纤维如玻璃纤维、芳香族 聚酰胺纤维、碳纤维以及金属纤维等。
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2．模压成型工艺
模压成型工艺是一种古老的技术，早在20世 纪初就出现了酚醛塑料模压成型。
模压成型是一种对热固性树脂和热塑性树脂 都适用的纤维复合材料成型方法。
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模压成型工艺过程
将定量的模塑料或颗粒状树脂与短纤维的混合 物放入敞开的金属对模中，闭模后加热使其熔化， 并在压力作用下充满模腔，形成与模腔相同形状的 模制品；再经加热使树脂进一步发生交联反应而固 化，或者冷却使热塑性树脂硬化，脱模后得到复合 材料制品。