聚合物基复合材料制备和加工

压力袋压法
• 热压罐法相当于将真空袋压法的抽气、加热及 加压固化放在压力罐中进行。 • 一般热压罐是圆筒形的压力容器，可以产生几 个大气压。 • 加热和加压：整个固化工艺的全过程。 • 抽真空：为了除去多余树脂及挥发性物质，只 是在某一段时间内才需要。
热压罐法
• 用热压罐法制成的纤维复合材料制品， 具有孔隙率低，增强纤维填充量大，致 密性好，尺寸稳定、准确、性能优异， 适应性强等优点， • 但该方法也存在着生产周期长，效率低、 袋材料昂贵，制件尺寸受热压罐体积限 制等缺点。因而该法主要用于制造航空， 航天领域的高性能复合材料结构件。
4.4.2.2 预混料的制造
预混料中常用的是片状模塑料(即SMC) ， 是一类可直接进行模压成型而不需要事先进 行固化、干燥等其它工序的一类纤维增强热 固性(通常为不饱和聚酯材料)模塑料。 SMC是树脂糊浸渍短切玻璃纤维粗纱或玻璃 纤维毡，并在两面用聚乙烯包覆起来形成的 片状模压成型材料。 树脂糊用不饱和聚脂树脂、增稠剂、引发剂、 交联剂、低收缩添加剂、辅料、内脱模剂、 着色剂等混合成。
另一种闭模成型工艺：树脂传递成型为 Resin Transfer Modeling（RTM）。 将液态热固性树脂(通常为不饱和聚配)及固 化剂，注入事先铺有玻璃纤维增强材料的 密封模内、经固化、脱模、后加工而成制 品。
• RTM工艺生产的制品两面光滑、尺寸稳 定、容易组合；制造模具时间短(一般仅 需几周)。可在短期内投产；对树脂和填 料的适用性广泛；生产周期短，劳动强 度低，原材料损耗少；产品后加工量少。 • RTM工艺可以生产高性能、尺寸较大、 高综合度、数量中等到大量的产品，是 一种很有前途的工艺方法。
③固化。使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，并能达到预计的性能要求。
• 预浸料通常是指定向排列的连续纤维(单 向、织物)等浸渍树脂后所形成的厚度均 匀的薄片状半成品。
• 预混料是指由不连续纤维浸渍树脂或与 树脂混合后所形成的较厚的片状、团状 或粒状半成品。
(2)喷射成型
喷射成型是从手糊成型开发出的一种半 机械化成型技术，主要革新是使用一台 喷射设备。 将不饱和聚酯树脂从喷枪喷出，同时将 纤维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。
• 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。
(3)袋压成型
袋压成型是最早及最广泛用于预浸料成 型的工艺之一。将纤维预制件铺放在模 具中，盖上柔软的隔离膜，在热压下固 化，经过所需的固化周期后，材料形成 具有一定结构的构件。 袋压成型可分为三种：真空袋压成型、 压力袋压成型和热压罐成型。
真空袋压法
由于真空袋压法产生的压力小，只适于强 度和密度受压力影响小的树脂体系如环氧 树脂等。 对于酚醛树脂等，固化时有低分子物逸出， 利用此方法难以获得结构致密的制品。 如果向真空袋内通入压缩空气或氮气等对 预制件进行加压固化，则真空袋压法就成 为压力袋压法。
• 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。
• 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。 • 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。
图 片状模塑料的工艺
4.4.2.3 成型工艺
(1)手糊成型 (3)袋压成型 (5)缠绕成型 (2)喷射成型 (4)模压成型 (6)拉挤成型
(1)手糊成型
• 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。
图 手糊成型工艺
为便于在固化前排除多余的树脂和从模 具上取下制品，预先应在模具上涂覆脱 膜剂。脱膜剂的种类很多，石蜡、黄油、 甲基硅油、聚乙烯醇水溶液以及玻璃纸、 聚乙烯或聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜等 都可作为脱膜剂使用。
拉挤成型的最大特点是连续成型，制品 长度不受限制，力学性能尤其是纵向力 学性能突出，结构效率高，制造成本 较 低，自动化程度高，制品性能稳定。
(5)缠绕成型
缠绕成型是一种将浸渍了树脂的纱或丝 束缠绕在回转芯模上、常压下在室温或 较高温度下固化成型的一种复合材料制 造工艺，是一种生产各种尺寸回转体的 简单有效的方法。
图 缠绕成型
• 所用的主要工艺设备是纤维缠绕机，有 卧式螺旋缠绕机、立式平面缠绕机和球 形容器缠绕机等。 • 基本型卧式缠绕机主要由芯模旋转系统 和带动绕丝头平行于芯模轴线往复运动 的“小车” 两部分组成。三轴以上称为 多轴机。
• 增强材料在芯模表面上的铺放形式称为 缠绕线型。主要有螺旋缠绕、平面缠绕 （极缠绕）和环向缠绕三种线型。
螺旋缠绕：芯模绕自轴匀速转动，导 丝头以特定速度沿芯模轴线方向往复 运动的缠绕方式称螺旋缠绕。
纱片
导丝头在固定平面内做 匀速圆周运动，芯模绕 自轴慢速旋转，导丝头 转一周，芯模转动的微 小角度近似一个纱片宽 度，这种缠绕方法称为 平面缠绕。
(4)模压成型
混合物 金属对模 闭模
加热
压力
形成模制品
加热
热固性
冷却
交联固化 脱模 硬化
热塑性
图 模压成型
• 优点：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，无需有损制品性能的二次加工， 制品外观及尺寸的重复性好，容易实现 机械化和自动化等。 • 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。
4.4.2.1 预浸料的制造
• 热固性预浸料的组成简单，通常仅由连 续纤维或织物及树脂(包括固化剂)组成， 除持殊用途外，一般不加其它填料。 根据浸渍设备不同： 轮鼓缠绕法和陈列排铺法； 根据浸渍树脂状态不同： 湿法(溶液预浸法)和干法(热熔预浸法)。
轮鼓缠绕法
轮鼓缠绕法是一种间歇式的预浸料制造工艺， 其浸渍用树脂系统通常要加稀释剂以保证粘度 足够低，因而它是一种湿法工艺。
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。
手糊成型工艺缺点
①生产效率低，劳动强度大，劳动卫生条 件差。 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。
(6)拉挤成型
拉挤成型是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 成型模定型，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 制的复合材料型材的方法。
图 拉挤成型
• 拉挤设备种类很多，但基体原理和组成 大致相同，都是由基体浸渍装置、预成 型模、加热主成型模、牵引装置和切断 装置五部分组成。设备能力基本上以型 材横断面尺寸和牵引力表示。
2．树脂复合材料的成型比较方便。因为 树脂在固化前具有一定的流动性，纤维 很柔软，依靠模具容易制得要求的形状 和尺寸。
4.4.2聚合物基复合材料的制造技术
①预浸料/预混料的制造。预浸料或预混料 是一类PMC的半成品形式，它们是其它一 些制品制造工艺(如压力成型)的原材料。 ②成型。就是将预浸料根据产品的要求，铺 置成一定的形状，一般就是产品的形状。
4.4 聚合物基复合材料制备和加工
刘小英 龙岩学院
目录
4.4.1聚合基复合的制备工艺特点 4.4.2聚合物基复合材料的制造技术 4.4.2.1预浸料的制造 4.4.2.2预混料的制造 4.4.2.3成型工艺
4.4.1聚合基复合的制备工艺特点
1．材料的形成与制品的成型是同时完成 的，复合材料的生产过程也就是复合材 料制品的生产过程。
陈列排铺法
陈列排铺法是一种连续生产单向或织物 预浸料的制造工艺。 湿法 干法
干法：
喂丝架 无纬布
树脂槽
轧辊
卷带装置
干燥箱 预浸料
湿法： 熔融态树脂
导向辊 漏槽 刮刀
隔离纸
热鼓
胶膜
与纤维或织物叠合
浸渍纤维
辊压 冷却后收卷
热塑性预浸料及其制造方法
• 热塑性复合材料预浸料制造，按照树脂状态 不同，可分为预浸渍技术和后浸渍技术两大 类。
模芯
图 平面缠绕
封头 纱带
筒身
b
图
环向缠绕
芯模自转一周，导丝头近似移动一个纱片宽 度的缠绕，称环向缠绕。（只能缠绕直筒段）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 按基体浸渍状态，缠绕工艺分为湿法和 干法两种。 • 湿法缠绕：将增强材料浸渍基体和缠绕 成型相继连续进行；
• 干法缠绕：又称预浸带缠绕，为浸渍工 艺和缠绕成型分别进行。
• 纤维缠绕成型的主要特点是，能按性能 要求配置增强材料，结构效率高；自动 化成型，产品质量稳定，生产效率高。
• 预浸渍技术包括溶液预浸和熔融预浸两种， 其特点是，预浸料中树脂完全浸渍纤维。
• 后预浸技术包括膜层叠、粉末浸渍、纤维混 杂、纤维混编等，其特点是，预浸料中树脂 是以粉末、纤维、或包层等形式存在，对纤 维的完全浸渍要在复合材料成型过程中完成。
膜层叠：将增强剂与树脂交替铺层，在 高温高压下使树脂熔融并浸渍纤维。 粉末浸渍：将热塑性树脂制成微细粉末， 直接分散到纤维束中，热压熔融。 纤维混编可混纺技术：将基体先纺成纤 维，再与增强纤维共同纺成混杂纱线或 适当形式的织物。