树脂基复合材料成型工艺读本全书
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1.3 纤维制品预浸料制备

1.3.1 溶液浸渍法

溶液浸渍法是把基体树脂各组分按规定的比例,溶解于低沸点溶剂中,使其成一定浓度的溶液,放入浸胶槽内,然后将纤维制品经浸胶槽浸渍黏度被严格控制的树脂胶液,通过刮胶装置和牵引装置控制胶布的树脂含量,在一定的温度下,经过一定时间的加热、烘干,使树脂由A阶转至B阶,从而得到所需的预浸料(胶布)。

1.3.1.1 浸胶设备

浸胶设备一般采用浸胶机。按浸胶机加热箱体结构形式分为立式和卧式两种。其主要机构组成有开卷、浸胶、干燥和收卷四部分。图1-34、图1-35分别为立式浸胶机实物图和工艺原理示意图。图1-36、图1-37分别为卧式浸胶机实物图和工艺原理示意图。

图1-34 立式浸胶机实物图

图1-35 立式浸胶机工艺原理示意图

1—开卷机构;2—储布系统;3—前牵引辊;4—胶量调节辊;5—浸胶槽;6—烘箱;7—溶剂处理;8—后牵引辊;9—放纸;10—收纸;11—放PE膜;12—收卷机构

图1-36 卧式浸胶机实物图

图1-37 卧式浸胶机工艺原理示意图

1—玻璃布卷;2—导向辊;3—牵引辊;4—上胶辊;5—热处理炉;6—抽风口;7—烘箱;8—浸胶槽

(1)开卷机构 开卷机构是由放置玻璃布的搁料架、为了调整玻璃布的张力在轴杠上安装的张紧轮和可以调节水平位置的机构组成。

(2)浸胶机构 胶槽和胶量调节辊构成浸胶机构。

①浸胶槽 浸胶槽一般为U形,胶液液面应浸没槽中的滚筒,一般纤维布要在胶槽里浸渍10~25s。为了在室温较低时不致使胶液黏度变大,保证玻璃布的浸透能力,胶槽装有通热水的夹套。

②胶量调节辊 胶量调节辊是由直径ϕ250~350mm的两个直径相等的滚筒组成,通过以计数表的数字显示滚筒间隙的大小来控制胶布的含胶量。滚筒的表面要求镀铬,粗糙度要达到±0.002mm的精度。滚筒的挤压形式有助于树脂对纤维布的渗透。

两个滚筒的两端设计两个调整座,调整座可以上下调节,带动上滚筒上下移动,调整上、下滚筒之间的间隙。设计的调整座包括底座、滑座、弹簧、夹紧螺母,底座上有两根立杆,都具有导向作用,滑座安装在两立杆上,在两根导向杆上各装一个弹簧,弹簧产生的弹力作用在调整座上分别是向下和向上的推力,从而在调整过程中调整座可以平稳地上下移动(见图1-38)。

图1-38 滚筒调整装置

1—调整座底座;2—调节螺母;3—调节杆;4,7—弹簧;5—导向杆;6—滑座;8—滚筒

③浸胶机构清洗

a.浸胶槽清洗 为了清洗方便,浸胶槽设计成悬挂式,底座配有四个轮子,可将浸胶槽轻松移开。每次使用时,将浸胶槽挂起,让浸胶辊浸入浸胶槽内,考虑到每次使用结束,应将浸胶槽内的树脂用光,浸胶槽底部设计比浸胶辊不要太宽,浸胶槽的底部内边缘与浸胶辊之间的间隙不超过20mm,保证纤维布可将浸胶槽里的树脂带走(见图1-39)。

图1-39 活动浸胶槽

1—滚轮;2—挂钩;3—浸胶辊;4—胶槽

b.胶辊清洗 为了清洗方便,胶辊可以拆下清理。考虑到所有胶辊工作时都要转动和在拆装时的滑动,在所有胶辊的两端设计用尺寸公差控制精确的聚四氟乙烯作衬套,保证胶辊安装后的位置精度。为了安装方便设计了一端是固定轴座,一端是活动插销,安装胶辊时,先把胶辊放到主架上,将一端推入固定轴座里,另一端用一个锥度插销,从主架外插入胶辊中(见图1-40),不仅可以固定胶辊,还可以将胶辊从主架上提起,使得胶辊在工作时不磨损。固定轴安装在轴承座内,其外端安装了皮带轮,除浸胶辊以外的所有胶辊均由同一电机减速机用一根环形皮带带动转动,以使得所有胶辊同步转动。

图1-40 胶辊安装结构

1—转把插销;2—插销座衬套;3—插销座;4—胶辊插销衬套;5—结构;6—传动销;7—固定座衬套;8—主架;9—固定轴承座;10—传动带轮

(3)烘箱

①立式烘箱 烘箱是一个垂直的由角铁做成的构架,包以铁皮并在外面包绝热层,以减少热量的损失。烘箱高度约10~14m,中间安装加热蒸汽管道,加热排管的表面温度约160~170℃,烘箱下部温度较低,上部较高,一般烘箱中的温度分3段:底部60~80℃,中部80~100℃,上部100~140℃。胶布的干燥速度取决于烘箱中的温度和空气流动的速度。但是温度差和温度上升的速度则有一定的极限,以保证胶布一定的质量指标和溶剂一定的防爆浓度。当温度上升太快、热空气供给太快时,温度超过140℃,胶布表面很快硬化,内部溶剂不易挥发出去,往往会产生胀大和鼓泡现象,所以烘箱温度不宜太高,通常不超过150℃。

②卧式烘箱 箱体长不小于10m,最长达16~20m。由于箱体内壁辐射热的影响,如胶布离内壁太近,因受热不均而导致沿布幅的质量指标不均匀,一般玻璃布宽度为1m,箱体内宽要不少于1.7m。箱体要有适当的高度,以便提供蒸汽加热管的排布或电热管的安装以及排气通风设备安装所需要的空间。烘箱可采用型钢骨架,薄钢板作密封保温板,用保温材料作夹层,箱体两端留有胶布进出口操作门。下部装有鼓风机循环热风。布面风速为3~4m/s,上部装有排气罩。支撑胶布的托辊装在箱体两端进出口处,因胶布自重而使它在箱体内向下悬垂,采用热风循环后,可将胶布向上顶托,减少胶布向下悬垂的现象。箱体内散热排管比托辊低60~70cm。箱体两端装有绳轮并套上钢丝绳供开车时玻璃布穿过箱体用。

烘箱加热温度应根据工艺要求,分进口、出口、中间三阶段,分别加以控制和调节。烘箱可以采用蒸汽加热、电阻加热、红外线辐射、高频、电子射线加热等方式。以蒸汽和电阻加热为常用。蒸汽加热,箱体内热场均匀,不出现局部过热,有利于稳定胶布质量。但使用蒸汽加热要注意经常排除冷凝气体和冷凝水,以免影响传热效果。采用蒸汽加热,冷凝管排布方式有列管式和蛇管式两种。蛇管式安装形式有并联和串联,通常用串联方式。电阻加热优点是升温速度快,容易控制和调节,温度精度较高。通常采用电热管加热。

(4)收卷机构

①浸胶机采用机械传动装置,它是由整流子电机或直流电子驱动减速器,再通过传动轴带动涂胶辊和收料辊转动。传动过程要求涂胶辊和收料辊的线速度相同,但由于机械加工上的误差和长期使用的磨损,它们的线速度会有差异,因此,必须通过调速器来调节线速度,使其达到同步。胶布的线速度为3~9m/min。

②收卷辊的旋转设计由气动马达驱动。收卷辊与气动马达由三角带传递转动,由4个托轮将收卷辊的轴托起,且在收卷辊轴的一端安装一个皮带轮可带动其转动,收卷辊轴的另一端可方便安装两个能够锁紧在轴上的胀塞,可以将卷绕浸过胶的纤维布纸筒张紧,并与轴一同转动;为了保证收卷辊在转动的过程中不作轴向窜动,在收卷辊轴安装皮带轮的一端设计了两个防窜凸台(见图1-41)。

图1-41 收卷辊

1—收卷轴;2—主架;3—胀塞;4—纤维布辊;5—托轮;6—皮带轮

另外设计了弹簧插销式皮带张紧架,可快速将皮带张紧(见图1-42)。压轮与转动把手安装成一体,压轮压紧皮带,跟随皮带转动,减少皮带磨损;转动把手由一转销将其固定在固定插板上,转动把手带动压轮转动;固定插板安装在主架上;弹簧插销固定在转动把手上,拉起插销可将插销从孔中拔出,转动把手到合适位置(压紧皮带或放松皮带),松开插销,插销插入孔内,转动把手被固定。

图1-42 皮带张紧调节器

1—皮带;2—主架;3—压轮转动把手;4—固定插板;5—弹簧插销;6—压轮

1.3.1.2 环氧树脂胶布

(1)层压板环氧树脂胶布

①增强材料

a.平纹布 平纹布的每一根经纱和纬纱都从一根纱下穿过并压在另一根纱上。这种布挺括不易变形,因此适用于制造型面曲线简单的玻璃钢制品,特别是层压玻璃钢。环氧层压制品常用的是平纹布,厚度为0.1mm、0.14mm、0.16mm和0.3mm。

b.单向布 这种布在一个方向上(一般是经向)单位宽度内采用较多的纱,而在另一方向(纬向)单位宽度内采用较少的纱,因此经向的强度比纬向的强度大得多,根据所制玻璃钢制品要求,可预先确定经纬强度之比如4∶1、7∶1等。

②环氧树脂胶液组成及配制

a.环氧树脂胶液组成

ⅰ.环氧树脂 用作预浸料的环氧树脂一般采用中等分子量的,这种树脂的特点是强度高、耐化学腐蚀、尺寸稳定性好、吸水率低。如双酚A环氧,有E-51、E-44、E-20和E-14;线型酚醛环氧树脂,有F-51、F-44、F-48;阻燃型环氧树脂,有EX-13、EX-20、EX-40、EX-48;脂环族环氧树脂(耐候性和耐漏电起痕性好)。

河北麦格尼菲复合材料股份有限公司生产的适用于预浸料的环氧树脂及其浇铸体的性能见表1-47和表1-48。

表1-47 环氧树脂性能

①该公司2015年复合材料展览会产品说明书。

表1-48 浇铸体性能

①该公司2015年复合材料展览会产品说明书。

采用纯环氧树脂用双氰胺固化剂的玻璃布层压板具有高机电特性,国产牌号为EPGC-1及EPGC-3(或称G-10、G-11),它们均用于航空、航天的电工产品中。

ⅱ.固化剂 一般采用酚醛树脂预聚物、双氰胺、二氨基二苯基甲烷、二氨基二苯基砜、BF3·乙胺、甲基四氢苯酐、六氢苯酐、甲基六氢苯酐、甲基纳迪克酸酐等。

ⅲ.促进剂 苄基二甲胺、三乙醇胺、2-甲基咪唑、苄基三乙基氯化铵及DMP-30等。

ⅳ.溶剂 甲苯、乙醇、丙酮、二甲苯、二甲基乙酰胺或甲苯乙醇复合溶剂等。

ⅴ.脱模剂 内脱模剂环氧酚醛树脂常采用亚麻油酸,纯环氧树脂常采用硬脂酸锌、硬脂酸钙以及褐煤蜡,含有内脱模剂的胶布供与模板相接触层使用;外脱模剂有褐煤蜡和硅脂等,涂在模板与胶布接触的表面,以保证压制固化成型的产品不粘模板而顺利脱模,获得光亮平滑的表面。

b.胶液配制

ⅰ. FR-4树脂胶液

(ⅰ)二甲基甲酰胺和乙二醇甲醚,搅拌混合,配成混合溶剂。

(ⅱ)加入双氰胺,搅拌溶解。

(ⅲ)加入环氧树脂,搅拌混合。

(ⅳ)2-甲基咪唑预先溶于适量的二甲基甲酰胺,然后加到上述物料中,继续充分搅拌。 

(ⅴ)停放(熟化)8h后,取样检测有关的技术要求:固含量65%~70%;凝胶时间(171℃)200~250s。

ⅱ.环氧酚醛胶液 双酚A环氧树脂与各种酚醛型树脂复合的玻璃布层压板,其机电性能良好,防潮防霉性能好,缺点是热态强度不足,仅作B级绝缘材料。配方举例见表1-49。

表1-49 环氧热塑性酚醛胶液配方(质量比)

要求阻燃性能的玻璃布层压板则采用溴化环氧树脂与双酚A环氧树脂复配;在环氧树脂内加入20%~40%的线型酚醛树脂,其固化物交联密度高,耐热、耐湿性能好,常用来制造F级玻璃布板。

要求具有良好的耐候性和耐漏电起痕性的环氧玻璃布层压板常采用脂环族环氧树脂和六氢邻苯二甲酸酐固化剂;要求耐辐照的环氧层压板常采用高纯度双酚A环氧树脂和甲基纳迪克酸酐固化剂。

③浸胶工艺 玻纤布开卷后,经导向辊,进入胶槽。浸胶后通过挤胶辊,控制树脂含量,然后进入烘箱。经过烘箱期间,去除溶剂等挥发物,同时使树脂处于半固化状态。出烘箱后,按尺寸要求进行剪切,并整齐地叠放在储料架上。调节挤胶辊的间隙以控制树脂含量。调节烘箱各温区的温度、风量和车速控制凝胶时间和挥发物含量。

a.胶液黏度 胶液黏度可直接影响织物的浸渍能力和胶层厚度,若胶液黏度太大,纤维织物不易浸透;黏度过小,会导致胶布胶含量太低。

b.浸渍时间 一般为15~30s。时间过长则影响生产效率,过短则导致胶布未浸透和胶含量不够。

c.张力控制 在浸胶过程中,纤维织物所受张力大小和均匀性会影响胶布的含胶量与均匀性,因此在浸胶过程中,应严格控制纤维织物所受的张力及其均匀性。

d.浸胶布的烘干温度及时间 纤维织物浸胶后,必须进行干燥处理,除去预浸料中的溶剂、挥发物,同时使环氧树脂预聚体进一步聚合。预浸料的干燥方法一般是采用烘箱烘干,其性能主要是可溶性树脂含量和物料的流动性。

各种环氧胶布的浸渍工艺参数见表1-50。

表1-50 各种环氧胶布的浸渍工艺参数

(2)层压管环氧树脂胶布

①树脂胶液配方

配方1 E-44环氧树脂∶热固性酚醛树脂(质量比)=(7~6)∶(3~4)。

配方2 E-20环氧树脂甲苯溶液∶热固性酚醛树脂乙醇溶液(质量比)=70∶30,胶液固体含量控制在(65±2)%。

配方3 纯环氧树脂。

配方4 阻燃环氧树脂。

配方5 耐热环氧树脂。

②增强材料 卷管工艺一般均用平纹布或人字纹布,不用斜纹布,因为斜纹布容易变形,给浸胶工艺和卷管工艺带来很大不便。

(3)层压棒环氧酚醛胶布 通常采用0.1mm无碱玻璃布,环氧酚醛树脂,预浸料的树脂含量为35%~40%,可溶性树脂含量≥90%,挥发物含量≤1%。

1.3.1.3 酚醛树脂胶布

(1)增强材料

①平纹布 与环氧树脂胶布的增强材料相同。

②高硅氧纤维布和石英纤维布 高硅氧织物和石英纤维织物耐高温、绝缘和耐烧蚀性能好。

(2)基体树脂

①氨酚醛树脂(616酚醛树脂)。

②钡酚醛树脂(低压成型酚醛树脂) 钡酚醛树脂的特点是黏度小,固化速度快,经过一定的预浸渍条件处理后,固化时放出的低分子物少,适合于低压成型。

(3)浸胶工艺 常用立式浸胶机,浸胶工艺条件见表1-51。

表1-51 胶布浸胶工艺条件

(4)胶布质量指标 各种酚醛树脂的胶布的质量指标见表1-52。

表1-52 各种酚醛树脂的胶布的质量指标

1.3.1.4 环氧树脂覆铜板胶布

覆铜箔板是制造印刷线路板最重要的材料,玻璃布增强覆铜箔板如FR-4、FR-5品种已成为目前应用于电子计算机、通信设备、仪器仪表等电子产品中印刷线路板的主流,其中FR-4品种在环氧树脂覆铜箔板产量中占90%左右,美国电气工程学会环氧树脂覆铜箔板的主要型号标准及产品特性见表1-53。

表1-53 美国电气工程学会(NEMA)环氧树脂覆铜箔板的主要型号标准及产品特性

国外及国内某些外企在生产环氧覆铜箔基板时还说明了其基体树脂的玻璃化温度(Tg)以示耐热性能,按Tg分等级有140℃、150℃、175℃、180℃和200℃。新型覆铜箔基板Tg分类见表1-54。

表1-54 新型覆铜箔基板的Tg分类

①PCL-GH-180采用聚苯醚和环氧树脂复合。

②PCL-LD-621采用双马来酰亚胺三嗪和环氧树脂复合。

(1)印制版用E玻璃纤维布

(2)铜箔 覆铜箔层压板的铜箔是电解铜箔,供玻璃布基覆铜箔层压板用的是粗化铜箔,铜箔的厚度分别为0.18μm、0.35μm及0.50μm,常用的是0.35μm,其性能指标见表1-55。

表1-55 电解铜箔技术指标

(3)铜箔胶 常用的是聚乙烯醇缩醛胶,也有用丙烯酸胶。

(4)环氧树脂技术指标 环氧树脂覆铜板FR-4的主要原料为溴化环氧树脂,其技术指标见表1-56。

表1-56 溴化环氧树脂技术指标

(5)环氧树脂胶液配方 以大量生产的FR-4(EPGC-32F)和少量生产的FR-5的胶液配制为例(见表1-57)。

表1-57 阻燃环氧复合胶液的配比

若采用2-甲基咪唑,则加入量为0.05%~0.15%;溶剂也可选用二甲基甲酰胺∶乙二醇甲醚为1∶1的溶液。

胶液配制过程是先将双氰胺在二甲基甲酰胺中加热,溶解成均匀液体。通常按1∶9(质量比)相溶解,然后再使用。

将溶剂加入容器内搅拌,加入各种树脂,稍稍加热进行溶解,待溶解完全后再加入双氰胺及苄基二甲胺,充分搅拌均匀约1~2h后再放置,固化24h后使用。

测定胶液固体含量在60%~65%;凝胶时间为170℃下200~250s(试样为1g)。

环氧树脂胶液配方见表1-58。

表1-58 FR-4胶液典型配方

(6)预浸料的制备 采用0.18mm 7628无碱玻璃布供本体用,0.1mm 2116玻璃布作表面用,在立式上胶机上浸渍烘焙,制成预浸料,并按尺寸要求进行剪切,切片存放于储料架上。

1.3.1.5 热塑性塑料胶布

热塑性塑料浸胶是将热塑性塑料放于合适的溶剂中,配制成浸渍胶液,使其可以采用类似于热固性树脂的湿法浸渍技术进行浸渍,将溶剂除去后即得到浸渍良好的预浸料。这种工艺的优点是可以使纤维完全被树脂浸渍并获得良好的纤维分布,可采用传统的热固性树脂的设备和类似的浸渍工艺。缺点是成本较高并造成环境污染,残留溶剂很难完全除去,影响制品性能,只适用于可溶聚合物,而这类聚合物自然由于耐溶剂性差而应用受到限制。

(1)聚四氟乙烯塑料胶布(PTFE玻璃漆布) PTFE分散液:相对密度1.5,黏度(25℃)10~30mPa·s,pH值9~10,固含量60%。用蒸馏水作稀释剂,将PTFE分散液配成45%~55%的浓度后浸渍玻璃布,玻璃布厚度有0.06mm、0.10mm、0.15mm、0.29mm几种。玻璃布连续经过3~4道的浸渍胶槽,边浸渍边干燥(干燥温度由下至上在70~200℃范围内),去掉水分和其他低分子化合物,然后把干燥好的浸渍胶布放入烧箱内烧结使PTFE树脂与玻璃纤维有较强的黏结力,烧结温度380~400℃,以一定的速度通过烧结区,使PTFE玻璃漆布达到表1-59所示的性能。

表1-59 PTFE玻璃漆布性能

(2)聚苯醚塑料胶布 将10%~18%聚苯醚的苯溶液浸渍玻璃布,玻璃布含胶量控制在(35±5)%,烘干温度为70~110℃。

1.3.2 热熔膜浸渍法

将树脂分别放到加热至成膜温度的上下平板上,调节刮刀与离型纸之间的间隙以满足预浸料树脂含量的要求,机器开动后,通过牵引辊使离型纸和纤维一起移动,上下纸上的胶膜将纤维夹在中间,通过压辊将熔融的树脂挤压进纤维中浸渍纤维,预浸料通过夹辊压实后,经过冷却板降温,最后收起上离型纸,将预浸料收卷存放。

1.3.2.1 玻璃纤维毡增强热塑性塑料(GMT)

玻璃纤维毡增强热塑性塑料,简称GMT(glass matreinforced thermoplastics),是目前国际上较为活跃的复合材料开发品种之一,广泛应用于汽车车身各部位,可替代传统的金属部件,减轻重量,降低成本。一般可以生产出片材半成品,然后直接加工成所需要的形状的产品。

(1)原材料

①玻璃纤维毡

a.玻璃纤维短切原丝毡

b.玻璃纤维针刺毡 用作增强聚丙烯的连续玻璃纤维针刺毡的面密度为330g/m2、700g/m2、950g/m2,纤维直径21μm。在组合增强的复合材料中,连续玻璃纤维的增强作用居于主导地位,随着所采用玻璃纤维毡面密度的增大,在材料厚度相同的情况下,材料中玻璃纤维含量将提高,根据复合规律,材料的力学性能均会得到明显的提高(见表1-60)。

表1-60 玻璃纤维毡的面密度对增强塑料力学性能的影响

②基体树脂 采用热熔胶制备预浸料的树脂必须满足以下三个基本要求:能在成膜温度下形成稳定的胶膜;具有一定的胶黏性,以便于预浸料的铺贴;熔融时的最低黏度不能太高,以便树脂浸渍纤维。

树脂成膜温度是控制成膜状况的重要因素,对于一个能成膜的树脂体系,当成膜温度较低时,树脂不易流动,难以制成较薄的均匀胶膜;而当成膜温度太高时,树脂黏度大大降低,树脂离开热源后不能将热源很快散去导致树脂在可以流动的状态下收缩,制出的胶膜厚薄不均,这样就无法保证预浸料树脂含量的均匀性。

生产玻璃纤维毡增强热塑性塑料(GMT)的方法是采用熔融浸渍法,即将玻璃纤维毡和塑料片叠合后,在加热加压下使塑料浸透玻璃纤维毡,排除气泡,冷却定型后定长切断制成GMT。玻璃纤维毡增强热塑性塑料(GMT)工艺过程如图1-43所示。

图1-43 玻璃纤维毡增强热塑性塑料(GMT)工艺过程示意图

1—玻璃纤维毡;2—塑料挤板机;3—加压带;4—加热加压装置;5—冷却设施;6—复合片材;7—切割器

最常用的热塑性树脂是聚丙烯,其次为热塑性聚酯PET和聚碳酸酯,其他如聚氯乙烯等也有使用。这一工艺具有适用性强、工艺及设备简单等优点;也存在纤维浸渍状态和分布不良、制品性能不高,需要高温、高压长时间成型,以及不能制造复杂形状和大型制品的缺点。干法生产热塑性SMC的树脂有聚丙烯、尼龙、聚氯乙烯等,但用量最多的还是聚丙烯。

(2)制品实例

①硅灰石和玻璃纤维毡增强聚丙烯 首先将KH-550处理的硅灰石与聚丙烯及其他组分按一定比例混合,用双螺杆挤出机挤出造粒。再将填充硅灰石的聚丙烯经片状口模挤出,并经三辊压延制得厚度为1mm左右的薄片,将3层聚丙烯薄片与2层玻璃纤维毡叠层铺放,在双钢带连续熔融浸渍设备上经加热、热压、冷却定型后得到GMT片材。

采用不同的聚丙烯树脂作为基体制得的硅灰石与连续玻璃纤维毡组合增强复合材料,其力学性能如表1-61所示(玻璃纤维毡的面密度为700g/m2,硅灰石含量为20%,MPP含量50%)。

表1-61 连续玻璃纤维毡增强聚丙烯的力学性能

Y1600、Y2600、Y3500为均聚的聚丙烯,分子链规整度较高,结晶度也较大,树脂的拉伸、弯曲强度及模量均高于共聚聚丙烯M700R,而后者的冲击韧性要高于前者。以均聚聚丙烯作为基体树脂制得的组合增强塑料,其拉伸、弯曲强度及模量均高于以共聚聚丙烯M700R为基体的增强塑料,而冲击强度则要低于后者。

不同玻纤毡增强聚丙烯片材性能见表1-62。

表1-62 不同含量玻纤毡增强聚丙烯片材的性能

②云母和玻璃纤维毡增强聚丙烯

a.配方组成(质量份) PP(Y1600均聚聚丙烯)55份;云母(粒径为0.127mm)40份;PP-g-MAH 5份;玻璃纤维体积含量12.5%;γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂等助剂适量。

b.制备工艺 经偶联剂处理的云母按配方比例与PP和其他助剂由双螺杆挤出机混炼造粒,干燥后挤出成膜,再经双辊压机压制成一定厚度的薄膜。而后使用双钢带压机通过熔融浸渍工艺将三层云母增强PP薄膜与两层玻璃纤维毡叠合在一起。最后由双钢带压机将叠层成型成片材。

c.相关性能 拉伸强度82.7MPa;拉伸模量6313MPa;弯曲强度148.3MPa;弯曲模量8200MPa;冲击强度574J/m。

③玻璃纤维毡增强PP树脂性能 市售部分产品的主要性能指标见表1-63。

表1-63 玻璃纤维毡增强PP树脂的主要性能指标

1.3.2.2 玻璃纤维毡增强环氧树脂

(1)环氧树脂固化体系 其配方见表1-64。

表1-64 环氧树脂热熔膜固化体系配方  单位:质量份

(2)树脂胶膜制备 将液体环氧树脂E-51倒入混合器,升温至90℃,在不断搅拌和恒温下,把经过打碎的固态环氧树脂CYD-011慢慢加入其中,直至固态树脂全部溶解并搅拌均匀。降低温度至70℃,加入固化剂和促进剂,搅拌使其均匀分散于树脂中,用刮刀法成膜。

1.3.2.3 聚丙烯单聚合物复合材料(PPSPCs)制备

(1)PP薄片的制备 在200℃和1MPa条件下,热压出两张厚度为0.5mm的无气泡薄片,以待备用。

(2)PP SPCs的制备 把两张制备好的PP薄片对称地放在聚四氟乙烯薄膜上,然后把放有PP薄片的聚四氟乙烯放入温度为200℃的高温热压机内,加热10min,使PP薄片充分熔融。然后将聚四氟乙烯薄膜和PP薄片一起迅速转到低温热压机内。在低温热压机内,熔融的PP薄片成了过冷熔体。此时,将PP纤维布放入其中一张PP薄片上,然后将聚四氟乙烯薄膜对折,将另一张PP薄片覆盖在PP纤维布上。在9MPa的压力下,热压10min制备PPSPCs。

复合材料的拉伸强度随加工温度升高而提高,在150℃树脂基体能够很好地渗透纤维布,复合材料的拉伸强度比没有增强的PP提高了5倍以上。

1.3.3 粉末浸渍法

这种方法所用设备为热压机,是将定量树脂粉末均匀地分布在热压板上,用增强纤维织物盖上树脂,放第二块热压板,加热到树脂的加工温度,使其熔融,慢慢施压,使树脂进入织物。为了改善浸渍,防止气泡形成,可以在真空下进行浸渍过程。要求提高效率,缩短预浸料的制造时间,可采用图1-44所示的专用模具,一次可以制造多片预浸料。该法制备预浸料为非连续过程,效率比较低,只适用于研制和小批量生产。

图1-44 粉末浸渍法制备预浸料示意图

1—热压机;2—加热板;3—冷却板;4—模板;5—织物;6—真空室

1.3.4 纤维混编或混纺

纤维混编或混纺技术是将热塑性塑料制成纤维,再使其与增强纤维共同纺成混杂纱线或编织成适当形式的织物。在物品成型过程中,树脂纤维受热熔化并浸渍增强纤维。该技术工艺简单,预浸料有柔性,易于铺层操作。但与膜层叠技术一样,在制品成型阶段,需要足够高的温度、压力及足够长的时间,且浸渍难以完成。同时,树脂基体能制成纤维或能劈分的薄膜是实现这种工艺技术的先决条件。

PEEK柔性预浸料以碳纤维丝束为经纱,以PEEK丝束为纬纱,采用共编织方法编织成平纹布(见图1-45)。平纹布里碳纤维体积分数控制在50%~62%,T300/PEEK预浸料的典型规格见表1-65。

图1-45 PEEK/碳纤维混编平纹布示意图

表1-65 T300/PEEK柔性混编预浸料的典型规格