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1、前言【1】

多年來樹脂基復合材料一直以熱固性樹脂基材料為主，并形成了龐大的產業。但熱固性樹脂基復合材料存在一些缺點，如韌性差、容易吸濕、環境適應性不佳、固化周期長、難以回收等，這些均使其發展受到一定影響。1956年美國Fiberfil公司首先用工業化生產玻纖增強尼龍，此后熱塑性樹脂基復合材料得到廣泛的研究和應用。熱塑性復合材料具有較高的斷裂韌性、耐化學藥品及耐水性、且熱成型性能好，生產率高、成型方法多、工藝簡單、生產周期短，并可多次加工，因此在工業、交通運輸、國防等領域的得到廣泛的應用。

在樹脂中加入纖維材料可以大大的提高整體的材料性能，纖維復合材料通過三種方式吸收外力：纖維拔出、纖維斷裂、樹脂斷裂。纖維長度增加則纖維拔出需消耗更多能量，故有利于沖擊強度的提高；復合材料中纖維的端部往往是裂紋增長的引發點，長纖維端部的數量小，也使沖擊強度提高；長纖維混料在充入模具時相互纏結、翻轉和彎曲，而不像短纖維混料那樣沿流動方向排列，因此，長纖維混料模塑制品與短纖維混料的同樣模塑制件相比，各向同性程度較高，平直度較好，翹曲較小，故尺寸穩定更好；長纖維比短纖維增強熱塑性塑料的熱變形溫度也有所提高。因此長纖維復合材料表現出比短纖維復合材料更佳的性能，可提高剛性、壓縮強度、彎曲強度、耐蠕變性。熱塑性復合材料分為長纖維增強型和短纖維增強型。

有研究人員對比了不同類型玻纖增強PA66的力學性能，從表中可以看出隨著纖維長度的上升，各項性能都有上升的趨勢。當然纖維長度并不是決定纖維復合材料性能的唯一因素，樹脂對纖維的浸漬狀況、纖維在基體中的分布以及纖維與基體的界面結合強度對復合材料的性能都存在重要的影響。

2、連續長纖維增強熱塑性復合材料預浸料的制備工藝【2】

目前國內對短纖維增強熱塑性復合材料研究較多，但對長纖維增強的研究較少，而對連續長纖維增強的研究就更少，這是因為長纖維增強熱塑性復合材料的成型方法受到一定的限制。

連續長纖維增強熱塑性復合材料制品的生產通常要經過兩個步驟：1、纖維預浸料的制備，2、成型加工。預浸料就是在連續長纖維的表面涂覆一層熱塑性樹脂并制得半成品，常用的連續長纖維和樹脂如下表。

因為熱塑性樹脂的熔體黏度都很大，對纖維的良好浸漬就比較困難，所以連續長纖維增強熱塑性復合材料的關鍵技術就是對連續長纖維的浸漬。為此研究人員開發出溶液浸漬法、熔體浸漬法、粉末浸漬法、薄膜疊層法、混編法等預浸料的制備工藝。

2.1、 溶液浸漬法

該方法通常選用合適溶劑，將樹脂溶解制得低粘度的溶液，浸漬纖維，然后將溶劑揮發制得預浸料。該方法克服了熱塑性樹脂熔融粘度高的缺點，可以很好的浸漬纖維。但該方法存在如下缺點：1、大多數熱塑性樹脂很難找到合適的溶劑；2、溶劑的蒸發和回收費用昂貴，還存在環境污染問題，且溶劑清除不完全，在復合材料中會形成氣泡和孔隙，影響制品的性能；3、如樹脂可以溶解，那么復合材料耐溶劑性能必然不好。

針對如上缺陷，科技人員開發出乳液，代替完全的溶液，對纖維進行浸漬。筆者使用水性聚氨酯乳液，對芳綸或高分子聚乙烯纖維進行浸漬，然后加熱使水分揮發得浸漬料。該法可用水為溶劑，無毒、安全性好，而且纖維選用較為廣泛。

2.2、熔融浸漬法

熔融浸漬法是把樹脂加熱融化，然后把纖維或織物直接浸在熔融液體的樹脂中制造預浸料。該法需要加熱，對纖維的耐熱性有一定要求，如高分子量聚乙烯纖維就無法使用。因為熔體粘度高，將樹脂壓入纖維很困難，實際是在一定的張力下將平行的絲束從樹脂熔體中拉過而浸漬纖維，為了得到很好的浸漬效果，熔體的粘度不能太高。熔融浸漬法由于工藝過程無溶劑，減少了環境污染，節省了材料，預浸料樹脂含量控制精度高，提高了產品質量和生產效率。早期的熔融浸漬法類似于線纜加工，在纖維表面包覆一層樹脂，但該法生產效率較低。

薄膜層疊法是將增強纖維長紗或織物，放置于兩層樹脂薄膜之間，然后在適當的溫度下是樹脂熔融、再在壓力作用下制成復合材料。用這種工藝制成的復合材料，由于熔融的熱塑樹脂粘度太高，控制不好就不能很好的浸漬織物或紗，影響其性能。

熱熔膠膜法是將樹脂放在加熱到成膜溫度的上下平板上，調節刮刀與離型紙間的縫隙來調節預浸料樹脂的量，開動機器，通過牽引輥使離型紙與纖維一起移動，上下紙的膠膜將纖維夾在中間，通過壓輥將熔融的樹脂嵌入到纖維中浸漬纖維，通過夾輥控制其厚度，經過冷卻板降溫，最后收起上紙，成品收卷。

2.2、 粉末浸漬

粉末浸漬工藝是通過不同方式將粉狀樹脂施加到增強材料上來制得預浸料的方法，根據工藝過程的不同及樹脂和增強體結合狀態的差異，工藝有所差異：1、懸浮液浸漬法，將樹脂粉末及其它添加劑配制成懸浮液，纖維長絲經過浸液槽中，在懸浮液中充分浸漬后，進入加熱爐中熔融、烘干。2、流化床浸漬法，纖維或織物通過一個有樹脂粉末的流化床，樹脂粉末懸浮于一股或多股氣流中，氣流在控制的壓力下穿過纖維，所帶的樹脂粉末沉積在纖維上，隨后經過熔融爐使樹脂熔化并粘附在纖維上的。

2.3、混編法

混編法是將纖維狀樹脂與增強纖維混編成一定形狀，如帶狀、空心狀、二維或三維等幾何形狀的織物，然后通過熱壓成型制備連續纖維增強熱塑性復合材料。該法利用現有紡織技術的高效和自動化，可以降低成本，并且復合材料成型只需對現成的織物進行加工，工藝大大簡化，同時編織物的纖維能保持平直狀態，得到的復合材料力學性能損失小。而且織物的柔順性和鋪覆性較好，適于制備形狀復雜的復合材料等。但也存在著很大的缺陷：如有的增強纖維沒有得到很好浸漬，甚至形成干纖維區；存在孔隙；纖維束或編織缺陷等。

3、 連續長纖維增強熱塑性復合材料的成型【3】

3.1、造粒注塑法

該方法是把熔融浸漬法得到的預浸料進行切料， 得到6-10mm的粒子。該粒子長度和其中纖維長度一致，纖維在樹脂中分布均勻，使材料具有高的抗沖擊強度和模量，翹曲減少，收縮率降低、尺寸穩定性增加，并提高產品的抗疲勞性。

該粒子可以通過注塑機加熱后注入模具，然后在模具內加熱加壓成型，根據熱塑性樹脂的類型和復合材料的產品形狀的不同需要調節溫度、壓力和時間等工藝參數。注塑法可以制備形狀復雜的產品，使應用的領域大為擴展。

3.2、模壓成型法

最簡單的模壓成型方法就是將得到的連續纖維增強熱塑性預浸料，多層進行疊合，疊合方法為相鄰兩層0/90°放置，然后在壓板中進行熱壓，得到板材、片材或其他簡單的形狀。該方法是制備板材、片材最常用的方法，為了提高工作效率，也可以利用雙輥、三輥壓延的方法進行模壓成型。

另外按模具大小裁切好預浸片材在加熱爐內加熱至高于樹脂熔化的溫度，然后送入壓模中，快速熱壓成型，冷卻得到制品。該法成型周期短，適用于厚度和密度變化大、有凸凹或弧度等形狀復雜的制品，也適用于制造有金屬預埋件的制品。該法能耗、生產費用均較低，而生產效率高。

3.3、 纏繞成型法

該法是在控制張力和預定線型的條件下，將連續的經加熱爐預熱后的預浸帶纏繞在相應的芯模上，纏繞的同時，加熱使樹脂熔融，以使預浸料逐層粘合成一體而成型。

3.4、 真空模塑成型

預浸料片材鋪放在模具中后，使片材密封于模具上，然后在模腔內抽真空，使片料鋪貼在模腔上后加熱模具至一定溫度，預浸料即在大氣壓力及高溫作用下成型，冷卻后脫模即得所需形狀的制品。

3.5、 拉擠成型法

該法是一種能夠經濟的連續生產復合材料的典型制造工藝。拉擠成型技術是制造高纖維含量、高性能、低成本復合材料的一種連續、自動化生產工藝。該法將長纖維經樹脂浸漬，再經過具有一定截面形狀的成型模具，并使之在模具內固化成型，然后將制品拉出模具的成型工藝。拉擠成型工藝有兩種：一種是預浸纖維拉擠成型工藝，即先用熱塑性樹脂浸漬纖維，制得預浸纖維，再用預浸纖維進行拉擠成型，經冷卻定型后，材料達到一定的硬度和強度，按需要定長切割；另一種是用纖維直接進行拉擠成型，使連續纖維經過纖維分配器進入模具，擠出機將熱塑性樹脂熔體注入模具內，纖維和熱塑性樹脂在模具內浸漬后成型出模，經冷卻定型，定長切割成制品。

拉擠成型工藝具有如下優點：如樹脂黏度可以隨時調節，纖維含量可高達80％；生產過程實現自動化控制，生產效率高；制品縱、橫向強度可任意調整，可滿足不同力學性能制品的要求；制品質量穩定，重復性好，長度可任意切斷；生產中無邊角廢料，產品不需后加工，故較其他工藝省工、省料、省能耗。

4、連續長纖維增強熱塑性復合材料的應用

連續長纖維增強熱塑性復合材料作為結構材料，可應用于工業、民用、軍工等各個領域，目前已在航空航天、汽車、電器設備、通訊、體育器械等多個領域得到應用。

4.1、 汽車工業、高鐵等【4-5】

“環保、節能、汽車輕量化”推動長纖維增強熱塑性復合材料制備、制件設計與應用快速發展。以聚丙烯（PP）為基體的長玻纖增強熱塑性復合材料在汽車工業終端制件中占有很大應用份額。有數據表明，有80％的長玻纖增強熱塑性復合材料需求來自汽車工業（零配件），目前已在歐洲品牌汽車中得到廣泛的應用。而汽車部件的高性能、多樣化的特殊要求，也使長纖維增強熱塑性復合材料對纖維、樹脂有更多的選擇。汽車上長纖維增強熱塑性復合材料使用部位有：前端模塊、儀表板、門模塊、車身、底板以及其他復雜形狀配件，既包括使用注塑工藝得到的復雜部件，也包括使用模塑得到的門窗、車身底板、儀表等，或者作為箱式貨車的車廂護板、頂棚等層壓板材。而在高檔汽車或跑車、賽車上碳纖維復合材料的使用也在增加，甚至出現全碳纖維復合材料的整車。

中國高鐵的發展對長纖維增強熱塑性復合材料有較多的需求，且不同部位要求的性能差異較大，也使高鐵長纖維增強熱塑性復合材料呈現豐富多彩的發展。

4.2、防護產品【6-7】

斯蒂芬妮·克沃勒克（Stephaine Kwolek）在上世紀60年代發明了芳綸1414，并根據其名字命名為凱夫拉（Kevlar），該材料首先被應用于軍事，制造防彈衣、頭盔等。在相當長的時間內，凱夫拉幾乎就等于防彈材料的代名詞。后來隨著技術的發展，出現了高分子量高強高模聚乙烯纖維、碳纖維等高性能纖維，使熱塑性復合材料有了更多的選擇，但芳綸仍然是該類材料優先選擇。

筆者使用芳綸1414長纖維或高分子量高強高模聚乙烯長纖維，進行溶液浸漬得到預浸料，并把多層預浸料進行0/90°疊加，然后加熱模壓得到熱塑性復合材料，該材料可以用于防彈衣、盾牌、頭盔等。

高性能長纖維和樹脂得到的增強熱塑性復合材料還可以用于坦克、裝甲車的護甲等。

4.2、 航空航天【8】

航天、航空等對先進、高性能材料有著特殊的需求，該領域不同產品對長纖維增強熱塑性復合材料有多樣性的要求，這其中以碳纖維復合材料最為突出。纖維復合材料以其獨特、卓越的理化性能，廣泛應用在火箭、導彈和高速飛行器等航空航天業。例如采用碳纖維與塑料制成的復合材料制造的飛機、衛星、火箭等宇宙飛行器，不但推力大，噪音小；而且由于其質量較輕，所以動力消耗少，可節約大量燃料。據報道，航天飛行器的質量每減少lkg，就可使運載火箭減輕500kg。2007年面世的超大型飛機A380，復合材料的密度達23％。美國波音公司20世紀90年代初推出的波音777型客機也大量采用了復合材料達到10%以上，而其2007年下線的B787整機主體結構都是碳纖維復合材料制得。

4.3、建材【9-10】

連續長纖維增強熱塑性復合材料在高檔建材領域使用主要以板材為主，主要是用連續玻璃纖維增強PP，重量輕，比強度、比模量高、耐腐蝕、耐水性好，使用方便、成本低、可以根據需要裁切，可以用螺釘，鉚釘安裝，也可以熱融焊接等優點，可以用作墻板、墻體襯板、以及建筑模板等。

連續長纖維增強熱塑性復合材料還可用于制作高品質的塑料管材。北京化工大學發采用連續長纖維增強高密度聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等熱塑性塑料，纏繞成型制造承壓塑料管，特別是大口徑塑料管，設計壓力可達到1.2MPa，設計壁厚可比同類塑料管的壁厚減少10～50%，具有強度高、成本低、質量輕的特點。

5、展望

目前世界一些著名的高分子材料公司如美國通用、泰科納、杜邦，英國ICI，德國的巴斯夫、拜耳，日本的住友、智索，沙特的沙基，韓國的三星等有連續長纖維增強熱塑性復合材料工業化產品。國內的金發、杰事杰、普利特、海爾新材等也對連續長纖維增強熱塑性復合材料進行研發和工業化產品出售，但和國外有一些差距。其他還有一些規模比較小的企業，針對某一特點產品，如板材、成型件等進行開發，形成自身的特點。

連續長纖維增強熱塑性復合材料因其顯著的優點在許多領域都有應用，而隨著技術的進步和連續長纖維增強熱塑性復合材料成本的進一步降低，其應用必將更加廣泛。

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作者簡介

江蘇澳盛復合材料科技有限公司技術總監，教育部工程教育認證專家，中國塑料加工工業協會專家組成員，中國復合材料學會會員，江蘇復合材料學會常務理事，蘇州大學產業導師。多年從事纖維、粉體增強的高分子基復合材料的研發、生產的技術工作，開發了多項產品投入市場，創造良好的經濟效益，在科學期刊發表論文20多篇，申請專利多項，其中20多項已經授權。