原位聚合热塑性复合材料及其成型工艺研究

原位聚合热塑性复合材料及其成型工艺研究

石璐

中原科技学院机电工程学院

摘要：随着低碳经济、碳中和等环保理念的呼声不断高涨，低能耗、可回收的原位聚合热塑性复合材料的需求量不断增加。以往这些大型型材是由增强纤维和低黏度热固性聚合物拉挤而成，此类热固性复合材料生产周期长、制件报废难以回收，易造成资源的浪费，此外生产过程中加入了大量对人体健康安全有害的硬化剂，易造成环境污染。不同于热固性拉挤成型复合材料，热塑性复合材料不需要化学固化，生产效率高、污染小、原材料利用率高，且制件具有可回收、可焊接、使用寿命长的特点，因此国内外都在积极开展高效率、低成本的热塑性复合材料生产工艺的研究。基于此，本文章对原位聚合热塑性复合材料及其成型工艺研究进行探讨，以供相关从业人员参考。

关键词：原位聚合；热塑性复合材料；热塑性树脂；成型工艺

引言

1980年代，热塑性由于其良好的刚度和强度、高的疲劳强度和耐腐蚀性，成为金属的理想替代品。因此，越来越多的热塑性塑料被用于航天、造船和汽车工业。特别是在高温下熔化的热塑性复合材料，由丝绸制成，熔解过程中没有碱性金属氧化物排放，对环境的损害较小。提高了用于航天、能源、军事、铁路等领域的热塑性材料的性能、化学稳定性和电磁绝缘。

一、问题的提出

60年代中期以来，复合航空母舰的发展已成为空间设备发展的趋势。随着碳纤维增强技术和设备的发展和性能的提高，复合材料在飞机上的应用已从小型补贴部件扩大到大型动力部件，如机翼、飞机、减速器等，大大增加了飞机的消耗。随着复合材料使用量的增加和大规模主应力极限的应用，问题变得越来越明显。第一，缺乏基于整个生命周期的复合材料制造标准体系。第二，传统的制造工艺不再适用于复合材料的制造。第三，工艺计划和实施、零件造型、表面处理、装配部件、工艺检查等方面缺乏标准。因此，至关重要的是发展一个技术上合理的制造标准体系，该体系非常准确地反映了复合材料飞机制造的特点。

二、热塑性复合材料的优势

热塑性复合材料作为一种有着广阔应用前景的材料，具有以下优势：（1）耐高温、耐湿热性能好、耐盐碱腐蚀和抗介质性能良好；（2）热塑性复合材料具有高比强度、高比模量的特点，其密度仅为钢材的1/5~1/7，且与热固性复合材料相比，相同体积的材料重量能减轻1/2~1/4；（3）韧性好、抗冲击性能好、损伤容限高；（4）对环境友好，其废料能够进行回收和二次利用；（55）可采用多种成型工艺制备产品。

三、原位聚合热塑性复合材料的成型工艺分析

（一）溶剂浸渍拉挤工艺

溶剂浸渍拉挤工艺中所使用的溶剂通常是酒精或者丙酮，进行预浸料预处理时，通过添加乙醇降低树脂的黏度，使得增强纤维能被树脂基体充分浸渍，有效地提高了浸渍效果。通过此种工艺生产的预浸料，树脂分布均匀，不会对纤维的对齐产生不利影响，解决了旧生产方法中预浸料树脂分布不均匀、纤维错位等问题。设计实验室规模的溶剂浸渍型预浸料制造机，该研究团队成功实现了预浸料处理装置的自动化，为后续研究新型预浸料树脂体系提供了设备支持。采用纤维增强聚合物的方法，将60根连续长丝通过含有热塑性聚合物和增塑剂的混合熔体，形成预浸料。

（二）依照材料的加工型面来选择刀具

对于具有凹加工曲面的要加工金属，最好在精加工或半加工过程中选择球刀刀具以确保加工曲面良好。粗加工时，您可以选取刀柄刀具。如果要加工的形状是凸曲面，则粗加工需要环形刀具，因为倒圆角铣削的几何条件通常优于表面铣削。在精加工过程中，某些使用的刀具半径应小于所加工零件的圆角半径，特别是在某些零件的拐角处，这些零件需要通过选取半径小于拐角半径的刀具进行插值。这可确保在内插直线时不会发生过切，并且材料会损坏。

（三）手糊成型

复合材料手糊成型又称接触成型，其基本原理是在模具上一边铺设纤维等增强材料，一边涂刷树脂，然后树脂在一定温度和压力条件下发生聚合反应，最终脱模成为复合材料制品的工艺方法。手糊成型是复合材料最早的成型方法，虽然该方法正在逐渐被淘汰，但是在工业制造领域，它仍然发挥着不可替代的作用。手糊成型具有很大优势：工艺和设备简单，成本低；手糊成型不会受到产品的尺寸和几何的限制，特别适用于尺寸大、形状复杂产品的制备。由于手糊成型环境为开放体系，工艺过程中会接触较多杂质，会受到空气以及水分的影响，故己内酰胺的原位聚合难以用该方法成型。

（四）选择测量装置

卡盘夹紧力装置主要由动态信号分析仪和夹紧力传感器组成。动态信号分析仪可在完全封闭的便携式机箱中提供可靠的数据传输和高度的环境适应性以及以太网数据传输。卡盘夹紧压力传感器主要由u形弹性元件、阻塞应变循环、温度补偿电路和电路的四个组成部分组成。在这种情况下，u形弹性元件充当测量信号和力传感器之间的桥梁。可选u形弹性元件，具有较高的输出取代系数，可限制u形槽顶部的爪，以确保测量的稳定性。应插入u形元件应力区的弹性应变回路，将u形元件在测量时的变形转换为数字信号。

（五）面铣刀的使用选择

面铣刀作为刀具中应用较多的一种。主要优点是切削量大，导致加工效率高于其它刀具，且加工工件表面温度较高且较平滑，而不是粗糙。因此，它们通常用在六角形和某些大型材料中。使用刀侧刀具加工某些粗糙刀具或型腔时，请注意，无法使用垂直或螺旋进刀操作进行加工。此进刀方法更容易受到主轴转速的影响，从而缩短了机器内部方向的寿命。因此，通常必须选取从工件外部进入的加工方法。

（六）复合材料反向台阶孔加工

良好的加工质量、刀具的选择至关重要，实践表明，较大的螺旋角降低了钻头顺利运转的扭矩和轴向力，改善了冲洗过程，有效地减少了切片和毛边等缺陷。螺旋角越大，刀具参与切削的边越长，应用于切削边的加工力越小，刀具就越平滑，刀具寿命也就越长。同时，大螺旋角的设计扩大了切削边的前角，从而产生锐切口、小电阻和难钻。但是，太大的螺旋角会影响钻头的刚度，切屑距离太远，以致于无法打断孔并影响孔的尺寸精度。一般而言，加工纤维增强复合材料的钻头螺旋角选20°~30°较为适宜。

结束语

目前，工业应用中热塑性复合材料的成型方法主要为热熔法，包括树脂膜法、树脂粉末法、混纤法、预浸料与半预浸料法。这类成型方法主要关注树脂高聚物的热成型性能，常用的热塑性树脂如聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮等，由于此类树脂是大分子长链结构，通常其分子量远大于热固性树脂的预聚物，熔体黏度较高，树脂在熔融状态下流动性仍然较差。在热塑性复合材料的制备过程中，需要高温高压促使树脂黏度降低，并提高其流动性，以达到与增强相复合的目的

参考文献

[1]龚明,张代军,刘燕峰,张嘉阳,李军,陈祥宝.纤维增强热塑性复合材料原位聚合成型技术研究进展[J].材料导报,2020,34(21):21180-21187.

[2]李波,刘伟,杨建,郑挺.车用连续纤维增强热塑性环氧树脂复合材料制备及性能[J].工程塑料应用,2020,48(08):46-50.

[3]孙华.纤维增强原位聚合尼龙6树脂复合材料传递模塑成型的研究[D].北京化工大学,2020.

[4]李成磊,郑玉婴,王振祥.原位聚合制备还原氧化石墨烯/热塑性聚氨酯复合材料及性能[J].化学工程与装备,2020(05):3-8+11.

[5]张钊滟,马帅,卢鑫,郑玉婴,林腾飞.壳聚糖-氧化石墨烯/热塑性聚氨酯复合材料的原位溶液聚合及性能[J].复合材料学报,2020,37(11):2726-2734.