摘要：熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料近年來(lái)發(fā)展較快，而連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂的復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)更為突出，比較幾種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的加工方法，其中用摩擦紡包芯紗加工的方法是一種很好的方法，并討論了這種方法的特性。
自50年代熱塑性樹(shù)脂基材料問(wèn)世以后，幾十年樹(shù)脂基復(fù)合材料一直以熱固性樹(shù)脂基材料為主流發(fā)展著。熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料存在一些固有的缺點(diǎn)，如斷裂韌性、損傷容限比較低；吸濕、環(huán)境適應(yīng)性不佳；an-r_周期長(zhǎng)；難以回收[- 等，這些均使它的發(fā)展受到一定影響。自1956年美國(guó)Fiberfil公司首先工業(yè)化生產(chǎn)玻璃纖維增強(qiáng)尼龍以來(lái)，通過(guò)60年代進(jìn)一步的研究和推廣應(yīng)用，熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料從70年代開(kāi)始，其產(chǎn)量即直線(xiàn)上升[ 。進(jìn)入90年代，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以通用工程塑料和高性能工程塑料為基體樹(shù)脂的熱塑性復(fù)合材料越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并已成為復(fù)合材料異?；钴S的研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)[ 。近些年來(lái)，國(guó)外的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料發(fā)展速度非?？欤汛蟠蟪^(guò)熱固體性樹(shù)脂基復(fù)合材料的發(fā)展速度。以美國(guó)為例，1994—1998年間，熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料年平均增長(zhǎng)速度為5．48％，而熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料則為23．15％E 。據(jù)資料介紹，國(guó)外玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中有1／3為增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料[5]。
在國(guó)內(nèi)，通過(guò)60年代前期的摸索研究，自1969年開(kāi)始，玻璃纖維增強(qiáng)尼龍首先投入生產(chǎn)，隨即聚苯乙烯、氯化聚醚、聚碳酸酯、聚氯乙稀、飽和聚酯、聚砜等等增強(qiáng)復(fù)合材料相繼研制成功并投人生產(chǎn)[5]。由于玻璃纖維的配合和反展，我國(guó)的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料無(wú)論從品種、性能、產(chǎn)量方面，都顯示了趕超世界先進(jìn)水平的趨勢(shì)。熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料之所以得到長(zhǎng)足的發(fā)展，主要是由于它克服了熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料存在的一些缺點(diǎn)，并具有以下點(diǎn)[ 4]：熱塑性樹(shù)脂的線(xiàn)型分子結(jié)構(gòu)使其韌性提高，是熱固性樹(shù)脂的10倍以上；吸濕性?。挥捎跓崴苄詷?shù)脂在浸漬前聚合反應(yīng)已經(jīng)完成，因此在成型加工中純粹是物理過(guò)程，無(wú)化學(xué)反應(yīng)，所以成型速度快，并且可以多次重復(fù)加工及修補(bǔ)；其預(yù)浸料穩(wěn)定，無(wú)貯存期限制，存放也無(wú)特殊要求；可回收再加工，無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題；另外還有維修方便，有類(lèi)似于金屬的加工特性，以及成本低。
然而，由于熱塑性樹(shù)脂的熔融粘度(通常為508—5000Pa·s)一般都超過(guò)100Pa·s[6]，因此在加工過(guò)程中不利于增強(qiáng)纖維的分布和基體樹(shù)脂的浸漬。采用傳統(tǒng)的復(fù)合材料加工方法來(lái)加工熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料，很難滿(mǎn)足增強(qiáng)纖維與基體樹(shù)脂均勻分布和基體樹(shù)脂對(duì)增強(qiáng)纖維完全浸漬的要求。所以，對(duì)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料，熱塑性樹(shù)脂和增強(qiáng)纖維的結(jié)合方法一直是這類(lèi)復(fù)合材料加工的難點(diǎn)和關(guān)鍵。
1熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的幾種常用加工方法 、
連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，其突出優(yōu) 是目前所有樹(shù)脂基復(fù)合材料難于兼?zhèn)涞?，如極其優(yōu)異的力學(xué)性能(高韌性、極高剛性、極高強(qiáng)度、高裂紋擴(kuò)展、高抗疲勞、高耐磨損、高熱變形溫度、不吸水、抗老化、抗腐蝕等)。其次，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的原料成本低，成型工藝簡(jiǎn)單(既可以在現(xiàn)有通用設(shè)備上加工，也可以在小型壓機(jī)上加工，并且特別適用于機(jī)械化、自動(dòng)化的連續(xù)性大工業(yè)生產(chǎn))。成型周期短，原材料貯存期長(zhǎng)。先進(jìn)國(guó)家普遍重視的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的另一突出優(yōu)點(diǎn)是可重復(fù)使用性、可再生利用以及一定的可修補(bǔ)性。 對(duì)熱塑性樹(shù)脂，它與連續(xù)增強(qiáng)纖維的結(jié)合歸納以來(lái)有2大類(lèi)方法：第一類(lèi)方法是預(yù)浸漬法，即預(yù)浸料的制備方法，它是使液態(tài)樹(shù)脂流動(dòng)、逐漸浸漬纖維并最終充分浸漬每根纖維，形成的半成品為預(yù)浸料。預(yù)浸漬法又分溶液浸漬法和熔體浸漬法。第二類(lèi)方法是后浸漬法或預(yù)混法，即預(yù)混料的制備方法，它是將熱塑性樹(shù)脂以纖維、粉末或薄膜態(tài)與增強(qiáng)纖維結(jié)合在一起，形成一定結(jié)構(gòu)形態(tài)的·半成品。但其中的樹(shù)脂并沒(méi)有浸漬增強(qiáng)纖維，復(fù)合材料成型加工時(shí)，在一定的溫度和壓力下樹(shù)脂熔融并立即浸漬相鄰纖維，進(jìn)一步的流動(dòng)最終完全浸漬所有纖維。
1 浸漬法
1． 1溶劑法。
溶劑法(SobentTechnique)，又稱(chēng)溶液浸漬法
(SolutionImpregnationTechnique)1 61。該方法是選用一種合適的溶劑，也可以是幾種溶劑配成的混合溶劑，將樹(shù)脂完全溶解，制得低粘度的溶液浸漬纖維，然后將溶劑揮發(fā)制得預(yù)浸料。如果溶劑完全揮發(fā)，則制得硬挺的預(yù)混料；若保留適當(dāng)?shù)娜軇?，則預(yù)浸料具有一定的粘性和鋪覆性。該方法克服了熱塑性樹(shù)脂熔融粘度高的缺點(diǎn)，可以很好的浸漬纖維，然而也存在許多不足主要是溶劑的蒸發(fā)和回收費(fèi)用昂貴，且有環(huán)境污染；如果溶劑消除不完全，在復(fù)合材料中會(huì)形成氣泡和孑L隙，影響制品性能；該方法加工的復(fù)合材料，在使用的過(guò)程中其耐溶劑性必然會(huì)受到影響；另外，一些熱塑性樹(shù)脂很難找到合適的溶劑。
1 ．1．2。 熔體浸漬法。
熔體浸漬法(Melt Impregnation)是在一定張力作用下將開(kāi)纖的絲束從樹(shù)脂熔體中拉過(guò)而浸漬纖維[8．，-。熔體法是加工熱塑性預(yù)浸料最直觀(guān)同時(shí)也是最常用的方法。但由于熱塑性樹(shù)脂熔體粘度較高，使這種方法在使用時(shí)浸漬難度較大，當(dāng)粘度過(guò)高時(shí)浸漬非常困難。必須采取相應(yīng)的措施來(lái)提高熔融浸漬的速度和效果。最初有人采用成對(duì)的的壓輥給纖維施加壓力，希望促進(jìn)浸漬過(guò)程的進(jìn)行，然而，由于是兩面加壓，絲束被壓緊，纖維間間隙減少，增加了樹(shù)脂在絲束中的流動(dòng)阻力。后來(lái)發(fā)展了纖維絲束一側(cè)加壓的方法，可以獲得較好的浸漬效果。
1．2 預(yù)混法
預(yù)混法(PremixTechnique)，又稱(chēng)為后浸法(Post—impregnationTechnique)，它是將樹(shù)脂以不同的固體形式(粉末、纖維或纖維集合體)均勻地分布在增強(qiáng)纖維(或纖維集體)之中獲得預(yù)混料的方法[ 。在預(yù)混料中，樹(shù)脂基體尚未真正浸漬增強(qiáng)纖維，因此預(yù)混料具有良好的懸垂性；并且由于樹(shù)脂在熔融浸漬前已較均勻地分布在增強(qiáng)纖維(或纖維集合體)中，在很大程度上改善了熔融狀態(tài)下的樹(shù)脂對(duì)增強(qiáng)纖維的浸漬條件。目前，人們研究較多并且已經(jīng)使用的預(yù)混法有粉末浸漬法(PowderImpregnationTechnique)、混纖法(Hybrid YamTechnique)、混編法(Co—wovenTechnique)~'l薄膜層疊法(Film StackingTechnique)。
1．2．1 混纖法。
混纖法(HybridYam Technique)是以不同的方式將纖維狀樹(shù)脂與增強(qiáng)纖維緊密混合在一起并加工成紗線(xiàn)形式的預(yù)混料的方法[ ?；炖w紗具有許多優(yōu)點(diǎn)：兩相纖維緊密混合在一起，大大減小了浸漬中樹(shù)脂流動(dòng)的距離，克服了熱塑性樹(shù)脂基體浸漬的困難；兩相纖維的比率容易調(diào)節(jié)并能精確控制；有良好的柔韌性和懸垂性，容易適應(yīng)復(fù)雜的形狀；可機(jī)織、針織和編織加工制備預(yù)混料，也可以進(jìn)行單向纏繞加工成單向板預(yù)混料。連續(xù)增強(qiáng)纖維包括混合紗(CommingledYam )、包纏紗(Cowrapped Y鋤)和包芯紗Core—spun Yam )。
包芯紗是將短的熱塑性基體纖維通過(guò)各種方式紡在連續(xù)的增強(qiáng)纖維芯紗外形成的一種混纖紗。人們研究較多的加工包芯紗混纖紗的方法是摩擦紡的方法，該方法是90年代初由Wulfhorst等1o]提出的，它利用摩擦紡紗的原理將連續(xù)增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂短纖維結(jié)合在一起形成摩擦紡包芯紗。
混合紗是將增強(qiáng)纖維與基體纖維通過(guò)各種方法均勻而緊密地混合在一起形成的一種混纖紗?；旌霞喼杏捎谠鰪?qiáng)纖維和樹(shù)脂纖維隨機(jī)分布，因此在預(yù)型件加工中，易造成增強(qiáng)纖維的損傷，進(jìn)而影響復(fù)合材料的性能，并且在一定的加工張力作用下，混纖紗會(huì)發(fā)生解混現(xiàn)象。而包芯紗不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。
包纏紗是將基體纖維包纏在增強(qiáng)纖維芯的外面形成的一種混纖紗。它的性能與包芯紗的性能很相近。由于外層的基體纖維是長(zhǎng)纖維的形式，因此它沒(méi)有包芯紗柔軟，這使后序加工要難一些。
1．2．2 混編法。
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