热塑性预浸料的制备技术及研究进展

1.热塑性预浸料制备工艺方法

1.1 溶液浸渍法

溶液浸渍法是一种广泛使用的热塑性预浸料制备工艺。该方法涉及使用一种或多种有机溶剂配制溶液，目的是将热塑性树脂完全溶解形成树脂溶液。在这一过程中，选择合适的溶剂至关重要，因为它们直接影响到树脂的溶解效率和溶液的稳定性。随后，将纤维或织物等增强材料浸泡在树脂溶液中进行浸渍，确保树脂能够均匀地覆盖在纤维表面。通过使用干燥箱等加热设备去除有机溶剂后，即可得到预浸料。该方法的优点包括设备简单、故障率低、能耗低、成本低、预浸料长度不受限制以及树脂对纤维的浸润性较好。然而，它也存在溶剂挥发、生产环境异味大、回收困难等问题。这些问题需要通过改进工艺流程和加强环保措施来解决。

1.2 熔融浸渍法

熔融浸渍法是一种高效的热塑性预浸料制备技术。首先，通过纱架和展纱辊碾压、增加张力等手段将纤维束展开并均匀分布，确保在后续的浸渍过程中树脂能够充分接触并浸润每一根纤维。预热后的纤维进入浸渍区，在一定温度下，树脂熔融并浸润纤维。通过压辊施加压力可以控制树脂含量，保证预浸料的均匀性和质量。最后，通过冷却环节收卷制成预浸料。与溶液浸渍法不同，熔融浸渍法适用于耐溶剂型热塑性树脂，要求树脂熔融温度低且化学性质稳定，具有较高的表面张力，并且对纤维束的展纱分散能力要求较高。但长时间的高温浸渍可能会对预浸料的力学性能产生较大影响，因此需要精确控制浸渍时间和温度。

1.3 粉末浸渍法

粉末浸渍法是一种创新的热塑性预浸料制备方法。该方法是将热塑性树脂粉碎至微米级，并均匀覆盖在纤维表面。通过加热系统使树脂熔融并与纤维充分浸润复合，从而制得预浸料。粉末浸渍法分为湿法粉末浸渍法（粉末悬浮法）和干法粉末浸渍法。湿法粉末浸渍法涉及将树脂粉末悬浮在液体介质中，然后将增强材料浸入其中，通过液体的流动性和表面张力促进树脂与纤维的结合。干法粉末浸渍法则直接将树脂粉末撒布在纤维上，然后通过加热使树脂熔融。这两种方法各有优势，湿法适合于大面积或复杂形状的纤维制品，而干法则适用于需要快速制备和高生产效率的场合。

2.热塑性预浸料制备的关键技术

2.1 树脂熔融指数

提高热塑性树脂的熔融指数可以降低体系的熔体粘度，有利于高分子链段的规整排列，从而提升结晶能力。这同时影响纤维在树脂中的取向和分散，进而影响复合材料的性能。为了增强树脂对纤维的浸润性，在树脂性能允许的范围内，应选择熔融指数较高的基体树脂。

2.2 热塑性上浆剂

目前，大多数国产连续性纤维制品采用环氧树脂等热固性树脂作为上浆剂，这仅适用于生产热固性基体复合材料。热塑性基体分子主链缺乏活性基团，无法与纤维表层的热固性上浆剂发生化学键合，因此难以浸润纤维，无法形成有效的界面结合力。为了满足热塑性基体的加工要求，提高树脂对纤维的浸渍能力和界面结合力，必须使用热塑性上浆剂。考虑到不同热塑性树脂的加工温度差异很大，在选择热塑性上浆剂时，必须充分考虑基体树脂的加工温度。上浆剂的降解或过早熔融都会严重影响界面结合强度，导致复合材料容易产生缺陷或损伤热力学性能。此外，应尽量选择与基体树脂化学结构相似的上浆剂，以获得更好的匹配性。

2.3 工艺(1)展纱

由于热塑性树脂在工艺温度下的粘度较大，当碳纤维线密度较大时，树脂难以完全浸渍到碳纤维丝束中，导致基体材料分布不均匀，出现孔隙，最终影响预浸料的性能。丝束宽度越宽，厚度越薄，热塑性树脂的渗透均匀性越好，因此展纱是一个非常重要的工艺环节。纤维分散的难点在于在保证纤维均匀分散的同时，尽量减少损伤。根据展丝工具及机理的不同，常见的展丝方法包括机械展丝法、气流展丝法和超声波展丝法。在实际应用中，可以考虑将两种或多种展丝方式结合起来使用。虽然展纱不可避免地会对碳纤维产生一定程度的性能损伤，但相对于展纱对预浸料整体性能的提升，则是微不足道的。

(2)浸渍温度、压力及时间

热塑性树脂由于粘度过高，对浸渍温度、成型压力和加工时间都有较高要求。提高加工温度有助于高分子链段的解缠，分子热运动加剧，树脂粘度降低，提升了熔体的流动性。良好的熔融流动性有利于树脂降低流动阻力，改善浸润效果。但温度过高会导致树脂热降解，降低预浸料的力学性能。预浸料加工时熔体压力过低会导致树脂和纤维间气体排除不畅，过多的空隙残留对后期复合材料加工不利；压力的提升有助于熔体填充纤维间隙，但压力过大将导致树脂大量挤出，使得复合材料中纤维体积含量过高，纤维之间结合性变差，影响复合材料性能。高粘度会导致树脂浸渍纤维效率下降，为保证纤维浸渍必须提供充足的时间。浸渍时间长会影响预浸料产量，而牵引速度过快会影响纤维的分散性以及树脂对纤维的浸润程度，导致复合材料性能降低。在保证预浸料质量和提高生产效率的前提下，浸润效果和产量间的平衡非常重要。

结束语

综上所述，热塑性预浸料的制备技术是热塑性复合材料领域的重要研究方向。通过优化溶液浸渍法、熔融浸渍法和粉末浸渍法等工艺，可以显著提升预浸料的性能和生产效率。关键在于选择合适的树脂熔融指数、热塑性上浆剂以及精确控制工艺参数，如浸渍温度、压力和时间。这些技术的不断进步，不仅有助于解决当前生产中的技术难题，而且为热塑性复合材料的广泛应用奠定了坚实的基础。未来，随着材料科学和工程技术的进一步发展，热塑性预浸料的制备技术将更加成熟，为高性能复合材料的制造提供更加可靠和高效的解决方案。

参考文献

[1]许云鹏,颜春,刘东,徐海兵,姚友强,祝颖丹.连续纤维增强热塑性预浸料制备工艺的研究进展[J].复合材料科学与工程,2020(8):123-128.

[2]刘延宽,顾子琛,王志平.连续纤维增强热塑性预浸料制备工艺与发展趋势[J].中国塑料,2022,36(2):172-181.

[3]张凤翻.先进热塑性树脂预浸料用原材料[J].高科技纤维与应用,2014,39(3):1-6+ 66.