連續纖維增強熱塑性復合材料生產(chǎn)工藝與裝備的國內外發(fā)展現狀

隨著(zhù)復合材料回收再利用問(wèn)題日益受到關(guān)注，行業(yè)未來(lái)如何實(shí)施綠色化發(fā)展，成為事關(guān)行業(yè)能否成功轉型，打開(kāi)行業(yè)全新發(fā)展格局的首要問(wèn)題。為此，歐美各國已經(jīng)率先投入大量精力研究和發(fā)展熱塑性復合材料，尤其是連續纖維增強熱塑性復合材料。與短纖維增強熱塑性復合材料、長(cháng)纖維增強熱塑性復合材料相比，連續纖維增強熱塑性復合材料中，纖維形態(tài)連續，含量可高達60-70%，因此增強效果更好，制品性能大幅提升，應用領(lǐng)域可拓寬至廣大軍工及民用領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。

　　中國復合材料工業(yè)協(xié)會(huì )近年來(lái)也積極致力于國內熱塑性復合材料的發(fā)展，在重點(diǎn)推廣LFT-D等已基本實(shí)現技術(shù)裝備國產(chǎn)化的成熟工藝基礎上，通過(guò)赴外考察、資料整理等渠道，調研和跟蹤國際國內在連續纖維增強熱塑性復合材料的工藝與裝備方面的最新研究與突破，現匯總整理如下：

　　一、連續纖維增強熱塑性復合材料半成品生產(chǎn)工藝與裝備

　　1、復合紗及其制品

　　復合紗，是以連續玻璃纖維和熱塑性纖維為原料，經(jīng)過(guò)特殊工藝復合加工而成。此外，還可以根據后續加工工藝的不同需求，制作成不同組織結構的復合紗織物制品。

　　復合紗及其制品，實(shí)質(zhì)屬于熱塑性預浸料的一種，適宜拉擠、纏繞、模壓、真空袋等各種成型工藝，可直接用來(lái)制備連續纖維增強熱塑性復合材料，不需要添加額外的樹(shù)脂。特點(diǎn)是：自身浸漬優(yōu)良，玻纖分散均勻；制品纖維含量高，力學(xué)性能優(yōu)異；成型工藝簡(jiǎn)單、周期短、生產(chǎn)效率高；生產(chǎn)環(huán)境清潔，可回收，綠色環(huán)保。目前，中國巨石集團已經(jīng)成功研發(fā)并銷(xiāo)售玻纖復合紗Compofil及其制品。此外，泰山玻纖、重慶國際等玻纖企業(yè)也已經(jīng)或正在研發(fā)自己的復合紗產(chǎn)品，以滿(mǎn)足連續纖維增強熱塑性復合材料快速發(fā)展的需要。

　　2、熱塑性預浸帶/預浸卷材

　　熱塑性預浸帶，是通過(guò)干法或濕法工藝，將熱塑性樹(shù)脂涂浸在連續纖維束或織物上，成為單向或織物預浸帶。具體的涂浸工藝包括：熔融法、溶液法、薄膜層迭法、粉末法等。

　　熔融法：該工藝主要通過(guò)加熱，使熱塑性樹(shù)脂基材熔融，涂布于離型紙上，然后以壓輥使樹(shù)脂基材與增強纖維或織物混合。此法操作較容易，但須注意塑料基材的成膜性及高溫流動(dòng)特性。目前美國litzler公司已經(jīng)量產(chǎn)熱塑性預浸料生產(chǎn)設備，該設備幅寬可達1500毫米，由于獨有的S型包裹技術(shù)，可以使設備生產(chǎn)速度達到30米每分鐘。全球著(zhù)名的劍桿織機生產(chǎn)商——德國道尼爾公司，在今年的JEC展會(huì )上也展出了其最新研制的展帶預浸機，其可以將單束或多束玻纖紗進(jìn)行展平，同時(shí)預浸熱塑性樹(shù)脂，制成熱塑性預浸帶。此外，瑞士Santex公司也已經(jīng)最新研制了熔融法熱塑性預浸帶生產(chǎn)裝備。

　　薄膜層迭法：該工藝是將熱塑性樹(shù)脂膜與增強纖維或織物規則層迭后，熱壓融浸。此法為熔融法的改良型，可以用較低的加工溫度，但需較長(cháng)的加工時(shí)間。目前，德國MEYER公司、英國Reliant公司，均有此項工藝與裝備。

　　溶液法：該工藝是將熱塑性樹(shù)脂溶于特定溶劑中制備樹(shù)脂溶液，再將增強纖維或織物浸入溶液，最后將溶劑去除。此法浸漬效果好，但存在溶劑選擇、回收及人體安全性等弊端。目前，美國litzler公司擁有此項工藝與裝備。

　　3、熱塑性預浸板材

　　熱塑性預浸板材，是利用熱塑性預浸帶多角度的鋪放疊層后，層合而成，主要用于加工各類(lèi)結構用熱塑性復合材料部件。荷蘭BOIKON公司今年在JEC展會(huì )上展出了其研制推出的熱塑性鋪帶機，該裝備可以根據需要，將熱塑性預浸帶進(jìn)行0-90度不同方向的鋪放，然后利用超聲波焊接技術(shù)，制成不同厚度的熱塑性預浸板材。

　　二、連續纖維增強熱塑性復合材料制品成型工藝與裝備

　　1、纏繞成型

　　利用熱塑性復合紗或熱塑性預浸帶，在張力及溫度作用下，按預定路徑高速而準確的纏繞在轉動(dòng)的模芯上，固化成型。

　　德國EHA公司研發(fā)的連續纖維增強熱塑性復合材料的纏繞工藝與裝備生產(chǎn)線(xiàn)，以玻璃纖維與熱塑纖維復合而成的復合纖維為原料，通過(guò)纏繞臂加熱后，直接進(jìn)行連續纏繞，3分鐘即可完成一個(gè)車(chē)載氣瓶的生產(chǎn)。該工藝與裝備突破了很多技術(shù)難點(diǎn)，使連續纖維增強熱塑性復合材料的一步法生產(chǎn)得以實(shí)現。

　　2、模壓成型

　　將熱塑性復合紗織物或熱塑性預浸料裁切后，鋪放疊層并放入模具，然后利用帶有熱源的壓機進(jìn)行加熱加壓固化而成。

　　德國KraussMaffei公司近年來(lái)研發(fā)了Fiberform成型工藝，也即熱塑性預浸板材熱壓成型工藝，采用連續纖維增強熱塑性預浸板材，通過(guò)紅外加熱軟化后，直接模壓成型，生產(chǎn)速度可達6-8秒/件。

　　3、拉擠成型

　　將熱塑性復合紗或熱塑性預浸帶,通過(guò)加熱的預定內腔型面的模具，迅速固化而制成型面各異的連續制品。此類(lèi)工藝的關(guān)鍵,是模具的加熱方式和加熱效率。

　　文萊商涌源科技公司最新發(fā)明了模具表面加熱技術(shù)——TECH HENRY。該技術(shù)特點(diǎn)是：熱源由表面產(chǎn)生，并往內熱傳導。熱源可控，加熱快，時(shí)間短，同時(shí)可盡量減少模具厚度，減少熱源浪費。具有節能、升溫快、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。因此，非常適合連續纖維增強熱塑性復合材料的拉擠成型。此外，該模具也可以用于熱塑性預浸板材的纏繞、模壓成型工藝。

　　4、連續擠拉成型

　　將熱塑性復合紗織物或熱塑性預浸料，與熱塑性樹(shù)脂膜、其它增強片材或夾芯材料，進(jìn)行鋪層疊合，并通過(guò)加熱加壓，連續擠拉成板材制品。

　　瑞典sandvik公司是全球知名的雙帶壓機連續片材裝備供應商。近年來(lái)該公司根據客戶(hù)需要，研發(fā)了熱塑性復合材料連續擠拉成型生產(chǎn)裝備，優(yōu)化了進(jìn)料、加熱、加壓、冷卻等工藝過(guò)程，生產(chǎn)熱塑性復合材料板材。目前國內已經(jīng)有廣州金發(fā)等多家企業(yè)采購并投入生產(chǎn)。

　　此外，德國HELD公司首創(chuàng )全球范圍內第一個(gè)等壓雙帶式壓濾機；全球范圍內第一個(gè)高壓雙帶壓機（提供100巴表面壓力）；全球范圍內第一個(gè)高溫雙帶壓機（提供加熱溫度為400℃）；全球范圍內第一個(gè)等壓高速雙帶壓機（生產(chǎn)速度可達48米/分鐘）。該公司的雙鋼帶壓機生產(chǎn)線(xiàn)，采用高品質(zhì)鋼材并經(jīng)特殊表面處理，在施加壓力、溫度均勻性、生產(chǎn)速度等方面，均具備潛在優(yōu)勢，可用于各種規格和種類(lèi)的連續纖維增強熱塑性板材的連續擠拉生產(chǎn)。

　　5、其它成型工藝

　　利用熱塑性復合紗織物或熱塑性預浸料，還可以采用熱壓罐或真空袋成型工藝。利用密閉空間的均勻溫度場(chǎng)和空氣壓力，對復合紗織物或預浸料疊層毛坯施加溫度和壓力，完成固化成型。

　　結語(yǔ)

　　個(gè)人經(jīng)驗有限，以上匯總梳理難免有錯漏之處。同時(shí)，作為一類(lèi)新型成型工藝與裝備，其仍在不斷研發(fā)完善之中。但從人力社會(huì )和國民經(jīng)濟愈加注重可持續發(fā)展、纖維復合材料下游市場(chǎng)更加關(guān)注回收再利用問(wèn)題的角度來(lái)講，我們必須加大對熱塑性復合材料，尤其是連續纖維增強熱塑性復合材料的研究與發(fā)展力度。與此同時(shí)，荷蘭騰卡特、中國杭州華聚等國際國內連續纖維增強熱塑性復合材料制品生產(chǎn)企業(yè)的成功案例，也為我們轉型熱塑性復合材料發(fā)展，提供了榜樣和經(jīng)驗。我們相信，在不久的將來(lái)，連續纖維增強熱塑性復合材料的生產(chǎn)技術(shù)與裝備將更加成熟和多樣化，產(chǎn)品應用領(lǐng)域和市場(chǎng)規模也會(huì )越來(lái)越寬廣?。?劉長(cháng)雷 ）

來(lái)源：中國玻璃纖維/復合材料工業(yè)協(xié)會(huì )

上海越科新材料股份有限公司成立于2006年，是結構復合材料技術(shù)提供商和產(chǎn)品制造商，專(zhuān)注于高性能要求和大型的結構性復合材料件的整體解決方案提供，模具設計制造，整體流水線(xiàn)總包，原材料供應。主要經(jīng)營(yíng)：環(huán)氧體系脫模劑，聚酯體系脫模劑、封孔劑等。