熱塑性復(fù)合材料是以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等增強(qiáng)各種熱塑性樹脂的總稱,國外稱FRTP(Fiber Rinforced Thermo Plastics)。由于熱塑性樹脂和增強(qiáng)材料種類不同,其生產(chǎn)工藝和制成的復(fù)合材料性能差別很大。
從生產(chǎn)工藝角度分析,塑性復(fù)合材料分為短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料兩大類:
一、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
①注射成型工藝;
②擠出成型工藝;
③離心成型工藝。
二、連續(xù)纖維增強(qiáng)及長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
①預(yù)浸料模壓成型;
②片狀模塑料沖壓成型;
③片狀模塑料真空成型;
④預(yù)浸紗纏繞成型;
⑤拉擠成型。
熱塑性復(fù)合材料的特殊性能如下:
(1)密度小、強(qiáng)度高 熱塑性復(fù)合材料的密度為1.1~1.6g/cm3,僅為鋼材的1/5~1/7,比熱固性玻璃鋼輕1/3~1/4。它能夠以較小的單位質(zhì)量獲得更高的機(jī)械強(qiáng)度。一般來講,不論是通用塑料還是工程塑料,用玻璃纖維增強(qiáng)后,都會獲得較高的增強(qiáng)效果,提高強(qiáng)度應(yīng)用檔次。
(2)性能可設(shè)計(jì)性的自由度大 熱塑性復(fù)合材料的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能,都是通過合理選擇原材料種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于熱塑性復(fù)合材料的基體材料種類比熱固性復(fù)合材料多很多,因此,其選材設(shè)計(jì)的自由度也就大得多。
(3)熱性能 一般塑料的使用溫度為50~100℃,用玻璃纖維增強(qiáng)后,可提高到100℃以上。尼龍6的熱變形溫度為65℃,用30%玻纖增強(qiáng)后,熱形溫度可提高到190℃。聚醚醚酮樹脂的耐熱性達(dá)220℃,用30%玻纖增強(qiáng)后,使用溫度可提高到310℃,這樣高的耐熱性,熱固性復(fù)合材料是達(dá)不到的。熱塑性復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)比未增強(qiáng)的塑料低1/4~1/2,能夠降低制品成型過程中的收縮率,提高制品尺寸精度。其導(dǎo)熱系數(shù)為0.3~0.36W(㎡·K),與熱固性復(fù)合材料相似。
(4)耐化學(xué)腐蝕性 復(fù)合材料的耐化學(xué)腐蝕性,主要由基體材料的性能決定,熱塑性樹脂的種類很多,每種樹脂都有自己的防腐特點(diǎn),因此,可以根據(jù)復(fù)合材料的使用環(huán)境和介質(zhì)條件,對基體樹脂進(jìn)行優(yōu)選,一般都能滿足使用要求。熱塑性復(fù)合材料的耐水性優(yōu)于熱固性復(fù)合材料。
(5)電性能 一般熱塑性復(fù)合材料都具有良好的介電性能,不反射無線電電波,透過微波性能良好等。由于熱塑性復(fù)合材料的吸水率比熱固性玻璃鋼小,故其電性能優(yōu)于后者。在熱塑性復(fù)合材料中加入導(dǎo)電材料后,可改善其導(dǎo)電性能,防止產(chǎn)生靜電。
(6)廢料能回收利用 熱塑性復(fù)合材料可重復(fù)加工成型,廢品和邊角余料能回收利用,不會造成環(huán)境污染。
由于熱塑性復(fù)合材料有很多優(yōu)于熱固性玻璃鋼的特殊性能,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,從國外的應(yīng)用情況分析,熱塑性復(fù)合材料主要用于車輛制造工業(yè)、機(jī)電工業(yè)、化工防腐及建筑工程等方面。
1、注射成型工藝
注射成型是熱塑性復(fù)合材料的主要生產(chǎn)方法,歷史悠久,應(yīng)用廣。其優(yōu)點(diǎn)是:成型周期短,能耗小,產(chǎn)品精度高,一次可成型開關(guān)復(fù)雜及帶有嵌件的制品,一模能生產(chǎn)幾個(gè)制品,生產(chǎn)效率高。缺點(diǎn)是不能生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品和對模具質(zhì)量要求較高。根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展水平,注射成型的產(chǎn)品為5kg,最小到1g,這種方法主要用來生產(chǎn)各種機(jī)械零件,建筑制品,家電殼體,電器材料,車輛配件等。
2、擠出成型工藝
擠出成型是熱塑性復(fù)合材料制品生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的工藝之一。其主要特點(diǎn)是生產(chǎn)過程連續(xù),生產(chǎn)效率高,設(shè)備簡單,技術(shù)容易掌握等。擠出成型工藝主要用于生產(chǎn)管、棒、板及異型斷面型等產(chǎn)品。增強(qiáng)塑料管玻纖增強(qiáng)門窗異型斷面型材,在我國有很大市場。擠出成型復(fù)合材料制品的工藝流程如下:
3、纏繞成型工藝
熱塑性復(fù)合材料的纏繞成型工藝原理和纏繞機(jī)設(shè)備與熱固性玻璃的一樣,不同的是熱塑性復(fù)合材料纏繞制品的增強(qiáng)材料不是玻纖粗紗,而是經(jīng)過浸膠(熱塑性樹脂)的預(yù)浸紗。因此,需要在纏繞機(jī)上增加預(yù)浸紗預(yù)熱裝置和加熱加壓輥。纏繞成型時(shí),先將預(yù)浸紗加熱到軟化點(diǎn),再與芯模的接觸點(diǎn)加熱,并加壓輥加壓,使其熔接成一個(gè)整體。
4、熱塑性復(fù)合材料拉擠成型
熱塑性復(fù)合材料的拉擠成型工藝與熱固性玻璃鋼的基本相似。只要把進(jìn)入模具前的浸膠方法加以改造,生產(chǎn)熱固性玻璃鋼的設(shè)備便可使用。生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料拉擠產(chǎn)品的增強(qiáng)材料有兩種:一種是經(jīng)過浸膠的預(yù)浸紗或預(yù)浸帶,另一種是未浸膠的纖維或纖維帶。
5、焊接層合法
此法系利用熱塑性復(fù)合材料的可焊性,生產(chǎn)復(fù)合材料板材。其方法如下:先在工作臺上壓鋪一層預(yù)浸料(一般寬500mm),鋪第二層浸料時(shí),開動壓輥的焊接器,使預(yù)浸料進(jìn)入壓輥下,焊接器使上下兩層預(yù)浸料在幾秒鐘內(nèi)同時(shí)受熱熔化,當(dāng)機(jī)器向前移動時(shí),預(yù)浸料在壓輥的壓力(0.3MPa)作用下粘合成一體。如此重復(fù),可生產(chǎn)任意厚度的板材。
6、熱塑性片狀模塑料制品沖壓成型工藝
熱塑性片狀模塑制品沖壓成型與熱固性SMC壓制成型不同,它要先將坯料預(yù)熱,然后再放放模具加壓成型。
7、熱塑性復(fù)合材料的連接技術(shù)
熱塑性復(fù)合材料的連接方法很多,例舉如下:
①、鉚接 用于熱塑性復(fù)合材料鉚接用的鉚釘,一般都是用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料制造,是用拉擠棒材制造。施工時(shí),鉚釘預(yù)熱到可以加壓塑變的溫度,鉚釘與孔徑應(yīng)能嚴(yán)密配合,不能大,也不能小。也可以用金屬螺栓。鉚接的優(yōu)點(diǎn)是耐沖擊性好,無電化學(xué)腐蝕,價(jià)格便宜。
②、焊接 熱塑性復(fù)合材料的焊接處理,是將被連接材料的焊接表面加熱到熔化狀態(tài),然后搭接加壓,使之接成一體。復(fù)合材料焊接原理與塑料焊接相似,但必須注意焊接處的纖維增強(qiáng)效果不能降低很多。
③、管件對接焊 熱塑性復(fù)合材料管的對接焊方法有直接對接和補(bǔ)強(qiáng)對接焊兩種。這種連接方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單,可在現(xiàn)場施工,不需對管子進(jìn)行機(jī)械加工,連接強(qiáng)度高,不易斷裂。缺點(diǎn)是成本高,工藝要求嚴(yán)格,要保證尺寸緊密配合。
④、纏繞焊接 用預(yù)浸帶沿焊縫手工或機(jī)械纏繞,同是用火焰噴槍對接觸點(diǎn)加熱熔融,使之與被連接件粘牢。選擇預(yù)浸帶時(shí),要注意纖維的方向和含量。此法較實(shí)用,被連接材料能保留較好的性能,但易出現(xiàn)加熱不均的現(xiàn)象。
⑤、薄板超聲波焊接 此法是用超聲波對被連接處進(jìn)行加熱焊接,一般能夠獲得較高的連接強(qiáng)度。