医学课件-混纤型热塑性复合材料制备技术教学课件

1、 混纤型热塑性复合材料制备技术The Manufacture of Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers Hybrid Composites 10/4/20221. 混纤型热塑性复合材料制备技术The Manufa 报告内容 Main Contents混纤复合材料及其制作方法 Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers Hybrid Composites (RFTFC) and its manufacture混纤纱型复合材料 Composites made from commingled yarn of Reinfo

2、rcing Fibers/Thermoplastic Fibers 纤维网型混纤复合材料 Composites made from web of Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers10/4/20222. 报告内容 混纤型复合材料及其制作方法 Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers Hybrid Composites (RFTFC) 聚合物基复合材料(Fibers Reinforced Polymer Composites)10/4/20223.混纤型复合材料及其制作方法 Reinforcing Fib10/4/

3、20224.10/2/20224.10/4/20225.10/2/20225.混纤型复合材料(RFTFC) 在热塑性复合材料领域，由于热塑性树脂基体具有较高的熔融温度和熔融粘度，因此引起基体润湿、浸渍增强纤维以及在成型加工中基体流动的问题。为了克服这些困难，研究混纤型热塑性复合材料制备方法。 混纤型复合材料是利用增强纤维与基体纤维混合，在一定条件下成型，最终形成热塑性复合材料。 10/4/20226.混纤型复合材料(RFTFC) 10/2/20226.混纤型复合材料的优点 (The advantages of RFTFC) 可以克服高分子量聚合物基体浸渍的困难； 两相纤维的比率能够精确控制，容

4、易调节增强纤维和基体纤维的比例； 预浸体有良好的柔顺性，容易适应复杂形状。 10/4/20227.混纤型复合材料的优点 (The advantages of 混纤型复合材料预浸体制备方法（Manufacture of fibers assembly used for RFTFC) 混纤纱型复合材料 纤维网型（非织造布型）复合材料10/4/20228.混纤型复合材料预浸体制备方法10/2/20228.混纤型复合材料制作原理(Manufacture principle of RFTFC) 增强纤维和热塑性基体纤维混纤加工纤维增强热塑性复合材料是利用热塑性基体纤维可以反复熔融结晶的物理特性，通过施加

5、热和压力来实现的。 正常的固化周期：温度上升到基体纤维的熔点温度以上（通常比熔点温度高2030），使基体纤维完全转变为熔融基体，施加足够的压力和时间迫使基体浸渍增强纤维，除去空气，直至材料达到完全浸渍，然后降温冷却，形成固化的热塑性复合材料（见图1）。 10/4/20229.混纤型复合材料制作原理(Manufacture princi图1 混纤型复合材料热压固化成型周期 （Fig.1 Consolidation Process of RFTFC)10/4/202210.图1 混纤型复合材料热压固化成型周期 （Fig.1 Con2. 混纤纱型复合材料 Composites made from c

6、ommingled yarn of Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers 混纤纱的结构 (The structures of commingled yarn) 热塑性复合材料加工中，混纤纱的一般形式见图2。10/4/202211.2. 混纤纱型复合材料 Composites made f 图2 复合材料用混纤纱的通常结构 (Fig.2 the structures of commingled yarn for composites)10/4/202212. 图2 复合材料用混纤纱的通常结构 (Fig.2 the s混纤纱工艺方法( The techno

7、logy of commingled yarn) 牵切纺纱 ：这种方法加工的混纤纱有毛羽和捻度（见图2(d)。 毛羽存在可提高复合材料的破坏韧性； 捻度的存在，使复合材料的拉伸强度较低； 两相纤维混合程度较好； 增强纤维是非连续纤维。 10/4/202213.混纤纱工艺方法( The technology of com 包芯纺纱 ：在DERF摩擦纺纱机（如图3）上，加工混纤纱（见图2(c)。 混纤纱是增强纤维位于纱芯的皮芯纱； 增强相中捻度为零，保证增强纤维强度最佳利用； 位于芯层的增强相被基体完全覆盖，保护增强纤维免受意外损伤。 但是，纱线中的增强纤维和基体纤维呈现区域性分布（见图4），对基

8、体浸渍增强纤维不利。 10/4/202214. 包芯纺纱 ：在DERF摩擦纺纱机（如图3）上图3 DERF 摩擦纺纱简图 (Fig.3 Sketch of DERF friction spinning) 10/4/202215.图3 DERF 摩擦纺纱简图 (Fig.3 Sketch o 包缠纺纱 ： 根据科弗纺纱（Cover spinning）工艺（如图4） ，加工混纤纱（见图2（b）。 这种混纤纱结构类似于包芯纱。 对于包芯纱和包缠纱，纱线中的增强纤维和基体纤维呈现区域性分布（见图5），对基体浸渍增强纤维不利。增强纤维束膨松性差，基体渗透相对困难。但是，增强纤维是连续纤维。10/4/202

9、216. 包缠纺纱 ： 根据科弗纺纱（Cover spinnin图4 科弗纺纱机 (Fig.4 cover spinning machine)10/4/202217.图4 科弗纺纱机 (Fig.4 cover spinning图5 包覆纱断面结构示意图(Fig.5 the cross-section sketch of cover yarn) 基体纤维区 增强纤维区（纤维束） 10/4/202218.图5 包覆纱断面结构示意图(Fig.5 the cross-混纤纱结构与基体浸渍(The structure of commingled yarn and resin impregnating)

10、如果两相纤维之间相互均匀混合（如图6（a），在复合材料制作中，基体不需要流动长的路径，就可以很好地浸渍增强纤维。 如果两相纤维的混合程度差（如图6（b），基体就必须流经较长的路径，以完全浸渍增强纤维。同时，由于增强纤维的密集堆砌，基体向增强纤维内部渗透极其困难。 10/4/202219.混纤纱结构与基体浸渍(The structure of co图6 两种特有混纤纱结构 (Fig.6 special structure sketch for commingled yarn) 10/4/202220.图6 两种特有混纤纱结构 (Fig.6 special st图7 混纤纱复合材料热压固化基体浸渍

11、过程(Fig.7 resin impregnating during consolidation for RFTFC manufacture)10/4/202221.图7 混纤纱复合材料热压固化基体浸渍过程10/2/20222基体浸渍模型( impregnating model) 对基体浸渍增强纤维束的过程做如下假设： （1）不考虑熔融基体本身的重力作用及其表面张力对其浸渍的影响，熔融基体所承受的外界压力是基体流动的唯一动力； （2）熔融基体的流动行为是只发生在增强纤维束截面方向上的层流，不考虑基体平行于增强纤维束轴向上的流动； （3）基体浸渍过程中，增强纤维束内的各纤维之间不发生相对运动，且

12、复合体系的压实完全是熔融基体浸入增强纤维束内所致。 （4）在浸渍过程中，熔融基体受到的剪切速率为常数。10/4/202222.基体浸渍模型( impregnating model)10/ 用Darcy定律分析熔融基体完全浸渍增强纤维束所需要的时间. dx/dtKp/ dp/dx 其中： dp/dx为压力梯度； 为熔融基体的粘度； Kp为增强纤维束的渗透率；dx/dt为熔融基体的浸渍速度。10/4/202223. 用Darcy定律分析熔融基体完全浸渍增强纤维束 熔融基体在增强纤维束内沿x方向上流动距离为x时所需要的时间t: t 1/2 x2/Kpp 对于给定的混纤集合体，kp为一常数。 t 与、

13、p有关。 对于PP基体， 与温度关系： 0.0026exp(5600/T) 10/4/202224. 熔融基体在增强纤维束内沿x方向上流动距离为x时所需要 t /p t 1/Tp 10/4/202225.10/2/202225. 对于不同结构的混纤纱，其中kp不同。 Kp是影响复合材料成型时间（成本）以及复合材料力学性能、质量的重要指标之一。 研究增强纤维（特别是连续、脆性增强纤维）与基体纤维的混合方式是混纤复合材料制备中主要技术之一。 10/4/202226. 对于不同结构的混纤纱，其中kp不同。10/2/喷气混纤纱及其复合材料 (Air-jet commingled yarn and it

14、s composites) 根据以上分析，我们提出用空气变形纱设备，实现喷气混纤纱加工。工艺过程示意图见图8。10/4/202227.喷气混纤纱及其复合材料 (Air-jet commingle图8 喷气混纤纱加工示意图 (Fig.8 sketch of air-jet commingled of GF/PPF)10/4/202228.图8 喷气混纤纱加工示意图 (Fig.8 sketch of喷气混纤纱加工工艺( Technology parameter for air-jet commingled yarn of GF/PPF)： 玻璃纤维粗纱120tex，聚丙烯长丝150D/36f。 玻

15、璃纤维/聚丙烯喷气混纤纱加工参数见表1。经过喷气加工的混纤纱的结构如图9。10/4/202229.喷气混纤纱加工工艺( Technology paramete表1 喷气混纤纱加工参数 (Table 1 manufacture parameters for air-jet commingled yarn of GF/PPF)原料超 喂供气压力，bar玻璃粗纱8.98.98.91.6 6聚丙烯长丝8.927.052.427.0喷气纱AJCY1AJCY2AJCY3AJCY410/4/202230.表1 喷气混纤纱加工参数 (Table 1 manufact图9 玻璃纤维/聚丙烯喷气混纤纱结构 (Fi

16、g.9 structure of air-jet commingled yarn of GF/PPF) AJCY1 AJCY2 AJCY3 AJCY4热压单根纱，PP纤维熔融10/4/202231.图9 玻璃纤维/聚丙烯喷气混纤纱结构 (Fig.9 stru AJCY1：玻璃纤维与聚丙烯长丝相互混合点多、玻璃纤维伸直度较好。 AJCY2与AJCY3：玻璃纤维与聚丙烯长丝都存在弯曲。 AJCY4：玻璃纤维呈伸直状态，聚丙烯纤维主要分布在外面。10/4/202232. AJCY1：玻璃纤维与聚丙烯长丝相互混合点多、玻璃单向复合材料性能 (Mechanical properties of UD co

17、mposites made from air-jet commingled yarn of GF/PPF): 玻璃纤维束/聚丙烯纤维并列堆砌型纱（UY）、膨松玻璃纤维束/聚丙烯纤维并列堆砌型纱（AJUY）以及玻璃纤维/聚丙烯喷气混纤纱(AJCY)的单向复合材料性能见图10。 10/4/202233.单向复合材料性能 (Mechanical propertie图10 不同结构混纤纱型复合材料性能比较（Fig.10 the mechanical properties of commingled yarn based composites)10/4/202234.图10 不同结构混纤纱型复合材料性能

18、比较（Fig.10 th 利用混纤纱可以通过织造开发双向混纤复合材料（见图11）。 利用增强纤维束与基体纤维织造实现混纤复合材料的加工（见图12）。10/4/202235. 利用混纤纱可以通过织造开发双向混纤复合材料（见图图11 混纤纱织造开发双向复合材料(Fig.11 composites made from commingled yarn weaving)图12 织造混纤制备复合材料(Fig.12 composites made from weaving of reinforced fibers / thermoplastic fibers)10/4/202236.图11 混纤纱织造开发双

19、向复合材料(Fig.11 compo织造混纤单向复合材料 (weaving hybrid for UD composites ) 采用芳纶无捻长丝束作经纱，聚丙烯长丝作纬纱进行织造，形成预浸料。 将预浸料铺层、热压成型，形成单向聚丙烯增强芳纶复合材料（见图13）。 织物经纱密度80根/10cm、120根/10cm、140根/10cm。10/4/202237.织造混纤单向复合材料 (weaving hybrid for图13织造混纤单向复合材料的制作流程(Fig.13 manufacture process of weaving hybrid for UD composites)10/4/202

20、238.图13织造混纤单向复合材料的制作流程(Fig.13 manu图14 芳纶纤维含量与纵向拉伸强度的关系 (Fig.14 the relationship between Kevlar content and longitudinal tensile strength of composites)10/4/202239.图14 芳纶纤维含量与纵向拉伸强度的关系 (Fig.14 t聚丙烯的热分析特性( the thermo-properties of PP) ： 利用DSC-2910型热分析仪测试聚丙烯长丝、聚丙烯膜（由聚丙烯长丝在200、5MPa 热压5min形成）、芳纶/聚丙烯复合体系的

21、结晶溶解行为。10/4/202240.聚丙烯的热分析特性( the thermo-properti 聚丙烯膜是聚丙烯长丝在200、5MPa 、热压5min，取出模具自然冷却形成。 芳纶/聚丙烯复合体系I：芳纶体积含量44.87，200、5MPa 、热压5min，在热压机内自然冷却形成。 芳纶/聚丙烯复合体系II：芳纶体积含量44.87，200、5MPa 、热压5min，在热压机内水冷却形成。 芳纶/聚丙烯复合体系III：芳纶体积含量44.87，200、5MPa 、热压5min，取出模具自然冷却形成。 芳纶/聚丙烯复合体系IV：芳纶体积含量24.03，200、5MPa 、热压5min，取出模具自

22、然冷却形成。 10/4/202241. 聚丙烯膜是聚丙烯长丝在200、5MPa 、热压5mi表2 结晶熔解行为测试结果（升温速率10/min）（Table2 result of DSC test)试样峰值温度，熔点，熔解热，J/g聚丙烯长丝165.90155.9682.49聚丙烯膜163.10154.0372.16芳纶/聚丙烯复合体系I163.60158.4893.38 芳纶/聚丙烯复合体系II160.00152.2875.65 芳纶/聚丙烯复合体系III163.00152.6886.48 芳纶/聚丙烯复合体系IV165.70152.0082.8010/4/202242.表2 结晶熔解行为测试

23、结果（升温速率10/min）试样峰值 聚丙烯膜的熔解热比聚丙烯长丝下降10 J/g，聚丙烯长丝热压成膜后结晶度减小；芳纶/聚丙烯复合体系IV，聚丙烯的熔解热大于聚丙烯膜熔解热。芳纶的存在，起43到了聚丙烯结晶时成核剂的作用，加速聚丙烯的成核，在芳纶表面形成球晶，结晶度增加； 芳纶/聚丙烯复合体系III的熔解热大于芳纶/聚丙烯复合体系IV。芳纶含量增加，有利于聚丙烯结晶，结晶度提高； 10/4/202243. 聚丙烯膜的熔解热比聚丙烯长丝下降10 J/g，聚丙烯长丝 比较相同芳纶含量的复合体系I、II、III，热压后模具冷却越快，其溶解热越小，聚丙烯重新结晶的结晶度减小。冷却越快时，聚丙烯在低温

24、、短时间内结晶，使其在结晶不完全得情况下迅速固化，因此结晶度降低，溶解峰值温度减小。 冷却方式影响聚丙烯的再结晶速度、结晶度。10/4/202244. 比较相同芳纶含量的复合体系I、II、III，热压后模具冷复合材料横向拉伸强度（Transverse tensile strength of composites) 四种芳纶/聚丙烯复合体系（I、II、III、IV）复合材料的横向拉伸强度见图15。10/4/202245.复合材料横向拉伸强度（Transverse tensile 对比图15、表2的结果： 在芳纶纤维体积含量相同时（I、II、III），芳纶/聚丙烯复合体系中，聚丙烯的熔解热越大，复

25、合材料的横向拉伸强度越高； 在芳纶体积含量不同时（III、IV），体积含量越小，复合材料的横向拉伸强度越高。图15 复合材料横向拉伸强度(Fig.15 Transverse tensile strength of composites)10/4/202246. 对比图15、表2的结果：图15 复合材料横向拉伸强度(F3.纤维网型混纤复合材料 Composites made from web of Reinforcing Fibers / Thermoplastic Fibers 天然增强纤维（natural reinforced fibers) 纤维网型混纤主要以天然增强纤维（大麻、亚麻、黄麻

26、等）作为增强材料的复合材料加工。在纤维网中，增强纤维是非连续纤维。 天然增强纤维与其他增强纤维性能比较见图16。 天然增强纤维主要替代玻璃纤维在复合材料加工中使用。10/4/202247.3.纤维网型混纤复合材料 Composites made 图16 不同纤维的比刚度与比强度（Fig.16 special stiffness and special tensile strength of various fibers)10/4/202248.图16 不同纤维的比刚度与比强度（Fig.16 specia 麻纤维生长期短、生长环境要求不高，其生长、收获、加工的能量消耗较少； 麻对二氧化碳的吸收能

27、力强，具有减缓“温室效应”的作用； 麻焚烧时无毒物排放、填埋后可生物降解； 由于全球能源和环境问题的日益突出，采用麻纤维（亚麻、大麻、苎麻）替代无益环境的无机、有机纤维 ( 例如玻璃纤维 ) 作为树脂基复合材料的增强体已受到研究者的关注。10/4/202249. 麻纤维生长期短、生长环境要求不高，其生长、收获、加工的 麻纤维的密度（1.2g/cm3）小于玻璃纤维（2.5 g/cm3），用麻纤维复合材料代替玻璃纤维复合材料，其部件重量可以减轻。 在汽车工业中如果车重减少10%，燃料效率提高7%，CO2的总释放量减少； 天然纤维复合材料还可以代替木材使用，对保护森林具有价值。 图17 汽车所用复合

28、材料的部件位置（Fig.17 composites used for car parts)10/4/202250. 麻纤维的密度（1.2g/cm3）小于玻璃纤维（2.5 g表3 大麻复合材料与玻纤复合材料加工所需能量比较（1吨复合材料）（Table 3 comparison of necessary energy for hemp composites and GF composites manufacture)项目大麻复合材料（65纤维）能量，MJ玻纤复合材料（30纤维）能量，MJ材料大麻栽培1340玻纤生产14500PP生产35350PP生产70700合计36690合计85200复合材料加

29、工1120011200PP焚烧能量需求117能量需求234释放能量7630释放能量15260增强纤维焚烧大麻能量需求1108玻纤能量需求516释放能量10650释放能量综合情况总能量需求49115总能量需求97150释放能量18222释放能量15260需求净能量30800需求净能量81890 生产每吨（1000KG）复合材料，用大麻代替玻璃纤维，纤维节能26，PP节能69，总节能约为50000MJ。10/4/202251.表3 大麻复合材料与玻纤复合材料加工所需能量比较（1吨复合材天然纤维复合材料的制作方法 (technology methods for natural fibers rein

30、forced composites) 天然纤维增强复合材料的加工技术见图18。10/4/202252.天然纤维复合材料的制作方法 (technology met图18 天然纤维增强复合材料的成型技术 (Fig.18 manufacture technology for natural fibers reinforced composites)10/4/202253.图18 天然纤维增强复合材料的成型技术 (Fig.18 ma非织布混纤复合材料制作及其性能 (the mechanical properties and manufacture of non-woven hybrid composites) 增强纤维与基体纤维混合加工纤维网，然后通过针刺使纤维网表面的一些纤维随刺针穿过纤维网，同时用于摩擦力作用而使纤维网受到压缩，纤维网不会恢复原状。同时，针刺犹如许多纤维束“销钉”钉入纤维网。这种结构