蔡福泉

（安徽旭升新材料有限公司，安徽 蕪湖 241000）

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑復(fù)合材料研發(fā)及應(yīng)用

蔡福泉

（安徽旭升新材料有限公司，安徽 蕪湖 241000）

介紹了熱塑性樹(shù)脂連續(xù)纖維復(fù)合材料（CFRT）的模壓工藝和注塑工藝，以及CFRT產(chǎn)品最新應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)CFRT與GMT的工藝進(jìn)行了分析比較。產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)結(jié)果表明：玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63%時(shí)，其CFRT拉伸強(qiáng)度515 MPa，拉伸模量25.9 GPa，彎曲強(qiáng)度380 MPa，彎曲模量22.7 GPa，比GMT分別提高了24%、19%、21%和17%；成功或正在開(kāi)發(fā)CFRT板材，“三明治”夾層結(jié)構(gòu)石油管道、集裝箱體、勞動(dòng)防護(hù)鞋包頭等產(chǎn)品和應(yīng)用市場(chǎng)。最后指出CFRT技術(shù)目前存在的問(wèn)題，今后研發(fā)方向以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)。

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料；研發(fā)；應(yīng)用

0 引言

CFRT是近期發(fā)展起來(lái)的一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic）。該材料發(fā)展歷經(jīng)了3 個(gè)階段：

第1階段采用短纖維（0.2～0.4 mm）增強(qiáng)，即SFT（Short Fiber Reinforced Thermoplastic），制品強(qiáng)度較差，難以滿足結(jié)構(gòu)材料的性能要求。

第2階段改為中長(zhǎng)纖維（3～50 mm）增強(qiáng)，即LFT（Long Fiber Reinforced Thermoplastic），制品強(qiáng)度有所增強(qiáng)，但韌性差和粒料難以控制。

第3階段采用連續(xù)纖維增強(qiáng)的方式，即CFRT（Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic），可大幅度提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐疲勞性能。

CFRT具備以下特點(diǎn)：

① 強(qiáng)度高，抗沖擊強(qiáng)，力學(xué)性能高；

② 耐溫抗?jié)穹奖汩L(zhǎng)期儲(chǔ)存；

③ 易加工成型，生產(chǎn)效率高；

④ 可以回收重復(fù)利用6 次，對(duì)壞境友好；

⑤ 基料易選擇，PA、PP、PE、PC等材料均適用。

CFRT越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并成為復(fù)合材料領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，究其原因是：

在近代復(fù)合材料發(fā)展史上，人們重點(diǎn)關(guān)注那些在未來(lái)15～25 年內(nèi)性能有重大改進(jìn)的材料（模量提升20%～25%），而“單一材料”不大可能取得這樣大的改進(jìn)。到2020年，模量增加20%～40%的材料將大有用武之地，現(xiàn)在看來(lái)惟有復(fù)合材料才有可能實(shí)現(xiàn)這樣大幅度的性能提升。CFRT就是這種新型復(fù)合材料之一。

CFRT主要用途見(jiàn)表1?；贑FRT的特殊性能，我國(guó)起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展中。

CFRT的主要成分有玻璃纖維和PE，采用單向鋪層。其技術(shù)性能見(jiàn)表2。

1 CFRT研發(fā)

1.1 研發(fā)內(nèi)容

長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（LFT）經(jīng)過(guò)多年研發(fā)已經(jīng)批量生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上研發(fā)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRT），提高樹(shù)脂極性，降低樹(shù)脂粘度是增加浸潤(rùn)動(dòng)力，減小浸潤(rùn)阻力，提高浸漬速度的有效方法；強(qiáng)化纖維絲束的徑向擴(kuò)展和樹(shù)脂熔體往纖維絲束的徑向流動(dòng)，減少纖維單絲的折損是提高熔融浸漬效率的主要途徑；采用與浸漬樹(shù)脂和浸漬設(shè)備特征相適應(yīng)的浸漬溫度、浸漬速度等工藝參數(shù)設(shè)置是浸漬生產(chǎn)線高速、穩(wěn)定運(yùn)行的根本保障。綜合浸漬配料、浸漬模頭和浸漬工藝3方面的關(guān)鍵技術(shù)，才能生產(chǎn)低成本和高性能的CFRT。

表1 CFRT主要市場(chǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域

圖1為CFRT預(yù)浸帶。在嚴(yán)格控制工藝條件下制成CFRT，制備復(fù)合材料的預(yù)浸帶是制成樹(shù)脂基體與增強(qiáng)體的組合物。預(yù)浸帶的質(zhì)量好壞直接影響到復(fù)合材料物件的質(zhì)量，對(duì)于復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義，廣泛用于航空航天和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。一般熱塑性復(fù)合材料采用編織布、玻纖氈、GMT以及其它不連續(xù)的纖維來(lái)起到增強(qiáng)效果，CFRT則是在生產(chǎn)中保證了纖維的連續(xù)性，在成型制品中仍然保持連續(xù)性的纖維，這使得產(chǎn)品具有超越傳統(tǒng)材料的性能，擁有更低的密度，同時(shí)具有更高的強(qiáng)度。

CFRT可以作為基礎(chǔ)材料，可以將復(fù)雜的制品通過(guò)應(yīng)用程序的分析后，靈活的把CFRT通過(guò)不同的鋪層設(shè)計(jì)（0/30/60/90）來(lái)改變局部或是整體結(jié)構(gòu)所需的不同性能要求，讓材料發(fā)揮最高的性能價(jià)值。目前，連續(xù)纖維增強(qiáng)聚丙烯片材中纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到65%。

圖1 CFRT預(yù)浸帶

表2 CFRT主要技術(shù)性能

該產(chǎn)品具有極高的強(qiáng)度/質(zhì)量比，較輕的質(zhì)量，較高性能的產(chǎn)品；具有較高的抗沖擊性能，提高產(chǎn)品的安全性，提高產(chǎn)品使用壽命；減少運(yùn)輸成本，防腐性能好，防潮效果好；環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展，可回收利用，減少浪費(fèi)；成型加工可以二次和多次加工，減少生產(chǎn)周期，降低成本。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 主要原料

E級(jí)玻璃纖維（熱塑性玻纖）、玻纖增強(qiáng)專(zhuān)用聚丙烯、尼龍和界面改性劑。

1.2.2 工藝路線

連續(xù)玻纖束經(jīng)紗架均布引出，導(dǎo)向后，先進(jìn)壓輥牽引機(jī)牽引壓平，然后經(jīng)過(guò)多道分散輥進(jìn)行分散，將每束玻纖展開(kāi)為7.5 mm，并使其緊密展開(kāi)排列，保證每束玻纖表面張力一致并無(wú)間隙，達(dá)到預(yù)定寬度；展開(kāi)后的玻纖帶進(jìn)入預(yù)浸裝置，玻纖帶與聚丙烯基材在模具外浸漬復(fù)合，使玻纖帶雙面都復(fù)合上聚丙烯基材；然后進(jìn)入3輥浸漬輥壓裝置，在輥壓作用下，使聚丙烯基材完全浸漬到玻纖帶內(nèi)部；充分浸漬的玻纖帶然后進(jìn)入雙輥牽引機(jī)，在牽引的同時(shí)，擠壓到預(yù)定厚度；最后是卷取裝置。工藝路線如圖2所示。

1.2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

① 片材寬670 mm，裁邊后為650 mm，片材厚度0.25～0.55 mm；

② 玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%～65%；③ 擠拉速度5～15 mm/min；

④ 主要力學(xué)性能指標(biāo)：拉伸強(qiáng)度350 MPa，彎曲強(qiáng)度380 MPa，模量19 GPa；

1.2.4 主要設(shè)備組成

整條生產(chǎn)線長(zhǎng)25 m，寬8 m。主要設(shè)備包括：紗架、導(dǎo)向裝置、分散輥、牽引輥、單螺桿擠出機(jī)、模頭、3輥浸漬機(jī)、雙輥牽引機(jī)、卷取裝置及其他配套裝置等，部分電機(jī)和浸漬輥為德國(guó)進(jìn)口設(shè)備，控制系統(tǒng)為PLC界面控制。

圖2 工藝路線圖

設(shè)備裝置中調(diào)試要點(diǎn)：

① 紗架張力裝置：要調(diào)節(jié)好每束纖維的張力，確保纖維筆直和平行。

② 纖維分散裝置：纖維要通過(guò)分散架均勻分布，達(dá)到同一平面。

③ 螺桿擠出和纖維浸漬裝置：要把纖維在特制的浸漬模頭中充分浸漬。

④ 棍壓、收卷裝置：要同步進(jìn)行，調(diào)整好速度。

⑤ 預(yù)浸帶分切裝置：采用獨(dú)特工藝對(duì)CFRT進(jìn)行精確裁切，裁切范圍為10～300 mm，可以滿足不同要求的客戶需求。

目前旭升公司已經(jīng)有了CFRT生產(chǎn)線1 條，計(jì)劃在生產(chǎn)穩(wěn)定后再上1 條生產(chǎn)線。

在此基礎(chǔ)上，上一條石油管道生產(chǎn)線，采用激光融化的原理，連續(xù)化加工“三明治”夾層結(jié)構(gòu)石油管道，以滿足國(guó)家對(duì)石油管道改造工程的需求。

2 開(kāi)發(fā)CFRT制品

2.1 CFRT板材

采用蜂窩芯做內(nèi)襯，兩面板用CFRT預(yù)浸片材，加入適量的助劑，在一定壓力下，熔融成型。

圖3為蜂窩板與預(yù)浸片，在蜂窩板的兩面附上CFRT帶材，讓蜂窩板不但擁有更輕和更強(qiáng)的承載能力，還有更好的強(qiáng)度/質(zhì)量比和耐沖擊性，該板材具有高模量、高強(qiáng)度和特別輕的特點(diǎn)，應(yīng)用于集裝箱內(nèi)壁板，可以以塑代木，耐海水腐蝕，使用壽命長(zhǎng)。

利用高速的制板工藝，制造全復(fù)合材料海運(yùn)集裝箱。這種集裝箱比目前使用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品輕60%，而且極其耐用，不銹不腐，在制造過(guò)程中無(wú)揮發(fā)性有機(jī)化合物排放，使用期滿后可以回收利用。

圖3 蜂窩板與預(yù)浸片

我國(guó)是集裝箱生產(chǎn)使用大國(guó)，世界上有70%以上集裝箱都是中國(guó)制造。開(kāi)發(fā)CFRT板材可以提高我國(guó)集裝箱在國(guó)際市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力。減少木材大量進(jìn)口，保護(hù)壞境，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.2 CFRT輸油管道

我國(guó)石油生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中需要大量的輸油管道，這些輸油管道強(qiáng)度差，不耐老化，帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。中石油、中石化等大型油田目前已形成了655 條油氣長(zhǎng)輸管線，總里程達(dá)到1.02×105km，一些已運(yùn)行了20多年，有的甚至達(dá)到40多年，有些管道已經(jīng)銹蝕、變薄。青島事故后，國(guó)家要求各地進(jìn)行石油管道改造，對(duì)CFRT輸油管道的需求量將會(huì)不斷增長(zhǎng)。如果天然氣管道更新改造，也是個(gè)潛在的大市場(chǎng)。

圖4為“三明治”夾層結(jié)構(gòu)石油管道，采用“三明治”夾層結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝，大大增強(qiáng)了石油管道的耐壓強(qiáng)度，延長(zhǎng)了石油管道的使用壽命，為解決像青島石油管道破裂造成火災(zāi)的大問(wèn)題。所謂三明治生產(chǎn)工藝，就是把CFRT放在中間層，二面用保護(hù)層，在激光的輻射下迅速熔融，冷風(fēng)干燥成型。接頭用法蘭鏈接或焊接。該制品在研發(fā)中。

2.3 CFRT勞保鞋包頭制品

勞保鞋是一種用于保護(hù)勞動(dòng)者足部安全的安全防護(hù)鞋，對(duì)勞動(dòng)者在生產(chǎn)生活過(guò)程中起足部防護(hù)作用。

溫州和臺(tái)州地區(qū)是勞保鞋出口基地，每年有3×107雙勞保鞋出口到世界各地。用CFRT生產(chǎn)的勞保鞋包頭，具有輕便、舒適、衛(wèi)生、耐磨等特點(diǎn)，代替現(xiàn)有笨重的鋼包頭勢(shì)在必行。平均一雙需要CFRT 100 g，需求量3 000 t/a。中國(guó)政府也在不斷加強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)，國(guó)內(nèi)對(duì)勞保鞋的需求量在不斷上升，每年勞保鞋和運(yùn)動(dòng)鞋在1×107雙以上，需求量1 000 t/a。內(nèi)外銷(xiāo)合計(jì)在4 000 t/a。

圖4 “三明治”夾層結(jié)構(gòu)石油管道

實(shí)際上很多作業(yè)場(chǎng)所需要既能保護(hù)足趾免受或減輕外來(lái)物打擊傷害，也能防止尖銳物從鞋底部刺傷足部，或防止和減輕化學(xué)物質(zhì)對(duì)足部的傷害，或消除人體靜電聚集等多種功能的勞保鞋。在錯(cuò)綜復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境中，有多種因素如化學(xué)、機(jī)械、電或高溫等可能同時(shí)對(duì)人體造成危害，因此要求防護(hù)鞋也應(yīng)該同時(shí)具備防化學(xué)、機(jī)械、電或高溫傷害的功能。由于使用場(chǎng)所的情況決定其防護(hù)功能、衛(wèi)生要求和舒適性綜合要求。 勞保鞋在勞動(dòng)條件惡劣的場(chǎng)所穿用，都應(yīng)具備耐油、緩沖和防滑等基本功能。

圖5為CFRT勞保鞋包頭，該制品采用不同紡織編織結(jié)構(gòu)方式，形成纖維編織各種方案，適應(yīng)各種勞保鞋需求。

相對(duì)國(guó)外勞保鞋市場(chǎng)而言，中國(guó)國(guó)內(nèi)勞保鞋市場(chǎng)發(fā)展進(jìn)程較緩慢，但卻有一個(gè)良好的發(fā)展環(huán)境。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家個(gè)體防護(hù)裝備政策的完善，人們對(duì)安全生產(chǎn)及個(gè)體防護(hù)的認(rèn)識(shí)加深，勞保鞋市場(chǎng)也逐漸有了一個(gè)良好的發(fā)展空間及趨勢(shì)，涌現(xiàn)出了很多勞保鞋的品牌。用CFRT生產(chǎn)勞保鞋包頭勢(shì)在必行，市場(chǎng)前景看好。

3 CFRT發(fā)展趨勢(shì)

圖5 CFRT勞保鞋包頭

CFRT自1970年代初開(kāi)發(fā)以來(lái)，在航天、航空、汽車(chē)、化工、電子/電器等領(lǐng)域均得到應(yīng)用，發(fā)展速度很快。越來(lái)越受到各國(guó)重視，研究應(yīng)用十分活躍，近年來(lái)，每年均以25%的速度增長(zhǎng)，發(fā)展速度比熱固性復(fù)合材料高數(shù)倍。我國(guó)從1980年代中后期也開(kāi)展了CFRT的研制工作，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距很大。然而，我國(guó)CFRT的發(fā)展有著巨大的潛力，隨著新能源汽車(chē)、無(wú)人機(jī)/機(jī)器人的快速發(fā)展，對(duì)CFRT的需求會(huì)越來(lái)越大。因此在我國(guó)加快CFRT的研制和應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

但是，CFRT作為一種相對(duì)較新的復(fù)合材料，仍有不少問(wèn)題有待解決，如開(kāi)發(fā)新的增強(qiáng)材料和新的基料，研發(fā)新的加工設(shè)備和成型加工方法，適應(yīng)大型和復(fù)雜構(gòu)件成型的需要，以提高CFRT及其制品的強(qiáng)度、剛度、耐熱性、韌性等；研發(fā)新的助劑，提高纖維表面處理效果，提高纖維和基體界面的結(jié)合強(qiáng)度，研發(fā)CFRT制品再生利用的研究等。為此我們制定了十三五新材料發(fā)展計(jì)劃，上述問(wèn)題都是列入十三五期間新材料研發(fā)的重大課題。

CFRT作為一種相對(duì)較新的復(fù)合材料，其研究和應(yīng)用也正在不斷的發(fā)展和完善。其研發(fā)趨勢(shì)如下：

⑴ 開(kāi)發(fā)新的增強(qiáng)基料，以提高復(fù)合材料及其制品的強(qiáng)度、剛度、耐熱性、韌性等；

⑵ 研發(fā)預(yù)浸帶的加工設(shè)備和復(fù)合材料成型加工方法，特別是大型和復(fù)雜構(gòu)件成型方法的開(kāi)發(fā)；

⑶ 研發(fā)新的助劑，提高表面浸漬效果，提高纖維和基體界面的結(jié)合強(qiáng)度；

⑷ 加快CFRT制品再生利用的研究，減少環(huán)境污染等。

⑸ 減少工藝周期，降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

上述5 個(gè)方面的發(fā)展將綜合考慮和統(tǒng)籌兼顧，CFRT將會(huì)獲得更為廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)前景將更加廣闊。

十三五期間，隨著航空航天工業(yè)對(duì)新材料要求的越來(lái)越高和需求越來(lái)越大，從資源及技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，CFRT在性能、價(jià)格、生產(chǎn)效率、裝配、維修費(fèi)用等方面的優(yōu)越性，使其在即將到來(lái)的復(fù)合材料時(shí)代中，將扮演舉足輕重的角色。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)各種增強(qiáng)纖維和織物預(yù)浸料的年產(chǎn)量不足2×107m2，而市場(chǎng)需求量卻達(dá)到了5×107m2以上，市場(chǎng)供需缺口非常大，所以開(kāi)發(fā)該產(chǎn)品具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。近年來(lái)，一方面通過(guò)對(duì)現(xiàn)有熱塑性樹(shù)脂的改性，另一方面開(kāi)發(fā)高性能熱塑性樹(shù)脂如PPO、PEEK、PEI、PPS、PSF等，使得CFRT的應(yīng)用越來(lái)越多。

4 結(jié)論

CFRT生產(chǎn)技術(shù)的難點(diǎn)在于纖維絲束的熔融浸漬。相對(duì)于熱固性樹(shù)脂，熱塑性樹(shù)脂的熔體粘度都很高，不易浸透纖維絲束和取得高的浸漬速度。提高樹(shù)脂極性，降低樹(shù)脂粘度是增加浸潤(rùn)動(dòng)力、減小浸潤(rùn)阻力和提高浸漬速度的有效方法；強(qiáng)化纖維絲束的徑向擴(kuò)展和樹(shù)脂熔體往纖維絲束的徑向流動(dòng)，減少纖維單絲的折損是提高熔融浸漬效率的主要途徑；采用與浸漬樹(shù)脂和浸漬設(shè)備特征相適應(yīng)的浸漬溫度、浸漬速度等工藝參數(shù)設(shè)置，是浸漬生產(chǎn)線高速和穩(wěn)定運(yùn)行的根本保障。當(dāng)溫度設(shè)置為220 ℃時(shí)，所得CFRT的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為112、165和7 700 MPa，比一般短玻纖增強(qiáng)PP高50%～70%。隨浸漬溫度增加，強(qiáng)度和模量都增加。當(dāng)浸漬溫度為250 ℃，所得CFRT的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為128、183 MPa和12.7 GPa，高于RTP同類(lèi)產(chǎn)品的性能指標(biāo)（見(jiàn)表3）。進(jìn)一步提高浸漬溫度易導(dǎo)致PP熔體黃變。

CFRT development and application

CAI Fu-quan
( Anhui Xusheng New Concept Materials, Co, Ltd., Anhui Wuhu 241000 China )

This paper highlights CRFT compression and injection molding methods as well as the latest applications and the charteristics of CFRT method in comparison with GMT and pre-compounded pelled molding methods. Product development and product development results show: In the Content of Glass Fiber63%,Tensile Strength 515 MPa, Tensile Modulus 25.9 GPa, Tlexural Strength 380 MPa, Flexural Modulus 22.7 GPa. Ratio has increased 24%、19%、21% and 17%. Successful or developing CFRT plate, Sanmingfa oil pipeline, Sealing, Production and application market of Labor lining and other products. Finally it is pointed out that CFRT technology present problems, The direction of the research and development, and industrialization development trend in the future.

CFRT; development; application

TQ327.11

A

1007-9815（2016）06-0001-05

定稿日期: 2016-12-22

蔡福泉（1958-），男，安徽六安人，高級(jí)工程師，從事高分子材料研發(fā)，(電子信箱)caifuquan6688@126.com。