熱塑性聚合物的增強(qiáng)改性

1、14 熱塑性聚合物的增強(qiáng)改性 14.1 增強(qiáng)材料的種類與特性14.2 短纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物復(fù)合材料14.3 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物復(fù)合材料 14.4 纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物復(fù)合材料的界面控制與設(shè)計(jì) 14.1 增強(qiáng)材料的種類與特性 14.1.1 玻璃纖維 14.1.2 碳纖維 14.1.3 其他增強(qiáng)材料 14.1.1 玻璃纖維 一.玻璃纖維的種類、結(jié)構(gòu)與制備二.玻璃纖維的性能特點(diǎn)三.玻璃纖維的表面處理 一.玻璃纖維的種類、結(jié)構(gòu)與制備 1.玻璃纖維的分類與化學(xué)組成 2.玻璃纖維的結(jié)構(gòu) 3.玻璃纖維的制備 4.玻璃纖維的規(guī)格 1.玻璃纖維的分類與化學(xué)組成 （1）玻璃纖維的分類 （2）玻璃纖維的化學(xué)

2、組成 （1）玻璃纖維的分類 A.按含堿量分類所謂含堿量，通常是把玻璃中的Na2O,K2O的含量叫做含堿量。無堿玻璃纖維-含堿量在1%以下。低堿玻璃纖維-含堿量在2%-6%.有堿玻璃纖維-含堿量大于10%。 （1）玻璃纖維的分類 B.性能分類高強(qiáng)玻璃纖維又叫S玻璃纖維。高模量玻璃纖維又叫M玻璃纖維。耐堿玻璃纖維耐酸玻璃纖維又叫C玻璃纖維。耐高溫玻璃纖維。普通玻璃纖維又分為有堿A玻璃纖維和無堿E玻璃纖維 7（1）玻璃纖維的分類 C.按制造方法分連續(xù)纖維定長纖維 （2）玻璃纖維的化學(xué)組成 玻璃纖維的化學(xué)組成主要是二氧化硅和氧化硼.以二氧化硅為主的稱為硅酸鹽玻璃，以氧化硼為主的稱為硼酸鹽玻璃。 在玻璃

3、體中加入氧化鈉、氧化鉀等堿性氧化物能降低玻璃的熔化溫度和粘度，故稱為助熔氧化物。2.玻璃纖維的結(jié)構(gòu) （1）玻璃的物態(tài)-無定型非晶態(tài)固體 玻璃沒有固定的熔點(diǎn)，隨溫度升高，逐漸由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，玻璃變?yōu)橐簯B(tài)是在一個(gè)比較寬的軟化溫度范圍內(nèi)進(jìn)行； 玻璃是各向同性的均質(zhì)材料，晶體卻不同，多數(shù)晶體是各向異性的。 （2）玻璃纖維的結(jié)構(gòu)-玻璃纖維的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)仍與玻璃相同3.玻璃纖維的制備 生產(chǎn)玻璃纖維應(yīng)用最廣的方法有池窯拉絲和坩堝拉絲兩種。池窯拉絲的優(yōu)點(diǎn)是省掉了制球工序。圖14-1 坩堝法拉絲示意圖 4.玻璃纖維的規(guī)格 纖維支數(shù)表示法重量法-重量法是用1克原絲的長度來表示。例如：80支紗表示1克重的原絲長80米

4、。定長法-定長法是目前國際統(tǒng)一使用的方法，通稱“TEX”（公制號(hào)數(shù)）.它是指1000米長原絲的重量克數(shù)。例如4TEX就是指1000米原絲重4克。合股紗的支數(shù)-合股紗的支數(shù)是指每克合股紗的長度米數(shù)，等于原絲的支數(shù)除以合股數(shù)。 二.玻璃纖維的性能特點(diǎn) 1.玻璃纖維的力學(xué)性能 2.玻璃纖維的熱性能 3.玻璃纖維的耐腐蝕性能 4.玻璃纖維的介電性能 三.玻璃纖維的表面處理 1.單絲處理，單絲處理劑亦稱浸潤劑2.纖維和織物的表面處理 1.單絲處理浸潤劑 （1）浸潤劑的作用 使多根單絲集中成股；增加原紗的耐磨性和提高拉伸強(qiáng)度；保護(hù)纖維免受大氣和水分的侵蝕作用。（2）浸潤劑的種類 紡織型浸潤劑;增強(qiáng)型浸潤劑

5、.2、玻璃纖維和織物的表面處理 后處理法 前處理法 遷移法 14.1.2 碳纖維碳纖維 一. 碳纖維的分類 二. 碳纖維的性能 三. 碳纖維的表面處理 一. 碳纖維的分類 根據(jù)原絲類型分類（1）聚丙烯腈基碳纖維；（2）粘膠基碳纖維；（3）瀝青基碳纖維；（4）其他有機(jī)纖維基碳纖維。 二. 碳纖維的性能 1.力學(xué)性能 2.碳纖維的物理性能 3.化學(xué)性能 1.力學(xué)性能 碳纖維的理論強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃纖維,是典型的脆性材料。一般高模量碳纖維的最大延伸率是0.35%，高強(qiáng)度碳纖維為1%；碳纖維的彈性回復(fù)為100%，說明碳纖維的剛性極大，韌性較差。 2.碳纖維的物理性能 碳纖維的密度在1.52.0g/cm3

6、之間，低于玻璃纖維，所以碳纖維的比強(qiáng)度，比模量較高。碳纖維的導(dǎo)電性較好 3.化學(xué)性能 對一般酸堿是惰性的。在空氣中，溫度高于400時(shí)，則出現(xiàn)明顯的氧化，生成CO和CO2。在不接觸空氣或氧化氣氛時(shí)，碳纖維具有突出的耐熱性. 它還有耐油、抗放射、抗輻射、吸收有毒氣體和減速中子等特性。 三. 碳纖維的表面處理 1.表面清潔法 2.氣相氧化法 3.液相氧化法 4. 電解氧化法 5. 表面涂層法 14.1.3其他增強(qiáng)材料 一.硼纖維 二.碳化硅纖維 三.金屬纖維 四. 晶須 14.2短纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物復(fù)合材料 14.2.1短纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng) 機(jī)理 14.2.2短纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料

7、的制備工藝 14.2.3 短纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的強(qiáng)度預(yù)測 14.2.1短纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理 應(yīng)力傳遞理論 剪切滯后理論 圖14-2單根纖維埋入基體模型受力前后變形示意圖(a)受力前 b)受力后圖14-3 平行于外載荷的伸直不連續(xù)纖錐微元體的平衡 根據(jù)纖維微元體應(yīng)力平衡條件 (14-3)或 (14-4) 式中 為纖維的軸向應(yīng)力； 是基體一纖維界面的應(yīng)力； 是纖維半徑22()(2)()ffffffrrdzrd2ffddzrffr 對一根粗細(xì)均勻的纖維來說，式（14-3）-（14-4)表示纖維上應(yīng)力沿z方向上的增長率與界面上的剪應(yīng)力成正比可以通過積分來求得纖維末端距離為z處纖維

8、上的應(yīng)力，即 （14-5）式中， 為纖維末端的正應(yīng)力。若己知剪應(yīng)力沿纖維長度的分布規(guī)律，則可求得 。 002fffzdzr0ff圖14-4 理想塑性基體的剪應(yīng)力一應(yīng)變曲線 假設(shè)在纖維的末端上正應(yīng)力為零；纖維周圍的基體是理想塑性材料 在這種情況下，界面剪應(yīng)力沿界面長度為一常數(shù)，其值等于基體的剪切屈服應(yīng)力。于是，式（14-5）變?yōu)椋?（14-6）2sffLr 對于短纖維，最大應(yīng)力發(fā)生在纖維長度的中點(diǎn)處，即 處，于是有： (14-7)2Lz max()ffsLr 能夠達(dá)到連續(xù)纖維應(yīng)力時(shí)的最短纖維長度定義為載荷傳遞長度Lt，由式 (14-7)得： （14-10）max()2fftsLd達(dá)到最大纖維應(yīng)力

9、(即纖維的強(qiáng)度極限)的最小長度稱為臨界長度Lc 臨界長度Lc為： 2ffucsLd 稱為臨界長徑比,即 cfLd2fufcsLd14.2.2短纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的制備工藝 填充型增強(qiáng) 包復(fù)型增強(qiáng) 雙螺桿剪切混煉法 圖14-5 短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的包復(fù)型增強(qiáng)法圖14-6 雙螺桿剪切混煉法制備短纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料工藝流程 雙螺桿剪切混煉法的螺桿元件的型式與組合 一.雙螺桿元件的特性與功能 二.增強(qiáng)型雙螺桿擠出機(jī)的螺桿組合特點(diǎn) 一.雙螺桿元件的特性與功能 1不同螺紋元件的特性2捏合元件與特性 (a) (b)圖14-7雙螺桿元件螺紋塊，捏合塊，齒型盤示意圖 1不同螺紋元件的特性 (1)

10、螺紋頭數(shù)對擠出量、混合特性及螺桿扭矩的影響 (2)螺槽深度與擠出量、扭矩、混合特性的關(guān)系 (3)導(dǎo)程變化與特性 (1)螺紋頭數(shù) 螺紋頭數(shù)對擠出量的影響 螺紋頭數(shù)對混合特性的影響 螺紋頭數(shù)對螺桿扭矩的影響(a)單頭螺紋 (b)雙頭螺紋 (c)三頭螺紋圖14-8 不同螺紋頭數(shù)的螺桿截面示意圖圖14-9 螺紋頭數(shù)對流量的影響 圖14-10 螺紋頭數(shù)對扭矩特性的影響 圖14-11螺紋頭數(shù)對混合特性的影響 圖14-12 反螺紋頭數(shù)對流量的影響 圖14-13 反螺紋頭數(shù)對混合特性的影響 圖14-14反螺紋頭數(shù)對扭矩特性的影響 (2)螺槽深度與擠出量、扭矩、混合特性的關(guān)系 為便于分析，引入量綱1槽深的概念定

11、義如下： k=hoRs式中 k量綱1槽深； h0最大螺槽深度； Rs螺桿外徑。圖14-15 不同槽深的螺桿截面示意圖 圖14-16螺桿槽深對流量的影響 圖14-17 k對混合特性的影響 圖14-18 k對扭矩特性的影響 (3)導(dǎo)程變化與特性 一般地講，螺紋導(dǎo)程增加，螺桿的擠出量增加，物料的停留時(shí)間減少，對物料的混合效果相對有所降低，扭矩亦有所減小。2捏合元件與特性 捏合元件的主要作用是提供強(qiáng)剪切力，物料通過捏合元件的剪切作用實(shí)現(xiàn)高度分散。物料通過捏合區(qū)時(shí)，其界面與剪切方向不同，由于剪切力作用，使物料不斷更新界面，使顆粒細(xì)化與均化。(1)捏合塊厚度與捏合效果 捏合塊厚度不同所產(chǎn)生的捏合作用亦不相

12、同，厚度大的捏合塊能給物料施加很大的剪切力，其剪切作用十分明顯，厚度小的捏合塊則能提供較好的混合作用，但剪切力相對較小。(2)捏合塊不同差位組合 正向差位角越大，熔融效果越好。 正向30、正向45、正向60捏合塊對聚合物熔融效果較差。 正向90的捏合塊的混合效果優(yōu)于反向30捏合塊，接近反向60捏合塊的混合效果 圖14-19 熔融段螺桿的組合對共混物相態(tài)的影響 二.增強(qiáng)型雙螺桿擠出機(jī)的螺桿組合特點(diǎn) 1雙螺桿擠出機(jī)組合的一般原則 2雙螺桿不同區(qū)段的構(gòu)型特征與要求 3熱塑性聚合物的纖維增強(qiáng)型螺桿組合 1.雙螺桿擠出機(jī)組合的一般原則 (1)首先應(yīng)正確分析所要混合的物料的形態(tài)，性能與配比。 (2)必須了

13、解螺桿元件及螺桿各區(qū)功能，工作原理及螺桿構(gòu)型。 (3)確定加料方式與位置。 (4)選擇適當(dāng)幾何參數(shù)的螺紋、捏合元件。 (5)根據(jù)體系混合程度要求,選擇螺桿組合。2雙螺桿不同區(qū)段的構(gòu)型特征與要求 (1)固體輸送區(qū) (2)熔融區(qū) (3)混合區(qū) (4)排氣區(qū) (5)熔體輸送區(qū) (1)固體輸送區(qū) 圖14-20 固體輸送段的螺桿構(gòu)型 （2)熔融區(qū) 圖14-21用于熔融的局部螺桿構(gòu)型 (3)混合區(qū) 圖14-23 用于分布混合和分散混合的由捏合塊和螺紋元件組成的螺桿構(gòu)型 圖14-22由二頭和三頭捏合塊組成的增加混合強(qiáng)度的螺桿構(gòu)型(4)排氣區(qū) 圖14-24 排氣區(qū)螺桿構(gòu)型 (5)熔體輸送區(qū) 主要功能是輸送與增

14、壓，通過螺紋塊導(dǎo)程漸變或螺槽漸變的辦法來實(shí)現(xiàn)增壓。3熱塑性聚合物的纖維增強(qiáng)型螺桿組合 纖維的加入部位 纖維加入口處的螺桿構(gòu)型 纖維加入口下游的螺桿構(gòu)型 排氣段 圖14-25 用于玻璃纖維增強(qiáng)PA66制備的螺桿構(gòu)型 14.2.3 短纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的強(qiáng)度預(yù)測 其中，為短纖維的取向系數(shù)； 是與短纖維長度、長度分布及纖維與基體間界面作用力有關(guān)的函數(shù)如果短纖錐在復(fù)合材料中單向取向，則 =1, 1。如果纖維長度一致，均為L，則:12(1)fffcumuVV 121221()2ccLLLL 2()2ccLLLL14.3連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物復(fù)合材料 14.3.1連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制備成

15、型技術(shù)及其應(yīng)用前景 14.3.2 GMT片材及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用 14.3.1連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制備成型技術(shù)及其應(yīng)用前景 一.CFRTP的材料組成 二.CFRTP的制備技術(shù) 三.CFRTP的成型方法 四.應(yīng)用現(xiàn)狀與展望 一.CFRTP的材料組成 1.熱塑性樹脂基體 -從通用樹脂PP、PE、PVC到特種樹脂PPS、PEEK等均可選用 2.增強(qiáng)纖維 -玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維是制造CFRTP的主要纖維品種 二.CFRTP的制備技術(shù) 1.溶液浸漬制備技術(shù) 2.熔體浸漬制備技術(shù) 3.粉末浸漬制備技術(shù) 4.懸浮浸漬制備技術(shù) 5.混編制備技術(shù) 6.反應(yīng)浸漬制備技術(shù)三.CFRTP的成型方法 1.沖壓成型 2.輥壓成型 3.拉擠成型