醫(yī)學(xué)課件-混纖型熱塑性復(fù)合材料制備技術(shù)教學(xué)課件

1、 混纖型熱塑性復(fù)合材料制備技術(shù)The Manufacture of Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers Hybrid Composites 10/4/20221. 混纖型熱塑性復(fù)合材料制備技術(shù)The Manufa 報(bào)告內(nèi)容 Main Contents混纖復(fù)合材料及其制作方法 Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers Hybrid Composites (RFTFC) and its manufacture混纖紗型復(fù)合材料 Composites made from commingled yarn of Reinfo

2、rcing Fibers/Thermoplastic Fibers 纖維網(wǎng)型混纖復(fù)合材料 Composites made from web of Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers10/4/20222. 報(bào)告內(nèi)容 混纖型復(fù)合材料及其制作方法 Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers Hybrid Composites (RFTFC) 聚合物基復(fù)合材料(Fibers Reinforced Polymer Composites)10/4/20223.混纖型復(fù)合材料及其制作方法 Reinforcing Fib10/4/

3、20224.10/2/20224.10/4/20225.10/2/20225.混纖型復(fù)合材料(RFTFC) 在熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域，由于熱塑性樹脂基體具有較高的熔融溫度和熔融粘度，因此引起基體潤(rùn)濕、浸漬增強(qiáng)纖維以及在成型加工中基體流動(dòng)的問題。為了克服這些困難，研究混纖型熱塑性復(fù)合材料制備方法。 混纖型復(fù)合材料是利用增強(qiáng)纖維與基體纖維混合，在一定條件下成型，最終形成熱塑性復(fù)合材料。 10/4/20226.混纖型復(fù)合材料(RFTFC) 10/2/20226.混纖型復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn) (The advantages of RFTFC) 可以克服高分子量聚合物基體浸漬的困難； 兩相纖維的比率能夠精確控制，容

4、易調(diào)節(jié)增強(qiáng)纖維和基體纖維的比例； 預(yù)浸體有良好的柔順性，容易適應(yīng)復(fù)雜形狀。 10/4/20227.混纖型復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn) (The advantages of 混纖型復(fù)合材料預(yù)浸體制備方法（Manufacture of fibers assembly used for RFTFC) 混纖紗型復(fù)合材料 纖維網(wǎng)型（非織造布型）復(fù)合材料10/4/20228.混纖型復(fù)合材料預(yù)浸體制備方法10/2/20228.混纖型復(fù)合材料制作原理(Manufacture principle of RFTFC) 增強(qiáng)纖維和熱塑性基體纖維混纖加工纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料是利用熱塑性基體纖維可以反復(fù)熔融結(jié)晶的物理特性，通過施加

5、熱和壓力來實(shí)現(xiàn)的。 正常的固化周期：溫度上升到基體纖維的熔點(diǎn)溫度以上（通常比熔點(diǎn)溫度高2030），使基體纖維完全轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴诨w，施加足夠的壓力和時(shí)間迫使基體浸漬增強(qiáng)纖維，除去空氣，直至材料達(dá)到完全浸漬，然后降溫冷卻，形成固化的熱塑性復(fù)合材料（見圖1）。 10/4/20229.混纖型復(fù)合材料制作原理(Manufacture princi圖1 混纖型復(fù)合材料熱壓固化成型周期 （Fig.1 Consolidation Process of RFTFC)10/4/202210.圖1 混纖型復(fù)合材料熱壓固化成型周期 （Fig.1 Con2. 混纖紗型復(fù)合材料 Composites made from c

6、ommingled yarn of Reinforcing Fibers/Thermoplastic Fibers 混纖紗的結(jié)構(gòu) (The structures of commingled yarn) 熱塑性復(fù)合材料加工中，混纖紗的一般形式見圖2。10/4/202211.2. 混纖紗型復(fù)合材料 Composites made f 圖2 復(fù)合材料用混纖紗的通常結(jié)構(gòu) (Fig.2 the structures of commingled yarn for composites)10/4/202212. 圖2 復(fù)合材料用混纖紗的通常結(jié)構(gòu) (Fig.2 the s混纖紗工藝方法( The techno

7、logy of commingled yarn) 牽切紡紗 ：這種方法加工的混纖紗有毛羽和捻度（見圖2(d)。 毛羽存在可提高復(fù)合材料的破壞韌性； 捻度的存在，使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較低； 兩相纖維混合程度較好； 增強(qiáng)纖維是非連續(xù)纖維。 10/4/202213.混纖紗工藝方法( The technology of com 包芯紡紗 ：在DERF摩擦紡紗機(jī)（如圖3）上，加工混纖紗（見圖2(c)。 混纖紗是增強(qiáng)纖維位于紗芯的皮芯紗； 增強(qiáng)相中捻度為零，保證增強(qiáng)纖維強(qiáng)度最佳利用； 位于芯層的增強(qiáng)相被基體完全覆蓋，保護(hù)增強(qiáng)纖維免受意外損傷。 但是，紗線中的增強(qiáng)纖維和基體纖維呈現(xiàn)區(qū)域性分布（見圖4），對(duì)基

8、體浸漬增強(qiáng)纖維不利。 10/4/202214. 包芯紡紗 ：在DERF摩擦紡紗機(jī)（如圖3）上圖3 DERF 摩擦紡紗簡(jiǎn)圖 (Fig.3 Sketch of DERF friction spinning) 10/4/202215.圖3 DERF 摩擦紡紗簡(jiǎn)圖 (Fig.3 Sketch o 包纏紡紗 ： 根據(jù)科弗紡紗（Cover spinning）工藝（如圖4） ，加工混纖紗（見圖2（b）。 這種混纖紗結(jié)構(gòu)類似于包芯紗。 對(duì)于包芯紗和包纏紗，紗線中的增強(qiáng)纖維和基體纖維呈現(xiàn)區(qū)域性分布（見圖5），對(duì)基體浸漬增強(qiáng)纖維不利。增強(qiáng)纖維束膨松性差，基體滲透相對(duì)困難。但是，增強(qiáng)纖維是連續(xù)纖維。10/4/202

9、216. 包纏紡紗 ： 根據(jù)科弗紡紗（Cover spinnin圖4 科弗紡紗機(jī) (Fig.4 cover spinning machine)10/4/202217.圖4 科弗紡紗機(jī) (Fig.4 cover spinning圖5 包覆紗斷面結(jié)構(gòu)示意圖(Fig.5 the cross-section sketch of cover yarn) 基體纖維區(qū) 增強(qiáng)纖維區(qū)（纖維束） 10/4/202218.圖5 包覆紗斷面結(jié)構(gòu)示意圖(Fig.5 the cross-混纖紗結(jié)構(gòu)與基體浸漬(The structure of commingled yarn and resin impregnating)

10、如果兩相纖維之間相互均勻混合（如圖6（a），在復(fù)合材料制作中，基體不需要流動(dòng)長(zhǎng)的路徑，就可以很好地浸漬增強(qiáng)纖維。 如果兩相纖維的混合程度差（如圖6（b），基體就必須流經(jīng)較長(zhǎng)的路徑，以完全浸漬增強(qiáng)纖維。同時(shí)，由于增強(qiáng)纖維的密集堆砌，基體向增強(qiáng)纖維內(nèi)部滲透極其困難。 10/4/202219.混纖紗結(jié)構(gòu)與基體浸漬(The structure of co圖6 兩種特有混纖紗結(jié)構(gòu) (Fig.6 special structure sketch for commingled yarn) 10/4/202220.圖6 兩種特有混纖紗結(jié)構(gòu) (Fig.6 special st圖7 混纖紗復(fù)合材料熱壓固化基體浸漬

11、過程(Fig.7 resin impregnating during consolidation for RFTFC manufacture)10/4/202221.圖7 混纖紗復(fù)合材料熱壓固化基體浸漬過程10/2/20222基體浸漬模型( impregnating model) 對(duì)基體浸漬增強(qiáng)纖維束的過程做如下假設(shè)： （1）不考慮熔融基體本身的重力作用及其表面張力對(duì)其浸漬的影響，熔融基體所承受的外界壓力是基體流動(dòng)的唯一動(dòng)力； （2）熔融基體的流動(dòng)行為是只發(fā)生在增強(qiáng)纖維束截面方向上的層流，不考慮基體平行于增強(qiáng)纖維束軸向上的流動(dòng)； （3）基體浸漬過程中，增強(qiáng)纖維束內(nèi)的各纖維之間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且

12、復(fù)合體系的壓實(shí)完全是熔融基體浸入增強(qiáng)纖維束內(nèi)所致。 （4）在浸漬過程中，熔融基體受到的剪切速率為常數(shù)。10/4/202222.基體浸漬模型( impregnating model)10/ 用Darcy定律分析熔融基體完全浸漬增強(qiáng)纖維束所需要的時(shí)間. dx/dtKp/ dp/dx 其中： dp/dx為壓力梯度； 為熔融基體的粘度； Kp為增強(qiáng)纖維束的滲透率；dx/dt為熔融基體的浸漬速度。10/4/202223. 用Darcy定律分析熔融基體完全浸漬增強(qiáng)纖維束 熔融基體在增強(qiáng)纖維束內(nèi)沿x方向上流動(dòng)距離為x時(shí)所需要的時(shí)間t: t 1/2 x2/Kpp 對(duì)于給定的混纖集合體，kp為一常數(shù)。 t 與、

13、p有關(guān)。 對(duì)于PP基體， 與溫度關(guān)系： 0.0026exp(5600/T) 10/4/202224. 熔融基體在增強(qiáng)纖維束內(nèi)沿x方向上流動(dòng)距離為x時(shí)所需要 t /p t 1/Tp 10/4/202225.10/2/202225. 對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的混纖紗，其中kp不同。 Kp是影響復(fù)合材料成型時(shí)間（成本）以及復(fù)合材料力學(xué)性能、質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。 研究增強(qiáng)纖維（特別是連續(xù)、脆性增強(qiáng)纖維）與基體纖維的混合方式是混纖復(fù)合材料制備中主要技術(shù)之一。 10/4/202226. 對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的混纖紗，其中kp不同。10/2/噴氣混纖紗及其復(fù)合材料 (Air-jet commingled yarn and it

14、s composites) 根據(jù)以上分析，我們提出用空氣變形紗設(shè)備，實(shí)現(xiàn)噴氣混纖紗加工。工藝過程示意圖見圖8。10/4/202227.噴氣混纖紗及其復(fù)合材料 (Air-jet commingle圖8 噴氣混纖紗加工示意圖 (Fig.8 sketch of air-jet commingled of GF/PPF)10/4/202228.圖8 噴氣混纖紗加工示意圖 (Fig.8 sketch of噴氣混纖紗加工工藝( Technology parameter for air-jet commingled yarn of GF/PPF)： 玻璃纖維粗紗120tex，聚丙烯長(zhǎng)絲150D/36f。 玻

15、璃纖維/聚丙烯噴氣混纖紗加工參數(shù)見表1。經(jīng)過噴氣加工的混纖紗的結(jié)構(gòu)如圖9。10/4/202229.噴氣混纖紗加工工藝( Technology paramete表1 噴氣混纖紗加工參數(shù) (Table 1 manufacture parameters for air-jet commingled yarn of GF/PPF)原料超 喂供氣壓力，bar玻璃粗紗8.98.98.91.6 6聚丙烯長(zhǎng)絲8.927.052.427.0噴氣紗AJCY1AJCY2AJCY3AJCY410/4/202230.表1 噴氣混纖紗加工參數(shù) (Table 1 manufact圖9 玻璃纖維/聚丙烯噴氣混纖紗結(jié)構(gòu) (Fi

16、g.9 structure of air-jet commingled yarn of GF/PPF) AJCY1 AJCY2 AJCY3 AJCY4熱壓?jiǎn)胃?，PP纖維熔融10/4/202231.圖9 玻璃纖維/聚丙烯噴氣混纖紗結(jié)構(gòu) (Fig.9 stru AJCY1：玻璃纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲相互混合點(diǎn)多、玻璃纖維伸直度較好。 AJCY2與AJCY3：玻璃纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲都存在彎曲。 AJCY4：玻璃纖維呈伸直狀態(tài)，聚丙烯纖維主要分布在外面。10/4/202232. AJCY1：玻璃纖維與聚丙烯長(zhǎng)絲相互混合點(diǎn)多、玻璃單向復(fù)合材料性能 (Mechanical properties of UD co

17、mposites made from air-jet commingled yarn of GF/PPF): 玻璃纖維束/聚丙烯纖維并列堆砌型紗（UY）、膨松玻璃纖維束/聚丙烯纖維并列堆砌型紗（AJUY）以及玻璃纖維/聚丙烯噴氣混纖紗(AJCY)的單向復(fù)合材料性能見圖10。 10/4/202233.單向復(fù)合材料性能 (Mechanical propertie圖10 不同結(jié)構(gòu)混纖紗型復(fù)合材料性能比較（Fig.10 the mechanical properties of commingled yarn based composites)10/4/202234.圖10 不同結(jié)構(gòu)混纖紗型復(fù)合材料性能

18、比較（Fig.10 th 利用混纖紗可以通過織造開發(fā)雙向混纖復(fù)合材料（見圖11）。 利用增強(qiáng)纖維束與基體纖維織造實(shí)現(xiàn)混纖復(fù)合材料的加工（見圖12）。10/4/202235. 利用混纖紗可以通過織造開發(fā)雙向混纖復(fù)合材料（見圖圖11 混纖紗織造開發(fā)雙向復(fù)合材料(Fig.11 composites made from commingled yarn weaving)圖12 織造混纖制備復(fù)合材料(Fig.12 composites made from weaving of reinforced fibers / thermoplastic fibers)10/4/202236.圖11 混纖紗織造開發(fā)雙

19、向復(fù)合材料(Fig.11 compo織造混纖單向復(fù)合材料 (weaving hybrid for UD composites ) 采用芳綸無捻長(zhǎng)絲束作經(jīng)紗，聚丙烯長(zhǎng)絲作緯紗進(jìn)行織造，形成預(yù)浸料。 將預(yù)浸料鋪層、熱壓成型，形成單向聚丙烯增強(qiáng)芳綸復(fù)合材料（見圖13）。 織物經(jīng)紗密度80根/10cm、120根/10cm、140根/10cm。10/4/202237.織造混纖單向復(fù)合材料 (weaving hybrid for圖13織造混纖單向復(fù)合材料的制作流程(Fig.13 manufacture process of weaving hybrid for UD composites)10/4/202

20、238.圖13織造混纖單向復(fù)合材料的制作流程(Fig.13 manu圖14 芳綸纖維含量與縱向拉伸強(qiáng)度的關(guān)系 (Fig.14 the relationship between Kevlar content and longitudinal tensile strength of composites)10/4/202239.圖14 芳綸纖維含量與縱向拉伸強(qiáng)度的關(guān)系 (Fig.14 t聚丙烯的熱分析特性( the thermo-properties of PP) ： 利用DSC-2910型熱分析儀測(cè)試聚丙烯長(zhǎng)絲、聚丙烯膜（由聚丙烯長(zhǎng)絲在200、5MPa 熱壓5min形成）、芳綸/聚丙烯復(fù)合體系的

21、結(jié)晶溶解行為。10/4/202240.聚丙烯的熱分析特性( the thermo-properti 聚丙烯膜是聚丙烯長(zhǎng)絲在200、5MPa 、熱壓5min，取出模具自然冷卻形成。 芳綸/聚丙烯復(fù)合體系I：芳綸體積含量44.87，200、5MPa 、熱壓5min，在熱壓機(jī)內(nèi)自然冷卻形成。 芳綸/聚丙烯復(fù)合體系II：芳綸體積含量44.87，200、5MPa 、熱壓5min，在熱壓機(jī)內(nèi)水冷卻形成。 芳綸/聚丙烯復(fù)合體系III：芳綸體積含量44.87，200、5MPa 、熱壓5min，取出模具自然冷卻形成。 芳綸/聚丙烯復(fù)合體系IV：芳綸體積含量24.03，200、5MPa 、熱壓5min，取出模具自

22、然冷卻形成。 10/4/202241. 聚丙烯膜是聚丙烯長(zhǎng)絲在200、5MPa 、熱壓5mi表2 結(jié)晶熔解行為測(cè)試結(jié)果（升溫速率10/min）（Table2 result of DSC test)試樣峰值溫度，熔點(diǎn)，熔解熱，J/g聚丙烯長(zhǎng)絲165.90155.9682.49聚丙烯膜163.10154.0372.16芳綸/聚丙烯復(fù)合體系I163.60158.4893.38 芳綸/聚丙烯復(fù)合體系II160.00152.2875.65 芳綸/聚丙烯復(fù)合體系III163.00152.6886.48 芳綸/聚丙烯復(fù)合體系IV165.70152.0082.8010/4/202242.表2 結(jié)晶熔解行為測(cè)試

23、結(jié)果（升溫速率10/min）試樣峰值 聚丙烯膜的熔解熱比聚丙烯長(zhǎng)絲下降10 J/g，聚丙烯長(zhǎng)絲熱壓成膜后結(jié)晶度減小；芳綸/聚丙烯復(fù)合體系IV，聚丙烯的熔解熱大于聚丙烯膜熔解熱。芳綸的存在，起43到了聚丙烯結(jié)晶時(shí)成核劑的作用，加速聚丙烯的成核，在芳綸表面形成球晶，結(jié)晶度增加； 芳綸/聚丙烯復(fù)合體系III的熔解熱大于芳綸/聚丙烯復(fù)合體系IV。芳綸含量增加，有利于聚丙烯結(jié)晶，結(jié)晶度提高； 10/4/202243. 聚丙烯膜的熔解熱比聚丙烯長(zhǎng)絲下降10 J/g，聚丙烯長(zhǎng)絲 比較相同芳綸含量的復(fù)合體系I、II、III，熱壓后模具冷卻越快，其溶解熱越小，聚丙烯重新結(jié)晶的結(jié)晶度減小。冷卻越快時(shí)，聚丙烯在低溫

24、、短時(shí)間內(nèi)結(jié)晶，使其在結(jié)晶不完全得情況下迅速固化，因此結(jié)晶度降低，溶解峰值溫度減小。 冷卻方式影響聚丙烯的再結(jié)晶速度、結(jié)晶度。10/4/202244. 比較相同芳綸含量的復(fù)合體系I、II、III，熱壓后模具冷復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度（Transverse tensile strength of composites) 四種芳綸/聚丙烯復(fù)合體系（I、II、III、IV）復(fù)合材料的橫向拉伸強(qiáng)度見圖15。10/4/202245.復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度（Transverse tensile 對(duì)比圖15、表2的結(jié)果： 在芳綸纖維體積含量相同時(shí)（I、II、III），芳綸/聚丙烯復(fù)合體系中，聚丙烯的熔解熱越大，復(fù)

25、合材料的橫向拉伸強(qiáng)度越高； 在芳綸體積含量不同時(shí)（III、IV），體積含量越小，復(fù)合材料的橫向拉伸強(qiáng)度越高。圖15 復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度(Fig.15 Transverse tensile strength of composites)10/4/202246. 對(duì)比圖15、表2的結(jié)果：圖15 復(fù)合材料橫向拉伸強(qiáng)度(F3.纖維網(wǎng)型混纖復(fù)合材料 Composites made from web of Reinforcing Fibers / Thermoplastic Fibers 天然增強(qiáng)纖維（natural reinforced fibers) 纖維網(wǎng)型混纖主要以天然增強(qiáng)纖維（大麻、亞麻、黃麻

26、等）作為增強(qiáng)材料的復(fù)合材料加工。在纖維網(wǎng)中，增強(qiáng)纖維是非連續(xù)纖維。 天然增強(qiáng)纖維與其他增強(qiáng)纖維性能比較見圖16。 天然增強(qiáng)纖維主要替代玻璃纖維在復(fù)合材料加工中使用。10/4/202247.3.纖維網(wǎng)型混纖復(fù)合材料 Composites made 圖16 不同纖維的比剛度與比強(qiáng)度（Fig.16 special stiffness and special tensile strength of various fibers)10/4/202248.圖16 不同纖維的比剛度與比強(qiáng)度（Fig.16 specia 麻纖維生長(zhǎng)期短、生長(zhǎng)環(huán)境要求不高，其生長(zhǎng)、收獲、加工的能量消耗較少； 麻對(duì)二氧化碳的吸收能

27、力強(qiáng)，具有減緩“溫室效應(yīng)”的作用； 麻焚燒時(shí)無毒物排放、填埋后可生物降解； 由于全球能源和環(huán)境問題的日益突出，采用麻纖維（亞麻、大麻、苧麻）替代無益環(huán)境的無機(jī)、有機(jī)纖維 ( 例如玻璃纖維 ) 作為樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體已受到研究者的關(guān)注。10/4/202249. 麻纖維生長(zhǎng)期短、生長(zhǎng)環(huán)境要求不高，其生長(zhǎng)、收獲、加工的 麻纖維的密度（1.2g/cm3）小于玻璃纖維（2.5 g/cm3），用麻纖維復(fù)合材料代替玻璃纖維復(fù)合材料，其部件重量可以減輕。 在汽車工業(yè)中如果車重減少10%，燃料效率提高7%，CO2的總釋放量減少； 天然纖維復(fù)合材料還可以代替木材使用，對(duì)保護(hù)森林具有價(jià)值。 圖17 汽車所用復(fù)合

28、材料的部件位置（Fig.17 composites used for car parts)10/4/202250. 麻纖維的密度（1.2g/cm3）小于玻璃纖維（2.5 g表3 大麻復(fù)合材料與玻纖復(fù)合材料加工所需能量比較（1噸復(fù)合材料）（Table 3 comparison of necessary energy for hemp composites and GF composites manufacture)項(xiàng)目大麻復(fù)合材料（65纖維）能量，MJ玻纖復(fù)合材料（30纖維）能量，MJ材料大麻栽培1340玻纖生產(chǎn)14500PP生產(chǎn)35350PP生產(chǎn)70700合計(jì)36690合計(jì)85200復(fù)合材料加

29、工1120011200PP焚燒能量需求117能量需求234釋放能量7630釋放能量15260增強(qiáng)纖維焚燒大麻能量需求1108玻纖能量需求516釋放能量10650釋放能量綜合情況總能量需求49115總能量需求97150釋放能量18222釋放能量15260需求凈能量30800需求凈能量81890 生產(chǎn)每噸（1000KG）復(fù)合材料，用大麻代替玻璃纖維，纖維節(jié)能26，PP節(jié)能69，總節(jié)能約為50000MJ。10/4/202251.表3 大麻復(fù)合材料與玻纖復(fù)合材料加工所需能量比較（1噸復(fù)合材天然纖維復(fù)合材料的制作方法 (technology methods for natural fibers rein

30、forced composites) 天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工技術(shù)見圖18。10/4/202252.天然纖維復(fù)合材料的制作方法 (technology met圖18 天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型技術(shù) (Fig.18 manufacture technology for natural fibers reinforced composites)10/4/202253.圖18 天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型技術(shù) (Fig.18 ma非織布混纖復(fù)合材料制作及其性能 (the mechanical properties and manufacture of non-woven hybrid composites) 增強(qiáng)纖維與基體纖維混合加工纖維網(wǎng)，然后通過針刺使纖維網(wǎng)表面的一些纖維隨刺針穿過纖維網(wǎng)，同時(shí)用于摩擦力作用而使纖維網(wǎng)受到壓縮，纖維網(wǎng)不會(huì)恢復(fù)原狀。同時(shí)，針刺猶如許多纖維束“銷釘”釘入纖維網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)