摘 要

与热固性复合材料相比，聚丙烯复合材料具有成型周期短、生产效率高、预浸料存储时间长、可回收利用等一系列优点。在聚丙烯复合材料的分类中，相比于短纤维和长纤维增强聚丙烯复合材料，连续玻纤增强聚丙烯复合材料具有更高的强度、模量等力学性能，对连续玻纤增强聚丙烯复合材料的生产工艺进行探究具有重要意义。

本文利用自行设计的拉挤生产线，采用正交实验法制备出了连续玻纤增强聚丙烯复合材料单向预浸料，研究了纤维预热温度、浸润模具温度、牵引速度和树脂挤出速度对预浸料的纤维含量、密度、孔隙率和拉伸强度的影响，确定出最佳的生产工艺参数：纤维预热温度120℃、浸润模具温度220℃、牵引速度5m/min、树脂挤出速度为12r/min。

关键词：连续玻纤增强聚丙烯复合材料；工艺参数；力学性能；浸渍效果

Abstract

Compare to thermosetting composites, polypropylene composites have a series of advantages such as short molding period, high production efficiency, long prepreg storage time, recyclable and so on. In the classification of polypropylene composites, continuous fiber reinforced polypropylene composites have higher strength, modulus and other mechanical properties than short fibers and long fiber reinforced polypropylene composites. The research of production process of continuous fiber reinforced polypropylene composites is of great significance.

In this paper, the unidirectional prepreg of continuous glass fiber reinforced polypropylene composites was prepared by orthogonal test. The effects of fiber preheating temperature, infiltration mold temperature, traction speed and resin extrusion speed were studied. The preheating temperature was 120 ℃, the temperature of the mold was 220 ℃, the traction speed was 5m / min, and the resin extrusion rate was 12r / min.

Key words: continuous fiber reinforced polypropylene composites; process parameters; mechanical properties; impregnation effect

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及目的意义 1

1.2浸渍工艺 1

1.2.1熔融法 1

1.2.2溶剂法 2

1.2.3粉末法 2

1.2.4混纤法 3

1.2.5反应浸渍法 4

1.3课题研究内容 4

第2章 连续玻璃纤维增强聚丙烯单向预浸带的制备及性能研究实验设计 5

2.1 连续玻璃纤维增强聚丙烯单向预浸带的制备 5

2.1.1 原材料及所需设备 5

2.1.2 连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸工艺 5

2.2 实验方案 8

2.2.1连续纤维增强聚丙烯单向带制备实验 8

2.2.2 测试与表征 8

第3章 结果与讨论 11

3.1四因素对预浸料性能的影响 14

3.1.1纤维预热温度对预浸料性能的影响 14

3.1.2浸润模具温度对预浸料性能的影响 14

3.1.3牵引速度对预浸料性能的影响 14

3.1.4树脂挤出速度对预浸料性能的影响 15

3.2浸润效果的判断 15

3.2.1纤维形貌分析 15

3.2.2 玻璃纤维含量分析 17

3.2.3 横向树脂均匀性的比较 19

第4章 结论 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1研究背景及目的意义

纤维增强热塑性塑料，又被称为热塑性复合材料（FRTP)，它与传统的热固性塑料（FRP）相比具有以下优势：材料可进行二次加工，方便回收再加工，既保护环境又节约资源；材料具有较大的抗冲击强度；可制成发泡材料；材料轻质高强；材料品种多，选择余地大等^[1]。但是热塑性复合材料也存在一定的缺点，如：熔体粘度大，增强纤维得不到充分的浸润；原料和加工成本偏高等。

玻纤增强聚丙烯复合材料根据玻璃纤维纤维长度的不同可分为以下种类：玻璃纤维长度0.2~1mm称为短玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，玻璃纤维长度10~15mm称为长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，以及连续玻纤增强聚丙烯复合材料。由于连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料中的增强纤维是连续的，与短玻璃纤维，长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料相比，其具有较好的力学性能，尤其近些年随着连续玻纤增强聚丙烯复合材料预浸料生产工艺水平的提高，预浸料中玻璃纤维含量不断提高，使得连续玻纤增强聚丙烯复合材料的力学性能较之前有着质的提高。

近年来单向预浸带熔融浸渍技术得到一定的发展，制备的预浸带具有浸渍效果好，力学性能优良，成本较低等优点。连续玻纤增强热塑性复合材料在民用行业中扮演着越来越重要的角色，比如说在交通运输方面，其可替换汽车各种钢制或铝制的零部件，大大减轻汽车整体重量和降低制造成本，未来在新型交通工具的设计制造上有着广阔的应用前景；在电子产品方面，可用于电脑、手机、照相机等的外壳，减少重量使电子产品具有更好的便携性；在体育器材方面，可用于网球拍、撑杆、帆船、滑雪板、摩托艇等。

1.2浸渍工艺

当前有多种因素制约连续纤维增强热塑性复合材料的发展，难点之一就是在制备连续纤维增强热塑性复合材料的过程中，由于大多数热塑性树脂在熔融的温度下的黏度很高，因而树脂对纤维的浸润性不是很好。熔融法、溶剂法、粉末法、混纤法和反应浸渍法等^[2] 是目前发展比较成熟的连续纤维增强热塑性树脂预浸料的制备工艺。

1.2.1熔融法

目前最常用的浸渍工艺是熔融法。在熔融浸渍的过程中，首先对热塑性树脂进行升温，使其达到熔融状态，然后纤维在施加一定的压力下被树脂浸润，最后经过冷却得到预浸带。熔融浸渍工艺具有以下优点：工艺简单；能够对预浸料的纤维含量进行精确的控制；在生产过程中物质挥发比较少，有利于改善工作环境等。但同时也具有一些技术难点，如：热塑性树脂在熔融状态黏度大，浸润时间短会导致纤维浸润不充分，出现干斑和裂纹。

1982年英国的ICI公司运用熔融浸渍工艺制备出了单向CF增强PEEK预浸料^[3]。国内的咸贵军等人^[4-5]利用自主研发的连续纤维熔融浸渍装置研究了各种辊系对连续纤维进行分散和浸渍效果，制备的预浸料具有良好的浸渍效果和不同的纤维含量。同时在制备过程中研究了熔融温度，牵引速度等工艺参数对预浸料浸渍效果的影响。

1.2.2溶剂法

为了解热塑性树脂在浸润过程中的高黏度问题，首先将树脂溶于一定的溶剂中调配成胶液，然后使连续纤维以一定的速度通过胶液，溶于溶剂中的树脂进入纤维内部，连续纤维被树脂胶液浸润，最后加热烘干，溶剂挥发，制得预浸料。溶剂法有着一定的劣势，如：溶剂法在最后要经过加热烘干除去溶剂，在溶剂挥发过程中不仅会在预浸料的内部产生气泡，影响产品的性能，也会由于挥发在空气中的溶剂，危害人身体健康，不利于改善工作环境；热塑性树脂不易溶于溶剂中，导致溶液浸渍发展受阻。