热塑性聚合物基复合材料的加工成型技巧

一、概述

热塑性聚合物基复合材料主要包括热塑性树脂基无机粒子填充复合材料和热塑性树脂基纤维增强复合材料两大类。尽管无机粒子的几何形状多样，如球形、片状和短纤维状等，但无机粒子填充热塑聚合物基复合材料的加工成型与传统的热塑聚合物的加工成型基本相同，即按产品的结构类型，如板（片）材、管材、异型材、薄膜以及结构复杂的制品，可以相应地采用挤出成型、压塑成型、吹塑成型和注射成型等方法。

纤维增强热塑性聚合物基复合材料，就是以热塑性聚合物作为基体材料、纤维作为增强材料的一种复合材料。热塑性树脂基纤维增强复合材料亦称纤维增强热塑性材料（简称FRP材料），按纤维长径比的大小，纤维增强热塑性聚合物基复合材料可分为短纤维增强热塑性聚合物基复合材料和长纤维增强热塑性聚合物基复合材料两大类。前者的加工成型与无机粒子填充热塑性聚合物基复合材料的加工成型类似，而后者可以由具有高性能的纤维，通过包括传统的纺织加工在内的各种不同的加工成型手段，形成骨架结构（亦称为预成型体），然后在该结构的纤维间隙中注入树脂基材进行固化，使骨架结构稳定而最终形成的结构材料。长纤维增强热塑性聚合物基复合材料（LFRT）的最终性能取决于长纤维在热塑性树脂基体中的长度、分布及基体对长纤维的浸渍效果。由于热塑性树脂的熔体黏度较高，其熔体对纤维的浸润较为困难，而利用高剪切作用对长纤维进行分散和浸润又会严重损伤长纤维，使其长度大为减小，因此，如何使长纤维被热塑性树脂充分浸润并得到良好分散，同时又能避免其受到损伤，是LFRT制备工艺中需要解决的主要问题。

二、纤维增强热塑性聚合物基复合材料

高性能纤维是FRP材料的基本组成部分。常用作增强纤维材料的有玻璃纤维、碳纤维及芳纶。因此，按其增强纤维的种类可以分为玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料、碳纤维增强热塑性树脂基复合材料、芳纶增强热塑性树脂基复合材料和植物纤维增强热塑性树脂基复合材料。

（一）玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料

玻璃纤维作为增强纤维的历史最长，应用也最广泛。与其他作为增强纤维的材料相比，玻璃纤维的最大优点是价格便宜。玻璃纤维具有较大的断裂伸长，在需要材料有较大变形的场合（如用玻璃纤维增强的纤维增强材料平板弹簧）得到广泛的应用。此外，玻璃纤维有较高的拉伸强度，但其韧性较差，且密度较大。

（二）碳纤维增强热塑性树脂基复合材料

碳纤维具有高的强度和刚度，且密度较小。最先应用碳纤维增强复合材料的领域是航空航天领域。近年来，碳纤维的应用范围逐步拓宽到运动器材和汽车制造业。碳纤维典型的特性是在纤维长度方向的负热膨胀系数。由于树脂基材通常具有正的热膨胀系数，因此，通过纤维与树脂的适当匹配以及纤维在整体材料中的排列分布，可以使最终产品具有“零热膨胀系数”的性能。该性能对于工作在高温状态下的结构材料有着非常重要的意义。

（三）芳纶增强热塑性树脂基复合材料

增强纤维的另一种材料是芳纶。该类纤维的特点是良好的缓冲和能量吸收能力，并且具有较小的密度，因此，适应于一些对结构件重量有严格限制、工作在动载荷状态下且对抗冲击性能有较高要求的场合作为处于运动状态下的构件，较小的材料密度导致较低的惯性力，且良好的能量吸收能力又可使惯性力的峰值得以缓和。因此，以芳纶作为增强材料的纤维增强材料近年来得到广泛的应用。

（四）天然纤维增强热塑性树脂基复合材料

天然植物纤维复合材料是以天然植物纤维作增强材料，以树脂作基体的一种复合材料。传统的纤维增强复合材料是由聚丙烯纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维或碳纤维等化学纤维组成的，它们一般都存在着耗能大、造价高、易污染环境等问题。与化学纤维相比，各种天然植物纤维具有廉价、可回收、可降解、可再生等优点，并具有一般纤维的强度和刚度，且密度较小，比强度、比刚度均较高。天然植物纤维的化学组成以纤维素为主，其次是半纤维素、木质素、甲胶等。天然植物纤维本身就是天然植物的复合材料。各种纤维具有各自的性能优势，如麻的纤维长度是天然植物纤维中最长的，具有高强度、低断裂伸长率的特性。麻类纤维的初始模量和抗弯刚度比涤纶稍高。其中，苎麻是麻纤维中性能最好的，它的比强度接近玻璃纤维。麻类纤维在天然植物纤维中最适合做复合材料增强剂。

以天然植物纤维为增强基的复合材料同样具有优良的性能，随着原料可持续发展主题的延伸，环境意识材料已成为新时期国际高技术新材料研究中的一个新领域，天然植物纤维在增强复合材料领域中扮演着越来越重要的角色。

常用的热塑性基体树脂有高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、锦纶6（PA6）、锦纶66（PA66）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚醚酮（PEEK）、聚碳酸酯（PC）等。

纤维增强热塑性复合材料吸收应力能量主要通过纤维断裂、纤维脱出、树脂变形断裂三种方式来实现。纤维长度增加，则纤维与基体的界面积增大，使拔出需要消耗更多的能量；而且长纤维可以将应力由一端传递到另一端，使所受的应力能被较大的区域来承担，因此，可以承担的最大应力远大于其拔出时所需要的力，这有利于强度的提高。另外，纤维端部是裂纹增长的引发点，在同样的纤维含量下，纤维越长，其端部数量越少，填充性能得到改善，从而使强度得到提高。与短纤维增强复合材料相比，长纤维增强复合材料主要有以下优点。

（1）材料的拉伸强度、抗疲劳性能等均有所提高。

（2）类似骨架的纤维结构，增强了制品的抗冲击强度，外观翘曲性低。

（3）在高温、高湿环境下仍能保持良好的力学性能。

但是并不是长度越长力学性能越好，这是因为长度越长，在加工过程中，纤维更容易发生断裂，断裂后长度大幅度减小，所以力学性能又会下降。

三、长纤维增强热塑性聚合物基复合材料的加工方法

长纤维增强热塑性塑料是近年来发展迅速的一类热塑性聚合物基复合材料，其加工方法主要有浸渍法、熔体包覆法和直接挤出法等。

（一）浸渍法

由于热塑性树脂基体均为高相对分子质量的聚合物，其熔体黏度高达500～5000Pa·s（热固性树脂基体一般为100Pa·s），很难使增强纤维获得良好的浸渍，因此，制备LFRT的关键技术是解决热塑性树脂对连续增强纤维的浸渍问题。浸渍法是采用热塑性树脂与长纤维在特定的设备与工艺条件下充分浸渍后再加工成型制得制品的。浸渍技术包括溶液浸渍法、熔融浸渍法、粉末浸渍法、原位聚合浸渍法、薄膜叠合浸渍法、混纱熔融法、反应浸渍法等。

1.溶液浸渍法　该方法是选用一种合适的溶剂，也可以是几种溶剂配成的混合溶剂，将树脂完全溶解，制得低黏度的溶液，并以此浸渍纤维，然后将溶剂挥发制得预浸料。该方法技术工艺简便，设备简单，克服了热塑性树脂熔融黏度高的缺点，可以很好地浸渍纤维。然而，它也存在许多不足：该方法费时，难度较大，一些热塑性树脂很难找到合适的溶剂；从预浸料中完全去除溶剂也是个问题，溶剂的蒸发和回收费用高昂，而且排出的溶剂会带来环境污染；如果溶剂清除不完全，在复合材料中会形成气泡和孔隙，影响制品性能；采用该方法进行加工的复合材料，在使用的过程中其耐溶剂性必然会受到影响；此外，在去除溶剂的过程中还存在物理分层，溶剂沿树脂纤维界面渗透以及溶剂可能聚集在纤维表面的小孔和空隙内，使树脂与纤维界面粘接不好。

2.熔融浸渍法　熔融浸渍法是20世纪70年代初发展起来的一种制备预浸料的工艺方法。与溶液浸渍法相比较，熔融浸渍法由于工艺过程中无溶剂，减少环境污染，节省材料，预浸料树脂含量控制精度高，提高了产品质量和生产效率，可连续化生产，能加工一切可以熔融流动的热塑性材料。熔融浸渍法又可分为直接浸渍法和热熔胶膜法。直接浸渍法是通过纤维或织物直接浸在熔融液体的树脂中制造预浸料。通过熔融技术，在高黏度下浸渍纤维，因为熔体黏度高，将树脂压入纤维很困难，实际的办法是在一定的张力下将平行的丝束从树脂熔体中拉过而浸渍纤维。为了得到很好的浸渍效果，熔体的黏度不能太高。热熔胶膜法是将树脂分别放在加热到成膜温度的上下平板上，调节刮刀与离型纸间的缝隙以满足预浸料树脂含量的要求，开动机器，主要通过牵引辊使离型纸与纤维一起移动，上下纸的胶膜将纤维夹在中间，通过压辊将熔融的树脂嵌入到纤维中浸渍纤维，通过夹辊控制其厚度，经过冷却板降温，最后收起上纸，成品收卷。例如，采用一种熔融浸渍工艺制备长玻璃纤维增强锦纶6复合材料，其工艺过程如下：首先，用低相对分子质量的PA6浸渍玻璃纤维，制得长玻璃纤维增强PA6预浸料；然后热处理增强PA6预浸料，使PA6的相对分子质量达到工程塑料级。该复合材料的拉伸强度为234MPa，弯曲强度为349MPa，弯曲弹性模量为11.4GPa，缺口冲击强度为313J/m，综合力学性能明显优于短玻璃纤维增强锦纶6复合材料。

熔融浸渍工艺的缺点是：热塑性树脂，尤其是高性能热塑性树脂的高熔融黏度造成有限的浸渍速度，生产效率比较低，增强纤维只能选择价格昂贵的小丝束纤维，而且热塑性树脂长时间暴露在高温下易发生降解反应，导致最终复合材料性能下降。

3.粉末浸渍法　粉末浸渍法是在硫化床中，通过静电的作用将树脂细粉吸附在纤维单丝的表面，使树脂粉末首先均匀包覆在纤维周围，然后再经加热过程使两者融为一体而使纤维得以浸渍的方法。

粉末浸渍方法最初由美国的Ripe提出，它将一束玻璃纤维通过热塑性树脂粉末床，粉末粒子由于静电吸引而黏附于纤维之上，但粒子仅仅是包覆在一束纤维周围而非单根纤维，因而仍然存在着浸渍不良的问题。按浸渍工艺过程不同，粉末浸渍工艺可分为湿法粉末浸渍和干法粉末浸渍。

（1）湿法粉末浸渍。湿法粉体浸渍工艺是使热塑性树脂粉末和表面活性剂在浸渍室中配成以水为介质的悬浮液，用牵引连续玻璃纤维通过树脂的悬浮液，使树脂粉末均匀地渗入纤维之间，再使附着树脂粉末的玻璃纤维束通过除水干燥装置，然后加热压实成型、冷却，再由拉出机拉出。采用该工艺进行长纤维增强热塑性树脂基复合材料的生产，成本低，工艺简单，设备投资少，制备周期短，生产出的预浸料可以直接投放市场。

（2）干法粉末浸渍。干法粉末浸渍最早是Price在1973年发明的，其后不断加以改进。例如，采用连续无捻粗纱通过带电的聚丙烯树脂的粉末流化床，树脂粉末由于静电的作用被吸附到纤维上。为使每根单丝得到良好的浸渍，需在粉末硫化床中加入几根分散辊或者凹凸的销钉，使纤维束能充分地张开，同时，分散辊还可以与连续玻璃纤维进行摩擦而使连续玻璃纤维产生静电，进一步增加树脂粉末的吸附量。带有树脂粉末的连续玻璃纤维被牵引至加热通道，熔触形成预浸料，最后冷却切成长纤维增强聚丙烯粒料。此外，还可在优化树脂粉末粒径、浸渍槽内分散辊数目和排布、温度和牵引速度设置及界面改性方法的基础上，获得浸渍效果及界面结合良好的预浸料。

粉末浸渍工艺的特点是工艺控制容易、操作方便、生产效率高，适合多种树脂基体。其缺点是预浸料质量对树脂粉末的粒径要求较高，而将树脂加工成小于10μm的微粉工艺困难，制造成本高，因而限制了粉末浸渍工艺的广泛应用。目前具有代表性的粉末浸渍工艺制备的预浸料产品有：美国Philips公司生产的连续纤维增强杂萘联苯聚芳醚树脂基复合材料的单向预浸料和预浸编织物；德国BASF公司生产的CFIPEEK单向预浸料和预浸编织物。

4.原位聚合浸渍法　原位聚合浸渍法是采用低黏度的单体或预聚体来浸渍长纤维及其织物，然后将单体聚合为热塑性树脂，可解决热塑性树脂浸渍长纤维难度大的问题。例如，采用低相对分子质量的PA6浸渍玻璃纤维，制得长玻璃纤维增强PA6预浸料，然后热处理增强PA6预浸料，使PA6的相对分子质量达到工程塑料级的全新工艺路线。该新工艺的优点是PA对长玻璃纤维的浸润性好，PA6在玻璃纤维表面形成了大量的接枝，因此，长玻璃纤维与PA6之间具有良好的界面黏合性。也可将未交联的丁二烯橡胶溶解在苯乙烯中，并加入丙烯酯和引发剂，形成低黏度的单体溶液，然后利用该单体溶液将经表面处理的玻璃纤维布充分浸渍后通过平板流化机加热、加压而制得长玻璃纤维增强ABS复合材料。由此工艺制得的增强ABS材料孔隙率低、力学性能好。

5.薄膜叠合浸渍法　薄膜叠合浸渍法是将增强纤维（大多为纤维织物）放置在两层聚合物薄膜之间，加热使得聚合物薄膜熔融并浸润纤维来制备复合材料预浸料，使纤维浸渍与复合材料成型同时完成。其工艺过程是：先将热塑性树脂热熔制成衬有脱模纸的薄膜，铺层时撕去脱模纸与增强纤维间隔铺纸，然后加热、加压将树脂压入纤维区固化。施加的压力要足够大，使熔体既能进入纤维层之间，又不至于在增强层之间出现流动，典型的压力值小于2MPa。冷却之后的复合物应该没有孔洞，真空辅助施压可以保证片材无孔。例如，使用特殊的方法使一定长度的、经表面处理过的长玻璃纤维均匀、有序地附着在聚丙烯薄膜上，然后在开炼机上薄通七次后出片，最后在模压机上制备一系列不同纤维长度、不同含量以及不同表面处理的玻璃纤维/PP复合材料。实验结果表明，所采用的复合材料制备方法可使纤维的排布更加有序，并可改进材料的力学性能。

薄膜叠合浸渍法工艺简单易行，可以获得高质量的层压制品，广泛应用于成型表面形状复杂的片材。其缺点在于：热塑性树脂的高黏性需要较高的压力，还有树脂含量高、成本高，尤其是高性能热塑性树脂的高熔融黏度使得树脂基体不能很好地浸渍纤维。因而制成的复合材料性能较差，且要加工低孔隙含量的复合材料很困难，目前多用于模压制品的加工。

6.混纱熔融法　混纱熔融法是将热塑性树脂纺成纤维或薄膜带，然后根据含胶量的多少将一定比例的增强纤维束和树脂纤维束紧密地合并成混合纱，再通过一个高温密封浸渍区，将树脂纤维熔成连续的基体。该法的优点是树脂含量能控制得比较准确，纤维能够得到充分浸润。例如，应用混纱熔融法加工长纤维增强聚丙烯（PP）基复合材料时，采用经过特殊改性的PP树脂纤维与长玻璃纤维复合混纱，然后与PP树脂基体相互熔融混合而制得长纤维增强热塑性树脂。

在上述几种方法中，混纱熔融法是较为经济有效的一种方法。特别是它可方便地加工结构复杂的构件。这一技术始见于美国制备碳纤维与PBT、PET和液晶聚合物（LCP）的混杂纤维束，并由此发展而来。混纱熔融法具有良好的加工性能，树脂含量易于控制，纤维能得到充分的浸润，混合纱可以织成各种复杂形状，包括三维结构，也可以直接缠绕，制得性能优良的复合材料。但该技术不适合用于玻璃纤维材料的复合以及日用品或低温热塑性工程材料的成型。目前，混编纱主要有混合纱、包芯纱和包缠纱三种。

7.反应浸渍法　反应浸渍法是利用单体或预聚体初始相对分子质量小、黏度低及流动性好的特点，使纤维与其一边浸润一边反应，从而达到理想的浸渍效果。采用反应浸渍技术要求单体聚合速度快、反应易于控制。目前仅主要对聚氨酯、PA6等一些可以进行阴离子型聚合的体系进行研究，存在的主要问题是：工艺条件比较苛刻，反应不易控制，尚不能在工业上推广应用。

（二）熔体包覆法

熔体包覆法类似电缆线的生产，这种方法是最早采用的制备LFRT的方法。该方法是将预热的纤维，经导向轮进入十字包覆口模，在口模中实现聚合物熔体对纤维的包覆，然后经冷却、切粒制得长纤维增强聚合物基复合材料粒料。该方法由于长纤维束聚集在一起，热塑性树脂熔体对长纤维的浸渍较为困难。为此，可选用熔融指数较高，即流动性好的树脂，其次，在热流道内加入一些凹凸的销钉或者一些圆柱形分散辊，可以加快浸渍速度，提高浸渍效果。例如，采用熔体包覆模头制得长纤维亦容易获得良好的分散。

（三）直接挤出法

直接挤出法是将长纤维直接在螺杆挤出系统中与热塑性树脂熔体混合，通过特殊的长纤维加料方式和螺杆设计可以实现长纤维在热塑性树脂中以较长的长度分散并受到良好的浸润。

直接挤出法最早由美国复合材料公司（CPI）在1989年开始研究。该工艺采用两台单螺杆挤出机，第一台挤出机用于将树脂和添加剂熔融混合，然后将其送入第二台低剪切作用的挤出机与预热的玻璃纤维混合，挤出树脂/玻璃纤维混合模塑料。后来，CPI公司将此技术进行了改进，直接把挤出机和压模机通过注射筒连接在一起，通过活塞的挤压把熔体输送到压模机上，省略了用人工或机械手输送熔体的工序。(www.xing528.com)

1998年，Johnson公司自行开发研制了直接挤出法模压工艺生产线，命名为Fibropress，该工艺采用均聚的PP粉末以及5mm长的短切玻璃纤维，通过重力加料至往复式的单螺杆挤出机中浸渍复合，挤出带状的模塑料。Dieffenbacher公司采用了两台双螺杆挤出机，用一台长径比大的双螺杆挤出机对PP和添加剂进行熔融，混合后喂入长径比较小的双螺杆挤出机；连续纤维经预热后被牵引至长径比较小的双螺杆中与熔融树脂混合。由于长径比较小的螺杆中特殊的螺杆元件设计，使得最终挤出的复合材料中纤维的长度为17～70mm。

四、长纤维增强热塑性聚合物基复合材料的成型工艺

由于LFRT是从复合材料和聚合物两个不同领域开发出的一种新型复合材料，因此，其成型工艺具有聚合物和复合材料工艺的特征。此外，LFRT可以进行热成型，就使其又具有了金属材料成型的特点。LFRT的成型方法主要分为以下几种：模压成型法、注射成型法、纤维缠绕成型法、拉挤成型法、树脂传递成型法及弹性体储存成型法等。

（一）模压成型

LFRT的模压成型工艺与热固性的压缩模塑相类似，是LFRT粒料经加热使其中的树脂熔化或经特殊设计的单螺杆挤出机塑化挤出，置于模具内进行压缩模塑。可以通过合模速度、压力、模具温度和模压时间等工艺参数的优化，改善纤维的取向、空隙率和材料的力学性能。CPI公司等所开发的DLFT模压工艺，将在线混炼制备的模塑料直接用于模压，减少了模塑料反复加热熔融所消耗的能量，使得成型过程更加经济。

（二）挤出成型

挤出成型是在挤出机中通过加热、加压，使树脂以熔融流动状态连续通过口模成型的方法，是一种连续的、适合大规模生产的加工过程。该工艺的路线和传统的基本一致。成型通常采用单螺杆或者双螺杆甚至是几台挤出机同时使用进行挤出成型。例如，利用挤出机的十字模头将预浸有树脂的片状玻璃纤维覆盖于基体树脂层表面或内部，配合模头的形状设计可生产出具有平板状、L形或圆棒状等特定形状的增强复合材料产品。通过调整纤维在基体材料中的增强位置、增强的层数及搭配表层树脂于增强纤维的外面等措施，可以获得不同结构的增强复合材料产品，其弯曲强度和弯曲弹性模量亦可随之调节。

（三）注射成型

与DFRT一样，LFRT可以通过注塑成型工艺制备各种制品。注塑成型可制备更复杂、更小的零部件，几乎无废料产出，成型时间较短。LFRT中热塑性树脂的黏度较大且含有长纤维，所以注塑充模的流动性较差。为了改善LFRT的流动性，一般采用加大浇口、流道直径、增加注射压力，提高料筒温度与模具温度等手段，通过螺杆背压的控制使得纤维的分散性得到改善。注塑过程中，因为剪切作用，纤维将受到一定程度的损伤。通过调整浇口、流道的尺寸及相关工艺条件，可减少纤维的断裂。

（四）拉挤成型

拉挤成型是一种连续的自动化生产复合材料型材的工艺方法，也是制造恒定截面型材的工艺方法。最初用于制造单向纤维增强实心截面的简单制品，逐渐发展成为目前可以制造实心、空心以及各种复杂截面的制品，并且型材的性能可以设计，能够满足各种工程的结构要求。

拉挤成型技术尤其适合于生产高纤维体积含量、高性能、低成本的复合材料。它是将增强材料经树脂浸渍，再经过具有一定截面形状的成型模具的成型工艺。拉挤成型工艺有两种：一种是预浸纤维拉挤成型工艺，即先用热塑性树脂浸渍纤维，制得预浸纤维，再用预浸纤维进行拉挤成型；另一种是用纤维直接进行拉挤成型。连续拉挤成型过程包括在纤维基材上浸渍树脂、引入模具、在模具中或刚离开模具时使树脂固化、拉出型材四道工序。这四道工序连续操作的成型方法随着树脂的浸渍方法、金属模具的结构以及树脂固化方法的不同而又分为很多种。根据拉挤方向来分，则有立式（垂直上下拉挤）和卧式（水平拉挤）两种。

实现拉挤工艺的设备主要是拉挤机。拉挤成型是将预浸带或预浸纱在一组拉挤模具中固结、预浸料；或边拉挤边预浸，或另外浸渍。一般的浸渍方法是纤维混纺浸渍和粉末流化床浸渍。拉挤成型工艺具有生产效率高、工艺易于控制、产品质量稳定等优点。再者，拉挤制品中纤维按纵向布置，又是在引拔预张力下成型，因此，纤维的单向强度得到了充分的发挥，制品具有高的拉伸强度和弯曲强度。连续拉挤成型所用的树脂和其他纤维增强制品一样，从其使用性能、工艺性能和经济性出发，目前以通用的树脂为主，必要时用难燃或耐化学药品的特种聚酯树脂，也可使用环氧树脂和丙烯酸树脂。由于拉挤成型工艺是在一组拉挤模具中边浸渍边拉挤，故其缺点如下：生产速度受到胶液加热和固化速度的限制，通常只用于耐热性较低的聚酯树脂；制品性能具有明显的方向性，其横向强度差，只限于生产型材，一般难于用它制造截面形状急剧变化的结构；设备复杂，对各工序必须严格准确控制，生产过程不能轻易中断。

（五）在线配混直接注射成型

将挤出机与注塑机相连，直接成型LFRT制品可以降低生产成本，提高生产效率。利用此方法可以避免二次熔融塑化对树脂和长纤维造成的影响。

Woodshed Technologies公司于2000年开发出Pushtrusion工艺，该工艺的原理是通过挤出机向一包覆模中供给热塑性树脂熔体，然后利用高压熔体包覆长纤维并将其拖向浸渍模末端的切刀，切刀根据事先设定的长度将包覆在熔体中的长纤维切断，而后熔体进入注塑机内注射成型。该种方法适合于加工商自己配混原料，以此来降低生产成本，并且该方法所用的设备小而轻便，适合生产更小的部件。

（六）隔膜成型

隔膜成型法是制造具有双曲面大型热塑性聚合物复合材料结构制品的一种最有希望的成型方法。它是近来以金属超塑性成型和复合材料热压罐成型为基础开发出的一种新型的适合于热塑性聚合物复合材料的成型方法。它是将未固结的热塑性预浸料平铺在两个可以变形的隔膜之间，放置在热压罐内，然后在隔膜之间抽真空，并加热、加压将铺层固结在一起。

（七）片材成型工艺

用连续纤维和织物作增强材料制备增强热塑性聚合物制品，一种重要的制造方法是将增强材料和作为基体材料的热塑性树脂预先制成成品片材，再将它剪裁成坯料模压或冲压成不同的制品。这种半成品片材称为增强热塑性聚合物复合材料片材（RTPS）。

（1）连续纤维毡增强的热塑性聚合物片材。连续纤维毡是一种非织造织物，连续纤维呈无定向圈状分布，以纤维之间相互缠结或粘接成毡。

（2）单向连续纤维增强热塑性聚合物片材。片材中纤维取向相同，性能呈很强的各向异性。

（3）短切纤维针刺毡和短切原丝毡。增强热塑性聚合物片材的制造工艺有熔融浸渍工艺、悬浮沉积工艺、流化床工艺、静电吸附工艺等。

①熔融浸渍工艺，又称为干法工艺。首先将连续纤维或短切纤维制成毡，预热，与挤出机挤出的热塑性树脂薄膜层合，经双带压机热压浸渍、热固结、冷却，切割成所需规格的片材。片材中增强材料可以是一层，也可以是多层。纤维毡里纤维长度可根据需要选取。纤维毡的厚度也是根据需要调节：毡的孔隙率为0.4～4.9。这种工艺制备的片材的结构基本上属于层合片材结构。

②悬浮沉积工艺，又称为湿法、抄纸法工艺。首先将玻璃纤维、粉末热塑性树脂和悬浮剂加入水中，借助于悬浮助剂和搅拌作用，将密度差较大的玻璃纤维和树脂微粒均匀地分散在水介质中，使玻璃纤维单丝、树脂呈单颗粒分散，再将这种均匀的悬浮液通过流浆箱和成型网，从悬浮液中将水滤出后形成湿片，再经过干澡、粘接压轧成为增强热塑性树脂片材。采用的纤维是中等长度（5～50mm）的短切纤维。要求纤维长度适中，太短片材的机械强度比较低，太长纤维在悬浮液中很难均匀分散。选用树脂粉末的粒径通常为100～400μm。制出的片材里，纤维的含量一般为25%～40%（体积分数）。纤维含量低于20%（体积分数）时，片材中纤维难以达到连续分布；高于40%（体积分数）时，片材性能的各向异性太明显，形成工艺也比较难。在形成片材的过程中，为提高固结效果，干片材加热之前和加热过程中应轻微压实，当聚合物熔融后再加大压力，使熔融聚合物液滴熔结形成连续的基材，避免纤维的松弛。这种工艺制造出来的片材结构属于随机分布纤维的片材结构。

③流化床工艺。该方法首先将一定粒度的树脂粉末放在容器中的多孔床上，再通入空气使粉末树脂流态化；然后使分散的纤维从容器中通过，于是在纤维周围就附着了树脂粉末；附有树脂粉末的纤维通过切断器被切成定长，降落在输送网带上，铺成片，通过热轧区和冷却区后制成增强热塑性塑料片材。所制片材的结构属于随机分布纤维的片材结构。

④静电吸附工艺。该法是首先将热塑性树脂制成薄膜并使薄膜带静电；当带静电的树脂薄膜通过短纤维槽时，纤维被吸附在薄膜上；将吸附有纤维的薄膜与另一层树脂薄膜层合，通过热轧冷却，制得增强热塑性树脂片材。树脂薄膜的厚度为0.1～1mm。为改善片材的表面状态，在热轧层合时，上、下表面应各加一层（或两层）没有吸附纤维的纯树脂薄膜。制出的片材厚度一般为0.2～6mm，纤维的含量为5%～80%（体积分数）。这种片材的结构属于层合片材结构。

（八）纤维增强热塑性树脂管成型工艺

用连续纤维和织物作为增强材料制造的增强热塑性树脂制品中，还有一类制品——增强热塑性树脂管。这类增强树脂制品的复合结构是树脂基体为三维连续的，增强材料为二维连续的。下面以织物增强聚氯乙烯管、聚氯乙烯夹网管的成型为例说明这类制品复合结构的形成过程。

1.织物增强聚氯乙烯管　织物增强聚氯乙烯管，也称为维塑管，所用的基体树脂为加有增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂等的聚氯乙烯。所用的增强材料是由维尼纶或聚酯纤维、锦纶等合成纤维或植物纤维织成的筒带（管坯）。其成型工艺为：把织好的筒带送至送带辅机上，将筒带经过预热箱预热后送进机头；在机头内熔融的树脂从挤出机中挤出，首先涂在筒带外表面，与此同时熔融树脂透过筒带和内模套进入到内模芯和内模套之间，树脂熔体沿内模套和内模芯之间的间隙向前流动，从内模芯前面出来涂在筒带的内表面上。这样，筒带经过挤出机机头后其内外表面便均匀涂上了一层树脂，再经过冷却水箱，由牵引辅机不断向前牵引即成制品。

2.聚氯乙烯夹网管　聚氯乙烯夹网管的成型工艺为：将配好的聚氯乙烯树脂（加有增塑剂、稳定剂、润滑剂等）加入装有水平挤管机头的挤出机内，挤出内管；内管充分冷却后，在内管的外壁上按一定规律由缠网机缠上线网；然后在缠有线网的内管上用第二台挤出机挤出复合外管，再经冷却，即得到制品。

（九）其他成型工艺

1.热成型　热成型工艺与热固性树脂复合材料的模压成型类似，是一种快速、大量成型热塑性树脂复合材料制品的工艺方法。用热成型工艺制造复合材料制品与制造纯树脂制品不同，其预浸料在模具内不能伸长，也不能变薄。模具闭合之前，预浸料要从夹持框架上松开放至下半模具上，闭合模具时预浸料铺层边缘将向模具中滑移，并贴敷到模具型面上，预浸料层厚保持不变。

2.辊压成型　辊压成型主要借鉴于金属成型方法。设备由一系列（一组或多组）热压辊和冷压辊组成。把几层铺好的预浸料按设计要求叠合对齐并放在模具上，用远红外线、电或激光加热方法使之加热软化，然后通过牵引装置经过一系列的辊压台，使预浸料逐渐成为所需形状的复合材料制品。

3.冲压成型工艺　冲压成型工艺是先按模具大小裁切成热塑性树脂基复合材料预浸片材，将几层裁好的片材放在模具内，然后送入加热炉内加热至高于树脂基体熔点或软化点温度（低于基体树脂黏流温度10～20℃）后，投入到温度为50～70℃的模具型腔中，快速合模压制成型。这种方法的特点是成型温度低、压力小、周期短（成型周期一般在几十秒至几分钟）。该工艺成型工艺能耗、生产费用均较低，操作简便，生产效率高，但只适用于熔融加工性能好的热塑性树脂基复合材料及成型形状比较简单的制品，对于熔融黏度较大的高性能热塑性树脂基复合材料则不适用。

4.层压成型工艺　层压工艺属于热压成型工艺之一，适合于热塑性树脂基复合材料板材的成型。层压工艺是将裁切好的热塑性树脂基复合材料预浸片材铺放在模具内，加热模具至高于树脂基体熔点或软化点温度，然后施加压力使预浸料完全粘接成一体，并在压力作用下直接固结为层压板。层压成型工艺相对于冲压成型工艺最大的不同在于成型周期较长，一般要几十分钟。成型时间的延长有助于树脂基体的充分流动。所以层压成型工艺特别适合于熔融黏度较大的高性能热塑性树脂基复合材料。

5.弹性体储存成型　弹性体储存成型（ERM）是美国于20世纪70年代中期开发的一种制备轻型纤维增强塑料的工艺方法，20世纪80年代初已用于工业生产。该工艺具有劳动力投入少、设备投资低、原理简单等优点，其制品的比模量超过传统的纤维增强塑料，工艺过程与SMC类似。

（1）用不饱和聚酯树脂或环氧等热固性树脂浸渍开孔的聚氨酯泡沫塑料，制成储存树脂的弹性体芯材。

（2）在芯材的上下两面铺覆玻璃纤维增强材料，制成坯料，裁切包装后可低温储存备用。

（3）采用模塑工艺成型，模塑时加压将储存于芯材中的树脂挤出，浸润玻璃纤维，经固化后即可脱模取出。

ERM制品实际上是一种以聚氨酯泡沫为芯材，以纤维增强塑料为面层的夹层结构材料，它的优点是比SMC的密度低，弯曲模量高。模塑压力低，对制品性能要求有较大的适应能力。可根据不同的需求，选择不同的材料作为面层。但这种工艺因为纤维不随树脂流动，对形状复杂及有凸面的制品不宜采用。