1.2　連續(xù)纖維預浸料（無緯布）制備

無緯布是纖維平行排列的浸膠片。由于其纖維單向排列，所以又稱單向浸膠布。它用于壓制層合板和對鋪層設計有嚴格要求的承力結(jié)構(gòu)，如飛機蒙皮和型材。

在制造預浸料之前，必須首先根據(jù)復合材料設計的要求，確定預浸料的單位面積的纖維質(zhì)量和預浸料的樹脂含量。對于單向纖維預浸料，其單位面積纖維質(zhì)量可在一個較大的范圍內(nèi)設計，計算公式為：

Ws=t/d　　（1-2）

式中　Ws——預浸料單位面積纖維質(zhì)量，g/m2；

t——絲束的纖度，tex，即g/km；

d——所制造的預浸料的纖維間距，10-3m。

纖維間距通過調(diào)節(jié)預浸料制造設備來確定。

在預浸料的單位面積纖維質(zhì)量確定以后，其樹脂的含量由其所制造的復合材料的纖維體積含量或復合材料單層厚度和固化樹脂的密度所決定。

根據(jù)纖維類型、欲制預浸料單位面積纖維質(zhì)量和寬度，按式（1-3）計算所需紗筒數(shù)。

　　（1-3）

式中　N——紗筒數(shù)，筒；

Gf——單位面積纖維質(zhì)量，g/m2；

——單位長度纖維質(zhì)量，g/m；

L——寬度，m。

1.2.1　滾筒纏繞法

首先在滾筒上平整地鋪上一層脫模紙，然后將連續(xù)纖維通過基體樹脂膠液的膠槽，經(jīng)過幾組導向輥，除去多余的樹脂，平行地繞在圓柱形滾筒上，當滾筒不斷轉(zhuǎn)動時，浸膠之后的絲束就以固定的間距平行地纏繞在滾筒上，最后順滾筒的一根母線切斷展開，晾干后，用薄膜覆蓋，便獲得無緯布。布的大小由滾筒直徑和長度決定。這種工藝效率低，適用于新產(chǎn)品研究和開發(fā)。

（1）膠液配方見表1-37和表1-38。

①膠液相對密度控制在1.0。

①膠液相對密度控制在1.0。

（2）主要設備——滾筒式排布機　滾筒式排布機主要組成部分為滾筒、機頭和傳動裝置三大部分（如圖1-23所示）。滾筒直接用來繞絲。機頭上裝有紗架、集束器、膠槽、導向輥和張緊輥。傳動系統(tǒng)由電機、減速箱、傳動鏈、調(diào)速器、絲杠、螺母、溜板等零件組成。其作用是分別帶動滾筒旋轉(zhuǎn)和機頭平行于滾筒軸線作橫向移動。電動機可實現(xiàn)無級變速，機頭移動與滾筒轉(zhuǎn)動之間的速比則采用調(diào)速裝置實現(xiàn)。所以，可以任意選擇排布速度并按紗片寬度調(diào)整機頭移動的速度。

1—紗架；2—集束器；3—導向輥；4—膠槽；5—張緊輥；6—滾筒；7—壓輥；8—動力機構(gòu)；9—床身；10—調(diào)速器；11—溜板（可前后移動）；12—小車（可左右移動）

（3）制造方法　先在滾筒上鋪滿一張脫模紙，脫模紙的一面涂有隔離材料，它可以從無緯布上揭下而不至于粘連。絲束從紗架抽出，經(jīng)集束器、導向輥進入膠槽浸膠，再經(jīng)張緊輥由絲嘴繞到滾筒上，然后通過一系列齒輪機構(gòu)來保證滾筒轉(zhuǎn)動與絲嘴沿滾筒軸向移動的速比，使?jié)L筒每轉(zhuǎn)動一周，則絲嘴連續(xù)地移動一個紗片寬度。當滾筒不斷轉(zhuǎn)動時，紗片就一片緊接一片地按圓周方向平行地纏繞在滾筒上，直至達到要求的無緯布寬度為止。然后沿滾筒的一根母線切斷纖維。

滾筒纏繞法生產(chǎn)無緯布應控制的工藝參數(shù)包括：纖維狀態(tài)、膠液相對密度、浸膠速度、滾筒圓周線速度和纖維張力等。表1-39給出了環(huán)氧與酚醛（6∶4）膠液相對密度與無緯布含膠量的關(guān)系（試驗值）。

1.2.2　溶液浸漬法

1.2.2.1　熱固性樹脂

（1）膠液配方及工藝參數(shù)

①環(huán)氧/酚醛膠液配方（見表1-40）　該配方制成的制品能夠兼顧耐熱性及機械強度，后續(xù)工藝的工藝性良好，有較長的儲存和適用期。

②環(huán)氧膠液配方（見表1-41）　該配方工藝性較好，制成的制品具有中等強度。

①MNA為甲基內(nèi)亞甲基四氫化鄰苯二甲酸酐。

②BDMA為苯基二甲胺。

③聚酯膠液配方（見表1-42）　配方中選用過氧化二異丙苯作引發(fā)劑，少量過氧化苯甲酰作助引發(fā)劑，以保證聚酯在較低溫度下部分聚合。由于苯乙烯揮發(fā)性大，耐熱性差，故此配方用DAP代替一般配方中的苯乙烯作為交聯(lián)劑，從而改善了工藝性，提高了制品性能。

（2）工藝過程　無緯布生產(chǎn)工藝過程見圖1-24，紗團置于紗架上自由退解，經(jīng)過梳形排紗裝置集束成帶狀，浸膠，控制含膠量25%～30%，再進入烘爐，控制揮發(fā)物含量為（3±0.5）%，不溶性樹脂含量不超過10%。

1—力矩電動機；2—卷盤；3—主動輥；4—變速箱；5—直流電動機；6—烘爐；7—電熱器；8—膠槽；9—紗團

1.2.2.2　熱塑性樹脂

高性能熱塑性樹脂特別是PEEK、PPS一類結(jié)晶型高分子，沒有合適的低沸點溶劑可溶，不便用溶液浸漬法制備預浸料。但也有一部分非結(jié)晶型樹脂如PEI、PEK-C、PES等可溶解在部分溶劑中，不過常用的低沸點溶劑對其溶解度有限，用低濃度的溶液即便采取不同工藝措施也難以得到樹脂含量在35%（質(zhì)量分數(shù)）左右的預浸料，為此，常用混合溶劑增大樹脂的溶解度，隨之提高預浸料的樹脂含量，滿足對不同樹脂含量預浸料的要求。

絲束從紗架上引出，經(jīng)箅子分絲后，整齊地進入裝有膠液的浸漬槽，經(jīng)擠膠、烘干、墊鋪離型紙和壓實，最后收卷，即成為成卷的單向預浸料產(chǎn)品（如圖1-25所示）。

1—纖維架；2—箅子；3—浸膠槽；4，7，11—頂紙開卷；5，8，12—頂紙收卷；6，10—空氣和溶劑的排出或回收；9—烘爐；13，20—壓輥；14—牽引輥；15，16—切刀；17—反相涂覆輥；18—底紙開卷；19—涂覆的樹脂膜；21，23—空氣或惰性氣體；22—壓輥組；24—冷卻器；25—產(chǎn)品

1.2.3　熱熔浸漬法

1.2.3.1　熔體浸漬法（熔融直接浸漬法）

絲束從紗架上引出，經(jīng)滾筒至噴氣分離器，絲束舒展開來以便更多的纖維裸露出來，接著進入流出樹脂熔體的擠出機頭的機縫，上下層樹脂熔體薄層受到壓力作用浸漬纖維，浸漬后的預浸料經(jīng)空氣迅速冷卻并收卷（如圖1-26所示），單向預浸料的厚度為0.127～0.152mm，寬度為7.62～30.48cm，可供干法纏繞或?qū)訅海淞鞒倘缦拢?/p>

直接紗→滾筒→噴氣分離器→擠出機頭→空氣冷卻→收卷

1—放卷裝置；2—滾筒；3—噴氣分離器；4—擠出機頭；5—空氣快冷；6—收卷輥

實用舉例。環(huán)氧5228/T700和雙馬5428B/T700超薄預浸料制備，預浸料單位面積纖維質(zhì)量為（85±5）g/m2、單層壓厚為（0.085±0.01）mm。

采用美國生產(chǎn)的12in（1in=0.0254m）熱熔預浸機。首先將紗筒固定在紗架上，引出紗束，經(jīng)過箅子、展平輥、預熱平臺、冷卻板到牽引裝置。將所選用的脫模紙裝于開卷機架上，將紙依次穿過各導向輥、加熱平臺、刮刀板、涂布頭、牽引裝置。參照表1-43設定工藝參數(shù)，制造預浸料。

1.2.3.2　熱熔膠膜法

熱熔膠膜法制造預浸料工藝一般包括制膜和預浸兩個步驟。

（1）樹脂制膜工藝　用熱熔法將基體樹脂置于混合器中充分混合，用電動機驅(qū)動的計量泵或通過壓力將基體樹脂輸送到涂膠輥，熱態(tài)樹脂按設計要求均勻地涂覆到離型紙上，冷卻，使涂覆的樹脂薄膜黏著在離型紙上。涂膜厚度（反應涂膜量）可通過調(diào)節(jié)涂膠輥溫度或離型紙前進速度來控制，用β射線儀檢測膠膜的厚度或膠膜的面密度。涂膜厚度可控制在30～70μm范圍內(nèi)，涂膜量約為35～80g/m2，涂膠輥的溫度需根據(jù)樹脂的熱性能來確定（圖1-27）。

1—離型紙開卷；2—涂膠輥；3—β射線儀；4—冷卻輥；5—聚乙烯薄膜開卷；6—收卷

（2）纖維預浸工藝　纖維筒排列在整經(jīng)架上，單向排列，經(jīng)過精梳機梳理，有序單向排列，彼此不交叉，彼此無空隙，排列成干態(tài)無緯布。如果是12K或24K碳纖維，還需開纖擴幅，使每根單絲都有相同概率滲浸熱熔樹脂。顯然，有捻碳纖維不適宜制造無緯布。整經(jīng)梳理好的纖維無緯布與涂有樹脂膜的離型紙形成夾芯結(jié)構(gòu)，依次通過幾組熱壓輥，使基體樹脂熔融，把離型紙上的樹脂膜轉(zhuǎn)移到無緯布上，制得單向纖維復合材料的無緯布，收卷（如圖1-28所示），供使用。

1—纖維紗；2—下樹脂膜；3—上樹脂膜；4—收上離型紙；5—鋪玻璃布或PE膜；6，7—換下離型紙；8—成品和收卷

1.2.4　粉末熔融浸漬法

1.2.4.1　靜電流化床法

靜電流化床法一般流程如下，其工藝示意圖如圖1-29所示。

紗架→張緊滾筒→空氣梳狀分束器→空氣流化床→隧道爐→牽引輥→收卷輥

1—放卷輥；2—張緊控制；3—空氣梳狀分束器；4—稀相；5—稠相；6—空氣流化床；7—電勢；8—空氣擴散板；9—爐子；10—牽伸輥；11—收卷輥

（1）高壓靜電流化床法（上海杰事杰新材料股份有限公司楊桂生專利資料）　絲束從紗架上引出，經(jīng)高壓靜電流化床，流化床中放的是粒度為60～80目的樹脂粉末，可能混合有其他組分或添加劑。玻璃纖維束在靜電的作用下，玻璃纖維絲相互排斥而分散開來，粉末在氣流和靜電的共同作用下進入并吸附到纖維束和單絲中，從而將玻璃纖維浸漬。經(jīng)過樹脂粉末初步浸漬的玻璃纖維束進入多孔式預熱烘箱中，在烘箱中樹脂被加熱到接近熔融的程度。經(jīng)過預熱的帶有樹脂的玻璃纖維進入哈夫模中，哈夫模主要是起到將樹脂熔融、塑化，將纖維均勻分布的作用。帶有塑化好的熔融樹脂的玻璃纖維從哈夫模中出來，進入擠出機的上、下模中，在上、下兩面涂覆上樹脂，該擠出機主要起到對玻璃纖維進行再浸漬以及加強了對樹脂含量的可調(diào)控性的作用。涂覆好的玻璃纖維進入到成型機組，經(jīng)過成型機組對纖維和樹脂的壓迫及再分布，然后成型為片材。根據(jù)客戶的要求可以將片材收成卷，也可以裁剪成需要的尺寸。

（2）玻璃纖維增強PP預浸料　將質(zhì)量分數(shù)為30%的樹脂粉末（組成為PP∶PP-g∶PA=60∶30∶10）、質(zhì)量分數(shù)為10%的空心玻璃微珠以及質(zhì)量分數(shù)為0.5%的成核劑NA-45、質(zhì)量分數(shù)為0.5%的抗氧劑1010、質(zhì)量分數(shù)為0.5%的抗氧劑DSTP混合均勻，并置于高壓靜電流化床中，將玻璃纖維連續(xù)地從流化床中通過，調(diào)節(jié)流化床的靜電電壓以調(diào)節(jié)玻璃纖維吸附樹脂的量，使聚合物粉末的質(zhì)量分數(shù)保持在40%左右。吸附有樹脂的玻璃纖維連續(xù)地從烘箱和高溫模頭通過，再經(jīng)過多輥壓延機，壓制成約1mm厚度的片材。

（3）碳纖維增強PEEK預浸料

①原材料　碳纖維（Hercules AS4，未上漿料，平均6000根/束）體積含量60%，PEEK體積含量為40%（ICI生產(chǎn)的150PF，平均粒徑90μm）。

②制造工藝　靜電粉末法預浸機的工作原理及其實驗生產(chǎn)設備見圖1-30。

由圖1-30可知，碳纖維首先開卷，并通過一個輪系展寬預分散。粉末預浸的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是涂覆室，這里利用靜電流化態(tài)床技術(shù)使碳纖維束強烈分散，吸附大量的熱塑性樹脂粉末，然后進入熔融爐預熱固結(jié)，固定住吸附的粉末。粉末預固結(jié)的碳纖維束繼續(xù)前行，并被后續(xù)的輪系微熱壓碾平，最后收卷，得到熱塑性的“預浸帶”。一個安置在輪系中的β射線控制系統(tǒng)負責測量預浸帶的厚度，間接換算得到樹脂的預浸量，即樹脂的體積分數(shù)。其工藝參數(shù)見表1-44。

1.2.4.2　樹脂槽粉末法

纖維通過導向輥進入樹脂槽，在一組浸漬輥的作用下分散，吸附樹脂粉末，然后通過加熱裝置使樹脂熔融，經(jīng)輔助浸漬輥及加壓輥使樹脂充分浸漬纖維，冷卻后得到預浸纖維。該工藝設備比空氣流化床法簡單，具體過程如圖1-31所示。

1—紗卷；2—纖維；3—導向輥；4—粉末槽；5—浸漬輥；6—加熱通道；7—冷卻輥；8—收卷

預浸纖維的樹脂含量與樹脂粉末的顆粒大小、分散輥的數(shù)量和排布方式有關(guān)。樹脂粉末的顆粒越小，玻璃纖維吸附的樹脂粉末越多，樹脂含膠量就越高。在其他條件相同的情況下，當用粒徑為40目的聚丙烯粉末浸漬玻璃纖維時，含膠量為39%；而用80目的聚丙烯粉末時，含膠量為85.7%。當分散輥數(shù)目較少時，由于纖維束未能完全分散開，纖維束中的很多纖維未能吸附到樹脂粉末，而且，已分散開的纖維也有重新收緊集束的趨向，使得原已分散的纖維來不及充分吸附粉末，因此預浸帶的樹脂含量很低。當分散輥數(shù)目增加時，由于纖維分散程度的增加，吸附于纖維束上的樹脂含量增加，所以預浸帶中的樹脂含量增加。分散輥數(shù)目對預浸帶樹脂含量的影響見表1-45。

加熱段應使吸附在纖維表面的樹脂粉末充分熔融，以保證樹脂能充分浸漬纖維。但是加熱段的溫度也不能控制過高，溫度過高易引起聚合物的氧化降解。聚丙烯熔體的溫度控制在210～220℃范圍內(nèi)較為合適。烘道內(nèi)的加熱氣氛溫度不宜超過230℃。

1.2.5　粉末懸浮浸漬法

粉末懸浮浸漬法是近幾年研究得較多的一種工藝。這種工藝中，熱塑性樹脂粉末（直徑在10μm以下并小于纖維直徑）和表面活性劑（如聚環(huán)氧乙烷、甲基乙基纖維素等）在浸漬室中形成水懸浮液，導輥將連續(xù)纖維牽拉入懸浮液槽中浸漬，使粉末均勻地滲入纖維之間，然后經(jīng)干燥、加熱壓實成型，經(jīng)牽引收卷（見圖1-32）。這種工藝技術(shù)新，成本低，工藝簡單，設備投資少，制備周期短，可用于連續(xù)纖維增強熱塑性樹脂基復合材料的生產(chǎn)。

1—紗架；2—箅子；3～6—導向輥；7—懸浮液槽；8—導向機構(gòu)；9—干燥室；10—加熱模；11—牽引；12—收卷

1.2.6　混纖紗浸漬法

混纖紗是將樹脂纖維和增強纖維在拉絲后合股，使得樹脂纖維和增強纖維達到理論上的單絲分散水平。

熔融浸漬和粉末浸漬工藝生產(chǎn)的預浸帶在使用時都存在一個共同缺點，即帶子剛硬，柔性差，而混纖紗則克服了該缺點。同時，混纖紗中樹脂纖維和增強纖維達到理論上的單絲分散程度，浸漬效果更勝一籌。法國圣戈班的Vetrotex公司生產(chǎn)的Twintex混合纖維就是在玻璃纖維拉絲過程中與樹脂纖維進行合股，浸漬效果非常好，玻璃纖維含量最高可達75%。日本東邦人造絲公司和德國BASF公司合作開發(fā)碳纖維同熱塑性樹脂纖維PEEK和PPS的混纖紗，成功地將直徑7μm的3K碳纖維和直徑20μm、0.5K的PEEK纖維均勻地混合成一組紗，將其加熱熔融、碾壓，使碳纖維嵌入熔融的PEEK基體中，冷卻后成為預浸料。其情況如圖1-33所示。

1.2.7　XMC（連續(xù)纖維SMC）

超高強度片狀模壓料XMC是1976年由美國PPG公司最先開發(fā)出來的，主要用于制造汽車部件。

XMC用定向連續(xù)纖維，纖維含量達70%～80%，不含填料（XMC的典型配方見表1-46）。XMC按所用增強材料的品種可分為三類：XMC-1型使用連續(xù)無捻粗紗，XMC-2型使用連續(xù)原絲，XMC-3型使用連續(xù)原絲和短切原絲。所有纖維呈X狀交叉排列，角度為82.5°。其制法為：用一般的標準纏繞設備，纖維經(jīng)過浸膠槽后纏繞在芯模上，纏繞完成后，從芯模上將材料切下，用聚乙烯薄膜包裹。然后，按照SMC生產(chǎn)的工藝方法進行增稠、壓制。其模壓制品在纖維方向上的強度是普通SMC模壓制品強度的5～8倍，是鋼材的4倍。因此，XMC又稱為超高強SMC。