連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PA6高性能復(fù)合材料的制備

薛采智

摘? ?要：本文主要從連續(xù)碳纖維在制備PA6高性能復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)分析入手，闡明了連續(xù)碳纖維的積極性，并著重介紹了制備工藝和成型工藝環(huán)節(jié)，其中前者主要包含浸潤(rùn)工藝、纖維混合工藝、粉末混合工藝以及薄膜層疊工藝方面，而后者則主要包含注射成型方法、拉擠成型方法以及熱壓成型方法方面，為有效提升PA6高性能復(fù)合材料的制備水平，提供一定借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)碳纖維? PA6? 高性能? 復(fù)合材料? 制備

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ327. 3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（a）-0106-02

熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料在近些年來(lái)廣受人們關(guān)注，由于其成型快、可回收、韌性高的優(yōu)勢(shì)，可以產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)潛在效益和社會(huì)效益，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。以往PA6材料制備過(guò)程中，研究工作主要集中在了碳纖維對(duì)于增強(qiáng)PA6基熱塑性復(fù)合材料中的長(zhǎng)纖和短纖增強(qiáng)材料方面，但是相較于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料來(lái)說(shuō)，碳纖維的體積分?jǐn)?shù)較小、力學(xué)性能也較低，為提升PA6復(fù)合材料的總體性能，可以嘗試使用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料。

1? 制備優(yōu)勢(shì)

碳纖維本身屬于高分子材料，在物理化學(xué)性能方面均十分良好，如輕質(zhì)、耐酸堿腐蝕、高強(qiáng)度等方面，因而在制備復(fù)合材料的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)使用到碳纖維作為增強(qiáng)樹(shù)脂基體。熱塑性樹(shù)脂被廣泛應(yīng)用在當(dāng)前多個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，能夠有效增強(qiáng)生產(chǎn)和制作效果，提升產(chǎn)品質(zhì)量。但是當(dāng)前實(shí)際制備熱塑性材料時(shí)容易受到多種因素的制約，主要集中在了成本較高、制備工藝不夠成熟科學(xué)等方面。積極探索PA6的制備工藝具有較高現(xiàn)實(shí)意義。PA6作為一種熱塑性樹(shù)脂，擁有著突出的總體性能，尤其是加工性能十分良好，可以被有效應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域和汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域[1]。單純使用碳纖維開(kāi)展PA6制備工作，無(wú)法滿(mǎn)足PA6的高性能需求，通過(guò)使用連續(xù)碳纖維，使其和PA6保持著較強(qiáng)的融合度，將能夠有效發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)特征，促進(jìn)汽車(chē)輕量化領(lǐng)域設(shè)計(jì)工作的穩(wěn)步開(kāi)展。PA6本身的熔融指數(shù)很低，可以有效支持多個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)活動(dòng)的實(shí)施。

2? 制備工作

想要積極制備出PA6高性能復(fù)合材料，需要注重使用到合理有效的材料作為支撐，很多制品中使用碳纖維無(wú)法達(dá)到連續(xù)效果，所制備出的復(fù)合材料本身不符合相關(guān)要求，使用連續(xù)碳纖維將可以起到良好效果。

2.1 浸潤(rùn)工藝

開(kāi)展PA6高性能復(fù)合材料制備活動(dòng)的過(guò)程中，需要考量到樹(shù)脂有效浸漬碳纖維的問(wèn)題，特別是樹(shù)脂本身的熔融指數(shù)較低。結(jié)合具體制備要求，選擇到合理有效的浸潤(rùn)工藝，可以支持連續(xù)碳纖維和樹(shù)脂之間的良好反應(yīng)。常用到的浸潤(rùn)工藝包含：

2.1.1 纖維混合工藝

纖維混合方式在制備PA6高性能復(fù)合材料方面發(fā)揮著積極作用，具體應(yīng)用過(guò)程中，首先，借助于紡絲設(shè)備，紡織出熱塑性樹(shù)脂纖維絲束，這些纖維絲束需要具備較高的均勻性效果;其次，按照制備實(shí)驗(yàn)事先要求的混合比例，將纖維絲束和連續(xù)碳纖維加以均勻混合，這其中主要使用到編織的方式;由此可以得到混合纖維布或者混合纖維絲束[2]。

2.1.2 粉末混合工藝

這一方式實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，首先要將熱塑性樹(shù)脂粉末均勻覆蓋在連續(xù)碳纖維表層上;其次，在高溫環(huán)境下放置經(jīng)過(guò)處理的連續(xù)碳纖維，促進(jìn)連續(xù)碳纖維受到樹(shù)脂粉末的有效熔化和浸漬。粉末混合工藝的良好應(yīng)用，需要事先做好充分的浸潤(rùn)工作，也就是通過(guò)使用靜電流化床工藝和懸浮液工藝，實(shí)現(xiàn)粉末預(yù)浸目標(biāo)。為提升這項(xiàng)工藝的總體實(shí)施水平，一方面要注重使用專(zhuān)業(yè)化方式，使得緊密狀態(tài)下的碳纖維束可以最大程度上得到分散，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷缮踔羻胃臓顟B(tài);另一方面要注意到當(dāng)樹(shù)脂粉末的顆粒越小，其附著在碳纖維上的幾率也就越大，因而在實(shí)際使用樹(shù)脂粉末時(shí)，要盡可能選取到直徑較小的粉末基體。

2.1.3 薄膜層疊工藝

薄膜層疊工藝在實(shí)際制備PA6高性能復(fù)合材料過(guò)程中發(fā)揮著顯著優(yōu)勢(shì)，主要是因?yàn)檫@一工藝擁有著十分簡(jiǎn)便的操作環(huán)節(jié)、成本較為低廉，在面對(duì)結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的板材外形負(fù)荷材料方面也起到積極效果。應(yīng)用薄膜層疊工藝過(guò)程中，首先要開(kāi)展逐層交替鋪設(shè)工作，這是針對(duì)事先準(zhǔn)備好的熱塑性樹(shù)脂薄膜和連續(xù)碳纖維布進(jìn)行的，使其達(dá)到預(yù)計(jì)好的厚度要求;其次，需要開(kāi)展加熱加壓工作，這其中要借助于熱壓機(jī)作用，處理好中已經(jīng)鋪疊好的材料，在高溫和高壓下，將可以促進(jìn)連續(xù)碳纖維得到良好的熔化和浸潤(rùn)。薄膜層疊方法的應(yīng)用關(guān)鍵在于合理把控好溫度和壓力[3]。如果使用的壓力過(guò)高，會(huì)容易壓緊碳纖維絲束，從而碳纖維之間會(huì)十分密實(shí)，沒(méi)有縫隙，在熔融狀態(tài)下的樹(shù)脂液體無(wú)法有效流入到碳纖維絲束之間，從而無(wú)法發(fā)揮浸潤(rùn)作用。而如果薄膜層疊工藝應(yīng)用的溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂產(chǎn)生焦糊的情況，反之，如果溫度過(guò)低，樹(shù)脂實(shí)際產(chǎn)生的浸潤(rùn)效果會(huì)較差。

2.2 成型方式

在熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料制備過(guò)程中，成型速度較快是顯著特征之一。學(xué)界在研究PA6高性能復(fù)合材料成型方式方面，提出了以下幾個(gè)方法。

2.2.1 注射成型方法

在注射機(jī)中加入連續(xù)碳纖維和塑料混合粒料，有效使用螺桿，開(kāi)展熔融塑化作業(yè)，從而將其噴射到模具之中，實(shí)施固定成型處理工作，由此可以得到制品。注射成型工藝應(yīng)用中主要是包含了合模、添料、機(jī)器塑化、高壓注入、冷卻固化定型和開(kāi)模頂出成品等環(huán)節(jié)[4]。為提升注射成型工藝的應(yīng)用效果，需要注重做好細(xì)節(jié)處理工作，如熱處理和調(diào)濕處理好注射出的制品，促進(jìn)制品本身的尺寸擁有較高穩(wěn)定性，使得其內(nèi)部的應(yīng)力有所消減。熱處理環(huán)節(jié)的開(kāi)展，是為了將已經(jīng)凝結(jié)的分子鏈進(jìn)行有效化解，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)規(guī)律的狀態(tài)，從而可以有效增強(qiáng)結(jié)晶的構(gòu)造穩(wěn)定性，促進(jìn)拉伸、斷裂、伸長(zhǎng)的比例有所降低。

2.2.2 拉擠成型方法

在實(shí)際制備PA6高性能復(fù)合材料過(guò)程中，拉擠成型方式的應(yīng)用十分成熟，其本質(zhì)在于隨著溫度的變化，樹(shù)脂的形態(tài)也會(huì)產(chǎn)生變化，結(jié)合這一特征做好成型處理工作，可以達(dá)到良好效果。對(duì)于熱塑性樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，其擁有較小的熔融指數(shù)，在受到拉擠作業(yè)之后，拉動(dòng)阻礙超過(guò)熱固性樹(shù)脂，從而實(shí)現(xiàn)成型[5]。

2.2.3 熱壓成型方法

對(duì)于PA6高性能復(fù)合材料的制備工藝來(lái)說(shuō)，熱壓成型方法十分適宜，其成型速度較快，且自動(dòng)化效果良好。在熱壓成型方法的支撐下，樹(shù)脂基體的熔點(diǎn)溫度和熱壓成型的溫度保持著合理性差距，減少熱塑性樹(shù)脂基體老化、焦糊。這一方法應(yīng)用過(guò)程中，主要使用到了熱壓機(jī)，加熱和加壓材料，現(xiàn)階段能夠使用的設(shè)備有新型電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)，可以支持高速模壓復(fù)合材料的制備[6]。

3? 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)碳纖維在制備PA6高性能復(fù)合材料的過(guò)程中發(fā)揮著積極作用，實(shí)際制備環(huán)節(jié)中，要掌控好浸潤(rùn)工藝、纖維混合工藝、粉末混合工藝以及薄膜層疊工藝的效果，而在成型方面則可以采用注射成型方法、拉擠成型方法以及熱壓成型方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 董廣雨.連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料的制備及工藝研究[D].北京化工大學(xué)，2018.

[2] 張豐.水性環(huán)氧上漿劑的制備及其在碳纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料中的應(yīng)用研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2016.

[3] 李宏福，王淑范，孫海霞，等.連續(xù)碳纖維/尼龍6熱塑性復(fù)合材料的吸濕及力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2019， 36（1）：120-127.

[4] 徐英凱，朱姝，袁象愷，等.紡織結(jié)構(gòu)碳纖維增強(qiáng)尼龍6（CFF/PA6）復(fù)合材料的模壓成型工藝[J].塑料工業(yè)，2015（7）：54-57，74.

[5] 李宏福，姚瑞娟，王會(huì)平，等.碳纖維/尼龍6預(yù)浸料的制備及盒體的熱沖壓成型工藝[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2019，36（1）：57-65.