连续纤维增强热塑复合材料研发及应用

蔡福泉

（安徽旭升新材料有限公司，安徽 芜湖 241000）

连续纤维增强热塑复合材料研发及应用

蔡福泉

（安徽旭升新材料有限公司，安徽 芜湖 241000）

介绍了热塑性树脂连续纤维复合材料（CFRT）的模压工艺和注塑工艺，以及CFRT产品最新应用领域，并对CFRT与GMT的工艺进行了分析比较。产品研发和产业开发结果表明：玻纤质量分数为63%时，其CFRT拉伸强度515 MPa，拉伸模量25.9 GPa，弯曲强度380 MPa，弯曲模量22.7 GPa，比GMT分别提高了24%、19%、21%和17%；成功或正在开发CFRT板材，“三明治”夹层结构石油管道、集装箱体、劳动防护鞋包头等产品和应用市场。最后指出CFRT技术目前存在的问题，今后研发方向以及产业化发展趋势。

连续纤维增强热塑性复合材料；研发；应用

0 引言

CFRT是近期发展起来的一种连续纤维增强热塑性复合材料（Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic）。该材料发展历经了3 个阶段：

第1阶段采用短纤维（0.2～0.4 mm）增强，即SFT（Short Fiber Reinforced Thermoplastic），制品强度较差，难以满足结构材料的性能要求。

第2阶段改为中长纤维（3～50 mm）增强，即LFT（Long Fiber Reinforced Thermoplastic），制品强度有所增强，但韧性差和粒料难以控制。

第3阶段采用连续纤维增强的方式，即CFRT（Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic），可大幅度提高复合材料的力学性能和耐疲劳性能。

CFRT具备以下特点：

① 强度高，抗冲击强，力学性能高；

② 耐温抗湿方便长期储存；

③ 易加工成型，生产效率高；

④ 可以回收重复利用6 次，对坏境友好；

⑤ 基料易选择，PA、PP、PE、PC等材料均适用。

CFRT越来越受到人们的关注，并成为复合材料领域的研究开发的热点，究其原因是：

在近代复合材料发展史上，人们重点关注那些在未来15～25 年内性能有重大改进的材料（模量提升20%～25%），而“单一材料”不大可能取得这样大的改进。到2020年，模量增加20%～40%的材料将大有用武之地，现在看来惟有复合材料才有可能实现这样大幅度的性能提升。CFRT就是这种新型复合材料之一。

CFRT主要用途见表1。基于CFRT的特殊性能，我国起步较晚，应用领域在不断拓展中。

CFRT的主要成分有玻璃纤维和PE，采用单向铺层。其技术性能见表2。

1 CFRT研发

1.1 研发内容

长纤维增强热塑性塑料（LFT）经过多年研发已经批量生产。在此基础上研发连续纤维增强热塑性复合材料（CFRT），提高树脂极性，降低树脂粘度是增加浸润动力，减小浸润阻力，提高浸渍速度的有效方法；强化纤维丝束的径向扩展和树脂熔体往纤维丝束的径向流动，减少纤维单丝的折损是提高熔融浸渍效率的主要途径；采用与浸渍树脂和浸渍设备特征相适应的浸渍温度、浸渍速度等工艺参数设置是浸渍生产线高速、稳定运行的根本保障。综合浸渍配料、浸渍模头和浸渍工艺3方面的关键技术，才能生产低成本和高性能的CFRT。

表1 CFRT主要市场的应用领域

图1为CFRT预浸带。在严格控制工艺条件下制成CFRT，制备复合材料的预浸带是制成树脂基体与增强体的组合物。预浸带的质量好坏直接影响到复合材料物件的质量，对于复合材料的应用和发展具有重要意义，广泛用于航空航天和国民经济的各个领域。一般热塑性复合材料采用编织布、玻纤毡、GMT以及其它不连续的纤维来起到增强效果，CFRT则是在生产中保证了纤维的连续性，在成型制品中仍然保持连续性的纤维，这使得产品具有超越传统材料的性能，拥有更低的密度，同时具有更高的强度。

CFRT可以作为基础材料，可以将复杂的制品通过应用程序的分析后，灵活的把CFRT通过不同的铺层设计（0/30/60/90）来改变局部或是整体结构所需的不同性能要求，让材料发挥最高的性能价值。目前，连续纤维增强聚丙烯片材中纤维质量分数占到65%。

图1 CFRT预浸带

表2 CFRT主要技术性能

该产品具有极高的强度/质量比，较轻的质量，较高性能的产品；具有较高的抗冲击性能，提高产品的安全性，提高产品使用寿命；减少运输成本，防腐性能好，防潮效果好；环保可持续发展，可回收利用，减少浪费；成型加工可以二次和多次加工，减少生产周期，降低成本。

1.2 关键技术

1.2.1 主要原料

E级玻璃纤维（热塑性玻纤）、玻纤增强专用聚丙烯、尼龙和界面改性剂。

1.2.2 工艺路线

连续玻纤束经纱架均布引出，导向后，先进压辊牵引机牵引压平，然后经过多道分散辊进行分散，将每束玻纤展开为7.5 mm，并使其紧密展开排列，保证每束玻纤表面张力一致并无间隙，达到预定宽度；展开后的玻纤带进入预浸装置，玻纤带与聚丙烯基材在模具外浸渍复合，使玻纤带双面都复合上聚丙烯基材；然后进入3辊浸渍辊压装置，在辊压作用下，使聚丙烯基材完全浸渍到玻纤带内部；充分浸渍的玻纤带然后进入双辊牵引机，在牵引的同时，挤压到预定厚度；最后是卷取装置。工艺路线如图2所示。

1.2.3 主要技术指标

① 片材宽670 mm，裁边后为650 mm，片材厚度0.25～0.55 mm；

② 玻纤质量分数55%～65%；③ 挤拉速度5～15 mm/min；

④ 主要力学性能指标：拉伸强度350 MPa，弯曲强度380 MPa，模量19 GPa；

1.2.4 主要设备组成

整条生产线长25 m，宽8 m。主要设备包括：纱架、导向装置、分散辊、牵引辊、单螺杆挤出机、模头、3辊浸渍机、双辊牵引机、卷取装置及其他配套装置等，部分电机和浸渍辊为德国进口设备，控制系统为PLC界面控制。

图2 工艺路线图

设备装置中调试要点：

① 纱架张力装置：要调节好每束纤维的张力，确保纤维笔直和平行。

② 纤维分散装置：纤维要通过分散架均匀分布，达到同一平面。

③ 螺杆挤出和纤维浸渍装置：要把纤维在特制的浸渍模头中充分浸渍。

④ 棍压、收卷装置：要同步进行，调整好速度。

⑤ 预浸带分切装置：采用独特工艺对CFRT进行精确裁切，裁切范围为10～300 mm，可以满足不同要求的客户需求。

目前旭升公司已经有了CFRT生产线1 条，计划在生产稳定后再上1 条生产线。

在此基础上，上一条石油管道生产线，采用激光融化的原理，连续化加工“三明治”夹层结构石油管道，以满足国家对石油管道改造工程的需求。

2 开发CFRT制品

2.1 CFRT板材

采用蜂窝芯做内衬，两面板用CFRT预浸片材，加入适量的助剂，在一定压力下，熔融成型。

图3为蜂窝板与预浸片，在蜂窝板的两面附上CFRT带材，让蜂窝板不但拥有更轻和更强的承载能力，还有更好的强度/质量比和耐冲击性，该板材具有高模量、高强度和特别轻的特点，应用于集装箱内壁板，可以以塑代木，耐海水腐蚀，使用寿命长。

利用高速的制板工艺，制造全复合材料海运集装箱。这种集装箱比目前使用的标准产品轻60%，而且极其耐用，不锈不腐，在制造过程中无挥发性有机化合物排放，使用期满后可以回收利用。

图3 蜂窝板与预浸片

我国是集装箱生产使用大国，世界上有70%以上集装箱都是中国制造。开发CFRT板材可以提高我国集装箱在国际市场上竞争力。减少木材大量进口，保护坏境，具有很好的经济效益和社会效益。

2.2 CFRT输油管道

我国石油生产经营中需要大量的输油管道，这些输油管道强度差，不耐老化，带来了严重的安全隐患。中石油、中石化等大型油田目前已形成了655 条油气长输管线，总里程达到1.02×105km，一些已运行了20多年，有的甚至达到40多年，有些管道已经锈蚀、变薄。青岛事故后，国家要求各地进行石油管道改造，对CFRT输油管道的需求量将会不断增长。如果天然气管道更新改造，也是个潜在的大市场。

图4为“三明治”夹层结构石油管道，采用“三明治”夹层结构生产工艺，大大增强了石油管道的耐压强度，延长了石油管道的使用寿命，为解决像青岛石油管道破裂造成火灾的大问题。所谓三明治生产工艺，就是把CFRT放在中间层，二面用保护层，在激光的辐射下迅速熔融，冷风干燥成型。接头用法兰链接或焊接。该制品在研发中。

2.3 CFRT劳保鞋包头制品

劳保鞋是一种用于保护劳动者足部安全的安全防护鞋，对劳动者在生产生活过程中起足部防护作用。

温州和台州地区是劳保鞋出口基地，每年有3×107双劳保鞋出口到世界各地。用CFRT生产的劳保鞋包头，具有轻便、舒适、卫生、耐磨等特点，代替现有笨重的钢包头势在必行。平均一双需要CFRT 100 g，需求量3 000 t/a。中国政府也在不断加强劳动保护，国内对劳保鞋的需求量在不断上升，每年劳保鞋和运动鞋在1×107双以上，需求量1 000 t/a。内外销合计在4 000 t/a。

图4 “三明治”夹层结构石油管道

实际上很多作业场所需要既能保护足趾免受或减轻外来物打击伤害，也能防止尖锐物从鞋底部刺伤足部，或防止和减轻化学物质对足部的伤害，或消除人体静电聚集等多种功能的劳保鞋。在错综复杂的生产环境中，有多种因素如化学、机械、电或高温等可能同时对人体造成危害，因此要求防护鞋也应该同时具备防化学、机械、电或高温伤害的功能。由于使用场所的情况决定其防护功能、卫生要求和舒适性综合要求。 劳保鞋在劳动条件恶劣的场所穿用，都应具备耐油、缓冲和防滑等基本功能。

图5为CFRT劳保鞋包头，该制品采用不同纺织编织结构方式，形成纤维编织各种方案，适应各种劳保鞋需求。

相对国外劳保鞋市场而言，中国国内劳保鞋市场发展进程较缓慢，但却有一个良好的发展环境。随着我国社会经济的发展，国家个体防护装备政策的完善，人们对安全生产及个体防护的认识加深，劳保鞋市场也逐渐有了一个良好的发展空间及趋势，涌现出了很多劳保鞋的品牌。用CFRT生产劳保鞋包头势在必行，市场前景看好。

3 CFRT发展趋势

图5 CFRT劳保鞋包头

CFRT自1970年代初开发以来，在航天、航空、汽车、化工、电子/电器等领域均得到应用，发展速度很快。越来越受到各国重视，研究应用十分活跃，近年来，每年均以25%的速度增长，发展速度比热固性复合材料高数倍。我国从1980年代中后期也开展了CFRT的研制工作，与发达国家相比，差距很大。然而，我国CFRT的发展有着巨大的潜力，随着新能源汽车、无人机/机器人的快速发展，对CFRT的需求会越来越大。因此在我国加快CFRT的研制和应用具有重大的现实意义。

但是，CFRT作为一种相对较新的复合材料，仍有不少问题有待解决，如开发新的增强材料和新的基料，研发新的加工设备和成型加工方法，适应大型和复杂构件成型的需要，以提高CFRT及其制品的强度、刚度、耐热性、韧性等；研发新的助剂，提高纤维表面处理效果，提高纤维和基体界面的结合强度，研发CFRT制品再生利用的研究等。为此我们制定了十三五新材料发展计划，上述问题都是列入十三五期间新材料研发的重大课题。

CFRT作为一种相对较新的复合材料，其研究和应用也正在不断的发展和完善。其研发趋势如下：

⑴ 开发新的增强基料，以提高复合材料及其制品的强度、刚度、耐热性、韧性等；

⑵ 研发预浸带的加工设备和复合材料成型加工方法，特别是大型和复杂构件成型方法的开发；

⑶ 研发新的助剂，提高表面浸渍效果，提高纤维和基体界面的结合强度；

⑷ 加快CFRT制品再生利用的研究，减少环境污染等。

⑸ 减少工艺周期，降低成本，扩大应用领域。

上述5 个方面的发展将综合考虑和统筹兼顾，CFRT将会获得更为广泛的应用，市场前景将更加广阔。

十三五期间，随着航空航天工业对新材料要求的越来越高和需求越来越大，从资源及技术经济角度来看，CFRT在性能、价格、生产效率、装配、维修费用等方面的优越性，使其在即将到来的复合材料时代中，将扮演举足轻重的角色。

据统计，目前国内各种增强纤维和织物预浸料的年产量不足2×107m2，而市场需求量却达到了5×107m2以上，市场供需缺口非常大，所以开发该产品具有非常广阔的市场前景。近年来，一方面通过对现有热塑性树脂的改性，另一方面开发高性能热塑性树脂如PPO、PEEK、PEI、PPS、PSF等，使得CFRT的应用越来越多。

4 结论

CFRT生产技术的难点在于纤维丝束的熔融浸渍。相对于热固性树脂，热塑性树脂的熔体粘度都很高，不易浸透纤维丝束和取得高的浸渍速度。提高树脂极性，降低树脂粘度是增加浸润动力、减小浸润阻力和提高浸渍速度的有效方法；强化纤维丝束的径向扩展和树脂熔体往纤维丝束的径向流动，减少纤维单丝的折损是提高熔融浸渍效率的主要途径；采用与浸渍树脂和浸渍设备特征相适应的浸渍温度、浸渍速度等工艺参数设置，是浸渍生产线高速和稳定运行的根本保障。当温度设置为220 ℃时，所得CFRT的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别为112、165和7 700 MPa，比一般短玻纤增强PP高50%～70%。随浸渍温度增加，强度和模量都增加。当浸渍温度为250 ℃，所得CFRT的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别为128、183 MPa和12.7 GPa，高于RTP同类产品的性能指标（见表3）。进一步提高浸渍温度易导致PP熔体黄变。

CFRT development and application

CAI Fu-quan
( Anhui Xusheng New Concept Materials, Co, Ltd., Anhui Wuhu 241000 China )

This paper highlights CRFT compression and injection molding methods as well as the latest applications and the charteristics of CFRT method in comparison with GMT and pre-compounded pelled molding methods. Product development and product development results show: In the Content of Glass Fiber63%,Tensile Strength 515 MPa, Tensile Modulus 25.9 GPa, Tlexural Strength 380 MPa, Flexural Modulus 22.7 GPa. Ratio has increased 24%、19%、21% and 17%. Successful or developing CFRT plate, Sanmingfa oil pipeline, Sealing, Production and application market of Labor lining and other products. Finally it is pointed out that CFRT technology present problems, The direction of the research and development, and industrialization development trend in the future.

CFRT; development; application

TQ327.11

A

1007-9815（2016）06-0001-05

定稿日期: 2016-12-22

蔡福泉（1958-），男，安徽六安人，高级工程师，从事高分子材料研发，(电子信箱)caifuquan6688@126.com。