预浸料制备工艺（上）

1. 预浸料概述

预浸料是指树脂基体以一定方式浸渍于增强纤维上，形成厚度均匀的带状或薄片状半成品片， 是复合材料由原料向制品过渡的中间产品。包含有基体树脂和增强体纤维。

预浸料按物理状态可以分成单向预浸料、单向织物预浸料、织物预浸料；按宽度可以分成宽、窄带（几毫米到几十毫米）预浸料，而按树脂基体不同可以分成热固性树脂预浸料和热塑性树脂预浸料；按增强材料不同可以分成碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料；根据纤维长度不同又可以分成短纤维预浸料、长纤维预浸料和连续纤维预浸料。

其中树脂基体赋予了复合材料优良的力学性能、热性能、耐化学腐蚀性能和易加工性能，增 强纤维则主要决定了复合材料的机械性能。大部分的热塑性树脂都可作为连续纤维增强热塑性聚合物复合材料的基体，从通用的树脂聚丙烯 （PP）、聚乙烯（PE）到特种工程树脂聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等都可以选用，常见不同类型树脂基体的基本性能对比见表1。

2.  预浸料制备工艺

在60年代，预浸料随着高性能纤维（碳纤维、 芳纶纤维等）的研制成功而开始研究。它最初的制备方法是将一束一束的纤维平行靠拢在玻璃板上并往里倾注树脂基体。

在70年代，连续高性能纤维的生产发展为工业化，通过湿法制造的预浸料也发展到了机械化，但是存在设备简单、存在溶剂挥发、树脂含量控制精度不高等缺点。后来研发了干法工艺，由于干法制备过程中不需要溶剂溶解树脂，所以不存在溶剂挥发的问题，且树脂含量控制精度较湿法高，因而逐渐替代了湿法工艺。我们就对热固性预浸料和热塑性预浸料的制备方法进行阐述。通常，热固性预浸料的制备方法有湿法和干法两种，热塑性预浸料的制备方法则有熔融浸渍、粉末浸渍、溶液浸渍、纤维混编、薄膜叠层等。

2.1 热固性预浸料制备方法

（1）湿法——湿法也称溶液法，其工艺过程如图1所示，将树脂基体溶于一种沸点较低的溶剂中，从而形成一种特定浓度的溶液，随后再将纤维束或者织物按一定的浸渍速度对树脂溶液进 行浸渍，并用计量辊筒来控制树脂的含量，随后通过烘箱来干燥预浸料并挥发沸点低的溶剂，最后把浸渍料进行收卷。湿法的特点是设备简单、操作方便、通用性大。而该方法的缺点是难以对增强纤维与树脂基体比例进行精确的控制，因而不易实现预浸料中树脂基体的均匀分布。此外，溶剂的挥发量难以控制并且挥发还会造成环境污染，所以湿法工艺在国外已逐步被淘汰。

（2）干法——干法也称热熔法，首先是将树脂在高温下熔融，然后通过不同的方式浸渍增强纤维制成预浸料。按树脂熔融后的加工状态，可以将干法分为一步法和两步法。其中一步法是直接将纤维通过含有熔融树脂的胶槽浸胶，然后烘干收卷。两步法是先在制膜机上将熔融后的树 脂均匀涂覆在浸胶纸上制成薄膜，然后与纤维或织物叠合经高温处理。

干法的优点是预浸料的树脂含量可以精确控制，因此制品不仅表面外观好而且制成的复合材料空隙率低，避免了因空隙带来应力集中。它的缺点是设备比较复杂，制作工艺繁琐，对树脂的熔点有要求。对于厚度较大的预浸料，树脂容易浸透不均匀。

（1）熔融浸渍法——如图2所示，将增强纤维连续与（熔融的）热塑性树脂连续通过预浸渍装置，装置中有挤出机，可以对连续提供树脂并对其加热。树脂的含量由计量辊筒进行控制。树 脂与纤维接触直接浸渍，充分浸透纤维从而得到 复合材料预浸料。该方法的优点是树脂的含量控 制容易，预浸料挥发分含量低（无溶剂），减少了环境污染同时减少了材料（特别是增强材料）的损失。它的缺点也很明显，第一是对树脂的黏度有较高要求且树脂在加工过程中流动性要好。第二是树脂长期在高温的熔融的状态下，因此树脂发生降解的可能性大大提高，从而对所制备的复合材料的性能产生影响。

（2）粉末浸渍法——粉末浸渍法是将带静电的树脂粉末沉积到已被吹散的纤维上，再经过高温处理使树脂熔融嵌入到纤维中。粉末法的最大特点是能快速连续生产热塑性预浸料，纤维损伤少，工艺过程历时少，聚合物不易分解，具有成本低的优势。这种方法的不足之处在于树脂粉末直径必须在5～10 μm，而直径在10 μm以下的树脂颗粒的制备难度大，且与浸润所需的时间、温度、压力有关。

（3）溶液浸渍——溶液浸渍法就是将基体树脂用一定的溶剂完全溶解形成溶液，再将纤维丝 束通过装有基体树脂溶液的浸浆槽，使得纤维上沾有树脂，然后等待树脂与纤维充分的浸渍后将 溶剂除去、烘干，最后得到预浸料。该法的优点是树脂基体容易浸透增强材料，可制造厚型预浸料且设备造价较低。它的缺点是对树脂的沸点有要求，对与PEEK、PPS（结晶型）树脂，没有合适的低沸点溶剂可溶因此不便用溶液法进行预浸。溶剂的使用也会产生很大的环境污染问题。

(4）纤维混杂法——纤维混杂法是先将热塑性树脂纺成纤维或纤维膜带，再根据含胶量的多 少将增强纤维与树脂纤维按一定比例紧密地并合成混合纱，然后将混合纱织制成一定的产品形状， 最后通过高温作用使树脂熔融，嵌入纤维中。纤维混杂法的优点是树脂含量易于控制，树脂浸 润过程与预浸料固化过程同时进行，纤维能得到充分浸润，可以直接缠绕成型得到复杂外形的制件。缺点是在树脂浸润过程中，树脂难以实现均匀浸润，同时织造过程中易造成纤维损伤。

（5）薄膜层叠——薄膜层叠方法就是将增强体纤维放在聚合物薄膜之间，加热熔融后的树脂浸渍纤维，得到复合材料的预浸料。该工艺的 优点是操作简单。缺点是热塑性树脂尤其是高性 能热塑性树脂在熔融状态下黏度很大，不利于纤维的浸渍，因此该方法制备得到的复合材料性能不高。

（未完待续）