【原创】揭秘热塑性预浸料：制备工艺与应用展望

中国粉体网讯  预浸料是指树脂基体在严格控制含量条件下浸渍增强材料，制得的具有均匀纤维面密度的树脂基体和增强材料的组合物，是制备复合材料的一种重要的中间过渡基材。

树脂和纤维是复合材料组成基础，预浸料质量好坏直接影响复合材料的性能优劣。采用预浸料制备复合材料能有效改善制品强度、耐腐蚀、疲劳寿命、耐冲击性，提高可设计性及制件轻量化水平。

根据树脂基体品种的不同，预浸料分为热固性和热塑性两种。热固性预浸料主要是由环氧树脂、氰酸酯树脂、双马树脂、乙烯基树脂等热固性基体材料与增强材料复合制备的中间材料，在航空航天、轨道交通、体育用品等领域已广泛应用数十年，但热固性预浸料自身也存在损伤容限低、加工周期长、吸湿性等缺点，且由于热固性树脂有交联性，使复合材料不能重新熔融塑化，且易与其他材料结合使用，存在回收困难的难题。

热塑性预浸料主要是由聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚酰胺、聚丙烯、聚苯硫醚等热塑性树脂与增强材料复合制备的中间材料。热塑性复合材料有很多优点，如耐冲击韧性好、贮存期长、成型效率高、易回收再利用，在航空、航天、武器装备、交通运输、汽车制造等领域已取得广泛应用。根据热塑性树脂预浸纤维方式的不同，热塑性预浸料的制备工艺分为溶液浸渍法、熔融浸渍法、粉末浸渍法、薄膜叠层浸渍法和纤维树脂混合浸渍法等。

热塑性碳纤维  图源：无锡智上新材料科技有限公司

热塑性预浸料制备工艺方法

溶液浸渍法

溶液浸渍法是用一种或多种有机溶剂配成溶液，将热塑性树脂完全溶解于溶液中制成树脂溶液，然后将纤维或织物等增强体浸泡在树脂溶液中进行浸渍，最后使用干燥箱等加热设备蒸发去除其中的有机溶剂，即得到溶液浸渍法预浸料。溶液浸渍法具有生产设备装置简单、故障率低、能耗低、制造成本低、预浸料的长度不受限制、树脂对纤维浸润较充分等优势，同时也存在溶剂挥发、生产环境异味大、回收难等问题。

溶液浸渍法制备预浸料的流程图

熔融浸渍法

熔融浸渍法为首先用纱架、展纱辊通过碾压、增加张力等方式将纤维束充分展开并分布均匀，纤维经过加热装置预热后进入浸渍区，在一定的温度下树脂熔融，进而浸润纤维，通过压辊施加一定的压力可控制树脂含量，最后通过冷却环节收卷制成预浸料。熔融浸渍法与溶液浸渍法的区别在于，前者适用于耐溶剂型热塑性树脂，要求热塑性树脂熔融温度低，并且在熔融状态时化学性质稳定，具有较高的表面张力，对纤维束的展纱分散能力要求高。熔融浸渍法制备的预浸料树脂含量控制程度高、成型复合材料的孔隙率低，但长时间高温浸渍对预浸料的力学性能有较大的影响。

熔融浸渍法制备热塑性预浸料的流程图

粉末浸渍法

粉末浸渍法是将热塑性树脂粉碎成微米级，在纤维表面均匀覆盖微米级树脂粉末，经过加热系统使树脂熔融与纤维充分浸润复合成一体，从而制得预浸料。粉末浸渍法分为湿法粉末浸渍法 ( 粉末悬浮法) 和干法粉末浸渍法。

薄膜叠层浸渍法

薄膜叠层浸渍法 ( 或叠层模压法) 是先将树脂挤出做成薄膜，再将薄膜与纤维采用层层铺放堆叠，最后通过热压方式将热塑性树脂熔融充分浸渍纤维职称预浸料。

薄膜叠层浸渍法制备预浸料的流程图

纤维树脂混合浸渍法

纤维树脂混合浸渍法 ( 或纤维混合法) 是先将热塑性树脂制造为纤维形状，再与增强纤维混合制成纤维束或者混合纱、编织物、混合料，因以纱线形式混合，浸渍更加充分，树脂含量得到较好的控制，成型方式多采用缠绕成型，具有成型效率高的特点，多应用在复杂型面的产品上。

热塑性预浸料应用领域

热塑性预浸料常温下具有性质稳定的特点，受贮存寿命的限制极小，使热塑性预浸料在制备复合材料制件的过程中有较宽的工艺窗口，具备进一步降低成本及可回收再利用的批量化应用优势，故在航空航天等对轻量化、低成本均有较高需求的领域得到快速发展。热塑性复合材料不仅具有优良的机械性能，还具有雷达传输与吸波等突出特性，已在不同型号飞机上应用的重要零部件有货舱地板、垂尾、水平尾、起落架舱门、扭矩盒、翼肋、发动机进气罩、设备机架侧板、增压隔框等。

热塑性复合材料不仅力学性能优异而且可回收再利用，是可重复使用航天器的理想材料，在加筋壁板结构、大型运载火箭的壳体结构、航天飞机结构件、太阳能飞机机翼和外壳、飞行器发动机壳体、卫星天线及其支撑结构、适配器等航天结构件上得到大量应用，表现出了优异的减重及高耐温效果，很多热塑性复合材料成果已经转化成热塑性复合材料生产线，为我国航天事业提供材料支撑。

参考来源：

岳伟等，热塑性预浸料的制备技术及研究进展

皮展鹏等，增材制造用碳纤维预浸料制备技术研究进展

李博澜，碳纤维增强聚醚酮酮复合材料的溶液法制备技术及其拉伸性能研究

（中国粉体网编辑整理/留白）

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