14+热塑性聚合物的增强改性

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1、14 热塑性聚合物的增强改性 14.1 增强材料的种类与特性14.2 短纤维增强热塑性聚合物复合材料14.3 连续纤维增强热塑性聚合物复合材料 14.4 纤维增强热塑性聚合物复合材料的界面控制与设计 14.1 增强材料的种类与特性 14.1.1 玻璃纤维 14.1.2 碳纤维 14.1.3 其他增强材料 14.1.1 玻璃纤维 一.玻璃纤维的种类、结构与制备二.玻璃纤维的性能特点三.玻璃纤维的表面处理 一.玻璃纤维的种类、结构与制备 1.玻璃纤维的分类与化学组成 2.玻璃纤维的结构 3.玻璃纤维的制备 4.玻璃纤维的规格 1.玻璃纤维的分类与化学组成 （1）玻璃纤维的分类（2）玻璃纤维的化学组

2、成 （1）玻璃纤维的分类 A.按含碱量分类所谓含碱量，通常是把玻璃中的Na2O,K2O的含 量叫做含碱量。 无碱玻璃纤维-含碱量在1%以下 。 低碱玻璃纤维-含碱量在2%- 6%.有碱玻璃纤维-含碱量大于10% 。 （1）玻璃纤维的分类 B.性能分类 高强玻璃纤维又叫S玻璃纤维。 高模量玻璃纤维又叫M玻璃纤维。 耐碱玻璃纤维 耐酸玻璃纤维又叫C玻璃纤维。 耐高温玻璃纤维。 普通玻璃纤维又分为有碱A玻璃纤 维和无碱E玻璃纤维 7（1）玻璃纤维的分类 C.按制造方法分连续纤维定长纤维 （2）玻璃纤维的化学组成 玻璃纤维的化学组成主要是二氧化硅和氧化硼.以二氧化硅为主的称为硅酸盐玻璃，以氧化硼为主的

3、称为硼酸盐玻璃。在玻璃体中加入氧化钠、氧化钾等碱性氧化物能降低玻璃的熔化温度和粘度，故称为助熔氧化物。2.玻璃纤维的结构 （1）玻璃的物态-无定型非晶态固体 玻璃没有固定的熔点，随温度升高，逐 渐由固态变为液态，玻璃变为液态是在一个 比较宽的软化温度范围内进行；玻璃是各向同性的均质材料，晶体却不 同，多数晶体是各向异性的。 （2）玻璃纤维的结构-玻璃纤维的内部 结构仍与玻璃相同3.玻璃纤维的制备 生产玻璃纤维应用最广 的方法有池窑拉丝和坩埚拉 丝两种。池窑拉丝的优点是 省掉了制球工序。图14-1 坩埚法拉丝示意图 4.玻璃纤维的规格 纤维支数表示法 重量法-重量法是用1克原丝的长度来表示 。

4、例如：80支纱表示1克重的原丝长80米。 定长法-定长法是目前国际统一使用的方 法，通称“TEX”（公制号数）.它是指1000 米长原丝的重量克数。例如4TEX就是指 1000米原丝重4克。 合股纱的支数-合股纱的支数是指每克合 股纱的长度米数，等于原丝的支数除以合股 数。 二.玻璃纤维的性能特点 1.玻璃纤维的力学性能 2.玻璃纤维的热性能 3.玻璃纤维的耐腐蚀性能 4.玻璃纤维的介电性能 三.玻璃纤维的表面处理 1.单丝处理，单丝处理剂亦称浸润剂2.纤维和织物的表面处理 1.单丝处理浸润剂 （1）浸润剂的作用使多根单丝集中成股；增加原纱的耐磨性和提高拉伸强度；保护纤维免受大气和水分的侵蚀作

5、用。（2）浸润剂的种类 纺织型浸润剂;增强型浸润剂.2、玻璃纤维和织物的表面处理 后处理法 前处理法 迁移法 14.1.2 碳纤维 一. 碳纤维的分类 二. 碳纤维的性能 三. 碳纤维的表面处理 一. 碳纤维的分类 根据原丝类型分类（1）聚丙烯腈基碳纤维；（2）粘胶基碳纤维；（3）沥青基碳纤维；（4）其他有机纤维基碳纤维。 二. 碳纤维的性能 1.力学性能 2.碳纤维的物理性能 3.化学性能 1.力学性能 碳纤维的理论强度远远高于 玻璃纤维,是典型的脆性材料。一般高模量碳纤维的最大延伸率是 0.35%，高强度碳纤维为1%；碳 纤维的弹性回复为100%，说明碳纤维的刚性极大，韧性较差。 2.碳纤

6、维的物理性能 碳纤维的密度在1.52.0g/cm3之间，低于玻璃纤维，所以碳纤维的比强度，比模量较高。 碳纤维的导电性较好 3.化学性能 对一般酸碱是惰性的。在空气中 ，温度高于400时，则出现明显 的氧化，生成CO和CO2。在不接 触空气或氧化气氛时，碳纤维具 有突出的耐热性. 它还有耐油、抗放射、抗辐射、 吸收有毒气体和减速中子等特性 。 三. 碳纤维的表面处理 1.表面清洁法 2.气相氧化法 3.液相氧化法 4. 电解氧化法 5. 表面涂层法 14.1.3其他增强材料 一.硼纤维 二.碳化硅纤维 三.金属纤维 四. 晶须 14.2短纤维增强热塑性聚合物 复合材料 14.2.1短纤维增强聚

7、合物基复合材料的增强 机理 14.2.2短纤维增强聚合物基复合材料的制备工艺 14.2.3 短纤维增强聚合物基复合材料的强度预测 14.2.1短纤维增强聚合物基复合 材料的增强机理 应力传递理论 剪切滞后理论 图14-2单根纤维埋入基体模型受力前后变形示意图 (a)受力前 b)受力后图14-3 平行于外载荷的伸直不连续纤维微元体的平衡 根据纤维微元体应力平衡条件 (14-3)或 (14-4)式中 为纤维的轴向应力； 是基体一纤 维界面的应力； 是纤维半径对一根粗细均匀的纤维来说 ，式（14-3）-（14-4)表示纤维上应力 沿z方向上的增长率与界面上的剪应力 成正比可以通过积分来求得纤维末 端

8、距离为z处纤维上的应力，即（14-5）式中， 为纤维末端的正应力。若己 知剪应力沿纤维长度的分布规律，则 可求得 。 图14-4 理想塑性基体的剪应力一应变曲线 假设在纤维的末端上正应力为零；纤维周围的基体是理想塑性材料 在这种情况下，界面剪应力沿界面长 度为一常数，其值等于基体的剪切屈服应 力。于是，式（14-5）变为：（14-6）对于短纤维，最大应力发生在纤维长度的中点处，即 处，于是有： (14-7)能够达到连续纤维应力时的最 短纤维长度定义为载荷传递长度Lt ，由式 (14-7)得： （14-10）达到最大纤维应力(即纤维的强度极限 )的最小长度称为临界长度Lc 临界长度Lc为 ： 称

9、为临界长径比,即 14.2.2短纤维增强聚合物基复合 材料的制备工艺 填充型增强 包复型增强 双螺杆剪切混炼法 图14-5 短纤维增强热塑性复合材料的包复型增强法图14-6 双螺杆剪切混炼法制备短纤维增强聚合物复合材料工艺流程 双螺杆剪切混炼法的螺杆元件 的型式与组合 一.双螺杆元件的特性与功能 二.增强型双螺杆挤出机的螺杆组合特点 一.双螺杆元件的特性与功能 1不同螺纹元件的特性2捏合元件与特性 (a) (b) 图14-7双螺杆元件螺纹块，捏合块，齿型盘示意图 1不同螺纹元件的特性 (1)螺纹头数对挤出量、混合特性及螺杆扭矩的影响 (2)螺槽深度与挤出量、扭矩、混合特性的关系 (3)导程变化

10、与特性 (1)螺纹头数 螺纹头数对挤出量的影响 螺纹头数对混合特性的影响 螺纹头数对螺杆扭矩的影响(a)单头螺纹 (b)双头螺纹 (c)三头螺纹 图14-8 不同螺纹头数的螺杆截面示意图图14-9 螺纹头数对流量的影响 图14-10 螺纹头数对扭矩特性的影响 图14-11螺纹头数对混合特性的影响 图14-12 反螺纹头数对流量的影响 图14-13 反螺纹头数对混合特性的影响 图14-14反螺纹头数对扭矩特性的影响 (2)螺槽深度与挤出量、扭矩、 混合特性的关系 为便于分析，引入量纲1槽深的 概念定义如下：k=hoRs 式中 k量纲1槽深；h0最大螺槽深度；Rs螺杆外径。图14-15 不同槽深的

11、螺杆截面示意图 图14-16螺杆槽深对流量的影响 图14-17 k对混合特性的影响 图14-18 k对扭矩特性的影响 (3)导程变化与特性 一般地讲，螺纹导程增加，螺杆的挤出量增加，物料的停留时间减少，对物料的混合效果相对有所降低，扭矩亦有所减小。2捏合元件与特性 捏合元件的主要作用是提供强剪切力，物料通过捏合元件的剪切作用实现高度分散。物料通过捏合区时，其界面与剪切方向不同，由于剪切力作用，使物料不断更新界面，使颗粒细化与均化。(1)捏合块厚度与捏合效果 捏合块厚度不同所产生的捏合作用亦不相同，厚度大的捏合块能给物料施加很大的剪切力，其剪切作用十分明显，厚度小的捏合块则能提供较好的混合作用，

12、但剪切力相对较小。(2)捏合块不同差位组合 正向差位角越大，熔融效果越好 。 正向30、正向45、正向60捏合块对聚合物熔融效果较差。 正向90的捏合块的混合效果优于 反向30捏合块，接近反向60捏合块的混合效果 图14-19 熔融段螺杆的组合对共混物相态的影响 二.增强型双螺杆挤出机的螺杆 组合特点 1双螺杆挤出机组合的一般原则 2双螺杆不同区段的构型特征与要求 3热塑性聚合物的纤维增强型螺杆组合 1.双螺杆挤出机组合的一般原则 (1)首先应正确分析所要混合的物料的形态，性能与配比。 (2)必须了解螺杆元件及螺杆各区功能，工作原理及螺杆构型。 (3)确定加料方式与位置。 (4)选择适当几何参

13、数的螺纹、捏合元件。 (5)根据体系混合程度要求,选择螺杆组合。2双螺杆不同区段的构型特征与 要求 (1)固体输送区 (2)熔融区 (3)混合区 (4)排气区 (5)熔体输送区 (1)固体输送区 图14-20 固体输送段的螺杆构 型 （2)熔融区 图14-21用于熔融的局部螺杆构型 (3)混合区 图14-23 用于分布混合和分散混合的 由捏合块和螺纹元件组成的螺杆构型 图14-22由二头和三头捏合块组成的增加混合强 度的螺杆构型(4)排气区 图14-24 排气区螺杆构型 (5)熔体输送区 主要功能是输送与增压，通过螺纹块导程渐变或螺槽渐变的办法来实现增压。3热塑性聚合物的纤维增强型 螺杆组合

14、纤维的加入部位 纤维加入口处的螺杆构型 纤维加入口下游的螺杆构型 排气段 图14-25 用于玻璃纤维增强PA66制备的螺杆构型 14.2.3 短纤维增强聚合物基复 合材料的强度预测 其中，为短纤维的取向系数； 是与短纤维 长度、长度分布及纤维与基体间界面作用力有 关的函数如果短纤锥在复合材料中单向取向 ，则 =1, 1。如果纤维长度一致，均为L ，则:14.3连续纤维增强热塑性聚合物复 合材料 14.3.1连续纤维增强热塑性复合材料的制备成型技术及其应用前景 14.3.2 GMT片材及其在汽车工业中的应用 14.3.1连续纤维增强热塑性复合材 料的制备成型技术及其应用前景 一.CFRTP的材料

15、组成 二.CFRTP的制备技术 三.CFRTP的成型方法 四.应用现状与展望 一.CFRTP的材料组成 1.热塑性树脂基体 -从通用树脂PP、PE、PVC到特种树脂PPS、PEEK等均可选用 2.增强纤维 -玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维是制造CFRTP的主要纤维品种 二.CFRTP的制备技术 1.溶液浸渍制备技术 2.熔体浸渍制备技术 3.粉末浸渍制备技术 4.悬浮浸渍制备技术 5.混编制备技术 6.反应浸渍制备技术三.CFRTP的成型方法 1.冲压成型 2.辊压成型 3.拉挤成型 4.真空模压成型 四.应用现状与展望 1.汽车工业 2.机械工业 3.电子电气工业 4.化学工业 5.建筑工业 14.3.2 GMT片材及其在汽车工业 中的应用 一. GMT片材的性能特点 二. GMT片材及其制品的制造工艺 三.GMT制品的成型工艺 四.GMT在汽车工业中的应用现状 五.展望 14.4纤维增强热塑性聚合物复合材料 的界面控制与设计 一.提高复合体系的浸渍程度 二.设计适度的界面粘结 三.