碳纤维预浸料

herahera 2020-01-04

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一、碳纤维产业链及预浸料的作用

碳纤维的加工工艺目前有多种，但目前占主流的就是先把碳纤维丝制成预浸料，再进行下一步加工。

图2、预浸生产及后道产品

从图2可以看出，预浸料的生产在碳纤维加工中起到承上启下的作用，为产品的增值起到非常大的作用。

碳纤维预浸料就是用碳纤维纱、树脂、离型纸等材料，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料，顾名思义就是在碳纤维表面预先涂覆一层树脂材料，然后便于后面的模塑成型，得到制品。

二、预浸料分类

按物理状态-----单向预浸料（UD）、织物预浸料（平纹织物、锻纹织物、斜纹织物）（以3K为主）;

按增强材料-----碳纤维、玻璃纤维、芳纶、PBO纤维、玄武岩纤维等预浸料;

按纤维长度-----短纤维( 4176mm 以下) 、长纤维( 1217mm和连续纤维预浸料;

按树脂基体---- 预浸料分成热固性树脂预浸料(PP、PEEK、尼龙等)和热塑性树脂预浸料（环氧、不饱和树脂、双马来酰亚胺树脂等）;

按固化温度-----中温固化( 120 ℃) 、高温固化( 180 ℃) 和固化温度超过200 ℃ 的预浸料。

目前碳纤维预浸料主要使用环氧树脂基的热固性材料。

三、预浸料生产工艺

热固性树脂预浸料的生产目前主要采用：溶液浸渍法和热熔法。

1) 溶液浸溃法：

溶液浸渍法是把树脂基体各组分按规定的比例,溶解于低沸点溶剂中,使之成为一定浓度的溶液,然后将纤维束或织物以规定的速度通过树脂基体溶液,使其浸上定量的树脂基体。溶液浸渍法的优点是增强材料容易被树脂基体浸透，可以制造薄型预浸料, 也可制造厚型预浸料，并且设备造价相对较低。缺点是需要干燥炉除去溶剂或进行溶剂回收。处理不当会引起燃烧或引起环境污染。预浸料往往残留一定量的溶剂,成型时易形成空隙,影响复合材料性能。该方法在发达工业国家已逐步被热熔法取代。

2) 热熔法：

热熔法是溶液浸渍法的基础上发展起来,以免去溶液浸渍法因溶剂带来的诸多不便。专业化预浸料公司大都采用热熔法制备预浸料,特别是主承力结构用的预浸料。热熔法因其工艺步骤不同,又可分为直接热熔法（也称一步法）和膜胶压延法（也称两步法）。前者是将树脂基体置于胶槽中,加热到一定温度、使树脂熔融,然后将纤维束依次通过展开机构、胶槽、多组挤胶辊、重排机构最后收卷。

该工艺要求树脂基体有良好流动性,在不高的温度下呈流动态,以利浸润纤维。膜胶压延法是目前广泛采用的方法,是生产预浸料的第一选择。该法一般包括制膜和预浸两个步骤。制膜是先将树脂基体置于混合器中充分混合,待加热到最佳涂膜温度后,用电机驱动的计量泵或通过压力将树脂基体输送到涂胶辊,调节涂胶辊的间距和离型纸的运行线速度,可以制得不同厚度的胶膜。通过无损检测仪控制胶膜的厚度或胶膜的面密度,利用冷却板降低胶膜的温度,尽量减少其固化程度,随后收卷、包装,存放于冷库待用。预浸过程包括从纱架引出纤维,调节张力后,通过蓖子集束、展平到规定的宽度、从上、下胶膜辊引出预先制好的胶膜,与纤维形成夹芯结构,依次通过多组热压辊,使树脂基体熔融,纤维嵌入树脂基体中。经过冷却段、降低预浸料温度和覆盖聚乙烯薄膜后,切边、收卷,制得预浸料。热熔浸渍法的优点是工艺过程线速度大、效率高树脂含量容易控制，没有溶剂,预浸料挥发分含量低,工艺安全不需要干燥炉、减少了环境污染。制膜和浸渍过程可以分步进行，减少了材料特别是昂贵增强材料的损失，且这种工艺预浸料的外观质量优于其它方法。

图3、预浸料生产线的简单示意图

四、预浸料的特点

优点：

1) 在严格控制条件下浸渍增强材料，树脂含量精确控制，产品严格保证。
2) 可设计性，可根据产品强度和刚度要求进行设计，充分发挥碳纤的性能。
3)碳纤和树脂的组合，直接使用，免配胶、刷胶，劳动强度减小，工作条件改善。
4)性能稳定，可以保证产品能重复生产，质量稳定。
5)干式材料，没有环境污染。

使用预浸料生产的复合材料相比于其他材料来说，能改善强度，硬度，耐蚀性，疲劳寿命，耐磨耗性，耐冲击性，轻量化等多种特性。

缺点：

生产、储存和加工的费用，通常对预浸料的批评是其生产的难度。铺层法因在层间常需压实使得操作缓慢，这阻碍了大规模批量生产。预浸料也不大适合复杂的小半径的3D 几何形状。在这方面预浸料跟SMC和BMC形成了对照，SMC和BMC因其易于制造而受到汽车工业的青睐。但SMC和BMC因其纤维短及纤维含量低而缺乏预浸料具有的高方向性机械强度。所以目前汽车利用ATM成型发展较快。

五、预浸料产品规格