碳纤维热塑预浸料制备工艺
1热塑性预浸带制备方法
国内外研究机构开发了多种热塑性预浸料制备工艺，目前主流的制备工艺按树脂基体形态分为预浸渍法和后浸渍法两大类。预浸渍法是指基体以溶液或黏流态的形式充分浸润增强纤维，经冷却定型后得到预浸带，可分为溶液浸渍法、熔融浸渍法及反应链增长浸渍法；后浸渍法的树脂基体形态多样，多以粉末、薄膜或者纤维为主，将树脂与增强纤维混合后经高温熔融浸渍得到预浸料，制备工艺可分为纤维混杂法、粉末浸渍法和薄膜叠层法。
溶液浸渍法
溶液浸渍法是将树脂完全溶解于一种或几种溶剂配成的混合溶剂中制得低黏度的胶液，将纤维用胶液充分浸渍后再加热将有机溶剂除去，即可得到性能优良的预浸料，该方法克服了熔体黏度过高浸润不充分的困难，树脂胶液和纤维可获得良好的浸润性，同时具有设备简单、工艺流程简便的优点。该种方法对溶剂的选择要求较高，溶剂的沸点应高于浸渍温度(浸渍过程中溶剂不易挥发)；浸渍过程结束后，在低于聚合物分解温度下，溶剂应可尽快全部去除。热塑性树脂的耐溶剂性使溶液浸渍有一定的局限性，该工艺对于结晶性的热塑性树脂基体溶解性较差，溶剂的挥发和回收成本非常大，主要应用于高黏度树脂对纤维束的浸渍。溶剂脱除不彻底会对预浸带力学性能造成不良影响，并且溶剂脱除过程中产生气孔和孔隙会影响纤维与基体的界面黏结性能从而降低材料强度。溶液浸渍虽然解决了树脂黏度大的问题，但制得的预浸料孔隙率较高，耐溶剂性和力学性能较差。
熔融浸渍法
熔融浸渍装置一般包括纱架、分丝系统、浸渍系统、牵引系统和收卷架，原理为将连续纤维放在纱架后，经过辊轮的调节使其受力均匀地进入分丝系统，在分丝系统中纤维经过展开辊充分展开和预热后进入浸渍系统中，在高温高压作用下熔融树脂浸润纤维，最后冷却牵引收卷得到预浸料。相较溶液浸渍工艺，熔融浸渍更适用于耐溶剂类树脂，预浸料挥发少，避免了溶剂挥发造成的孔隙率高的内部缺陷，适用于结晶性树脂预浸带的制备。该方法具有设备简单、制备周期短、环境污染少、可连续化生产等优点。熔融浸渍的关键在于解决纤维束的分散性问题以使其在高黏度的熔体下能得到充分、均匀的浸渍。熔融浸渍法要求树脂熔融温度较低，在熔融状态下化学稳定性好，具有较高的表面张力。对于较难分散的纤维束，浸渍效果受纤维分散程度影响很大，若模具结构设计不够理想且树脂黏度较高，则难以形成良好的浸渍效果。熔融浸渍制备的预浸料含胶量稳定，但浸渍效果对树脂黏度和纤维的分散程度要求很高，对熔融黏度大的树脂浸渍效果欠佳，纤维束内孔隙率高，长时间高温浸渍可能会导致制品力学性能下降。
粉末浸渍法
粉末浸渍工艺将纤维浸胶和熔融浸渍过程分离，首先将树脂基体制成微米级的小颗粒，然后将聚合物粉末均匀包覆在增强纤维的表面，再经过加热过程使两者融合从而实现浸渍。粉末浸渍法可分为湿法粉末浸渍法(粉末悬浮法)和干法粉末浸渍法。
(1)湿法粉末浸渍法：粉末悬浮装置一般包括纱架、浸胶系统、加热系统、牵引系统、定型收卷架等。其原理为将树脂粒子悬浮分散于液体介质的在浸胶系统中，纤维经辊轮定向，在牵引系统的作用下通过浸胶系统使树脂粉末附着在纤维表面，树脂在浸胶导辊的压力下进入纤维束内部，纤维经过基体悬浮液充分浸渍后，进入加热炉中熔融、烘干最后加热定型完成即可制成预浸料。该工艺生产时间短、适用范围广，但是浸渍后的干燥处理较为繁琐。
(2)干法粉末浸渍法：浸胶方式为通过粉末流化或者静电吸附的方式，将展开的纤维通过充满粉末的区域使纤维束被树脂粉末包裹，然后加热使粉末熔融从而得到预浸料，树脂粉末的吸附量与粉末粒径、静电电压和气流压力、吸附时间、展丝程度等因素有关。粉末浸渍法不依赖熔体的黏度，粉末可以渗入纤维束中，减少树脂热熔后的流动距离，浸渍效果好，具有对纤维损伤小且生产效率高、工艺控制简便、稳定性高等优点。
目前，高性能热塑性复合材料基体多采用PEEK、PPS(聚苯硫醚)和PEI等高性能树脂，而这些树脂熔融黏度很高，直接使用熔融浸渍非常困难，而使用粉末浸渍就可避免此类问题。
纤维树脂混合浸渍法
纤维混杂法是先将热塑性树脂加工成微细纤维，然后将树脂纤维和增强纤维混合，利用纤维柔软性和悬垂性良好的特征，可以将纤维混编成二维或三维织物。该法的特别之处是混合纤维可取代增强纤维浸渍树脂的过程，将纤维树脂混合后加热熔融，即可将树脂浸润于纤维束间，直接进入复合材料的成型工艺环节。
纤维混杂法又可细分为核纺纱、混纤纱、包覆纱及加捻纱等几种常见形式。这种技术由美国NASA首先发明，目的是为了制备碳纤维和多种树脂纤维的混杂纤维束。这种工艺方法的优点是可塑性良好，可用于成型外形较复杂的制品和大型精密制品的生产。但是这种工艺需要预先对树脂进行纺丝，而直径较细(< 10 μm)的热塑性树脂纤维制备难度较大。相较其他浸渍工艺，纤维混合浸渍工艺流程复杂，生产成本高，使得这一技术的运用受到了较大限制。混合纤维织造过程中会对纤维产生损伤，导致复合材料力学性能下降。浸渍效果较粉末浸渍法差，较其他浸渍方法好。
薄膜叠层浸渍法
薄膜叠层工艺是将挤出或者吹塑制得的热塑性树脂薄膜与纤维通过层层交替铺放制得预混料，经过加热加压将聚合物熔体充分浸渍纤维的方法。
薄膜叠层预浸料的生产过程包括3个阶段：(1)加热压机以降低基体黏度；(2)增加压力迫使热塑性基体材料浸渍织物；(3)冷却压机以固化层合板。该法操作简单，生产效率较高，不受树脂溶解特性的影响，可以较为便捷地生产出高质量复合材料。但该工艺的成型条件较为严格，成型时间长、温度高、压力大，且仅能用于模压制品的加工，对板材尺寸的限制也较大。薄膜叠层工艺制备复合材料的尺寸稳定性佳，热压过程中可能会出现中间层与两侧所受温度不均一，浸渍不均匀等问题，影响最终的材料性能。
反应链增长浸渍法
反应浸渍是将单体或低聚物与引发剂和纤维混合后通过聚合反应快速生成聚合物，并包覆在纤维束表面，除去剩余单体和引发剂即可获得预浸料。
反应浸渍的特点是单体或低聚物黏度低，反应时间短，制备工艺简单，克服了熔融树脂黏度高浸渍不充分的缺点。纤维浸渍并引发聚合反应后，聚合物分子量迅速增大，使基体具备足够的韧性。该工艺常用于聚酰胺、聚氨酯等热塑性树脂，只能用在树脂传递模塑(RTM)、反应注塑(RIM)等特定工艺中。由于使用的引发剂不易完全清除，而残留的溶剂会造成制品的力学性能和耐溶剂性下降，并且聚合反应的工艺条件比较苛刻、不能连续化生产等因素，使得该工艺在实际生产应用中受到限制。反应链增长浸渍对树脂类型要求较高，反应过程不易控制，可能会造成纤维在树脂中的分散不均匀，产品质量稳定性欠佳。
2热塑&热固性复合材料对比
3预浸工艺参数对浸渍程度的影响
浸渍温度
热塑性树脂黏度较高且受加热温度影响较大，加热温度的升高会使高分子链段缠结程度降低，从而提高基体的流动性。熔体良好的流动性可以在提高纤维的分散性的同时降低了树脂的流动阻力，提高预浸带的浸渍效果。因此升高模具温度可以减少预浸带的孔隙率，提高树脂与增强纤维之间的界面结合力。但长时间高温条件可能会导致树脂的热降解，造成预浸带力学性能下降等问题。
浸渍压力
熔体压力大小的控制也对预浸料性能有很大影响，一定的压力在保证预浸料孔隙率符合要求的同时，也有利于制品获得光滑平整的表面。压力过低时基体含量增多，基体承担的载荷也随之增大，由于基体本身的强度比纤维低，会导致预浸料整体强度下降；压力的升高使树脂更易进入纤维缝隙中，对纤维的浸渍效果更好，但过高的压力会使树脂被挤出，纤维之间连接变差，也会对预浸带的性能产生不良影响。
牵引速率
在熔融浸渍过程中，热塑性树脂的高黏度会导致熔体浸渍速率较为缓慢，需要足够的渗透浸渍时间。但是工业生产追求效益的最大化，过长的浸渍时间会导致预浸料产量的下降，而牵引速率过快会造成纤维的分散性、树脂与纤维界面浸润程度和预浸料表面的平整度降低，还会使断丝数量增多，导致制品力学性能下降。在保证产品质量和提高预浸料制备效率的前提下，产量与浸渍效果间的平衡非常重要。
