1預浸料概述

當前70%的先進復合材料產品都是由預浸料鋪迭后固化而成的。預浸料是指用樹脂基體在嚴格控制的條件下浸漬纖維或織物后通過一定的處理過程所形成的一種儲存備用的半成品，是制造復合材料制品的中間材料。

預浸料按增強體物理形狀可以分為單向預浸料和織物預浸料; 按增強體種類分有碳纖維增強預浸料、玻璃纖維增強預浸料及芳綸纖維增強預浸料等;按基體品種分則有熱塑性預浸料和熱固性預浸料;按固化溫度分可分為低溫( 80℃) 、中溫( 120℃) 、高溫( 180℃) 固化預浸料。

其中，熱塑性預浸料和熱固性預浸料是最常用的分類方式，兩者的性能對比如表 1。

就力學性能來說，單向預浸料沒有緯紗，靠樹脂基體將纖維粘成片狀材料，承載纖維可按受力分析情況設計結構鋪層，因此其紗線的力學性能利用率是最高的。

織物預浸料由于織物在織造過程中經、緯的交織屈曲，不可避免造成纖維損傷，從而降低力學性能。但從易于手工鋪層操作和遇有拐角的復合材料結構來看，織物預浸料又有其獨特的優點; 在某些偏軸織物功用方面，其力學性能也較為穩定。

預浸料增強材料的主要要求:

常用的增強體形式有單向纖維、方格布、斜紋布及多軸向布等。

基體樹脂的主要作用:

樹脂基體賦予了復合材料優良的力學性能、熱性能、耐化學腐蝕性能和易加工性能，增 強纖維則主要決定了復合材料的機械性能。大部分的熱塑性樹脂都可作為連續纖維增強熱塑性聚合物復合材料的基體，從通用的樹脂聚丙烯 （PP）、聚乙烯（PE）到特種工程樹脂聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等都可以選用，常見不同類型樹脂基體的基本性能對比見下表。

不同類型基本性能對比如表2 所示。

一般來說，通過單一的樹脂很難滿足工藝性能要求，通常是采用幾種樹脂組合來實現工藝操作，如采用幾種不同環氧樹脂組合來提高常溫或低溫下樹脂體系的粘度。酚醛型環氧樹脂可提高樹脂體系的反應活性和耐熱性，雙酚 A 型環氧樹脂可調節樹脂體系的粘度。

研究表明，適于預浸料的樹脂體系最好是液體雙酚 A 型環氧樹脂、固體雙酚 A 型環氧樹脂與酚醛環氧樹脂并用。基體材料的選擇要兼顧復合材料本身的性能要求和工藝操作要求。如中溫熱熔環氧樹脂預浸料的基本要求是夏天不粘手，冬天不發脆。這需要調整不同組分配比，使得樹脂體系軟化點滿足夏天為 36 ～ 37℃ ，冬天為 30 ～ 32℃，同時限制環氧樹脂的固化溫度。最佳溫度一般為 120 ～130℃，固化時間不超過 90min。

固化體系包括固化劑、促進劑、催化劑和稀釋劑等。根據預浸料的使用要求，預浸料需要在室溫下具備一定的貯存期，因此固化體系通常使用潛伏性固化劑，即指在常溫常壓下不與樹脂反應，但是在特殊的溫度壓力下，會促進樹脂發生交聯固化反應。這樣，有利于預浸料在常溫下的貯存。該類固化劑通常為分散型固化劑，即常溫下為固態，無法溶解于環氧樹脂中，但加熱到其熔點附近時能與環氧樹脂相混溶，開始快速發生固化反應。促進劑的主要作用是促進固化劑在樹脂基體中的溶解，提高固化反應速率; 增韌劑是為了降低熱固性樹脂基體的脆性，提高其抗沖擊性能; 稀釋劑主要是降低樹脂黏度，提高工藝性能; 催化劑主要是促進樹脂在固化成型階段的反應，但在常溫常壓下，它也處于一種“潛伏”狀態，這對預浸料的實際生產操作是很有利的。

60 年代，隨著高性能碳纖維、芳綸纖維的研制成功，人們開始著手于其預浸料的研究。最初是在玻璃板上將一束一束纖維平行靠攏，隨后設法傾注樹脂基體，就成了預浸料。70 年代，連續高性能纖維的工業化生產，濕法制造預浸料發展到機械化，其設備簡單，操作方便，但存在溶劑揮發，樹脂含量控制精度不高等缺點。而后來研發的干法工藝因為制備過程中不需要溶劑溶解樹脂，所以不存在溶劑揮發的問題，且樹脂含量控制精度較高，因而逐漸替代了濕法工藝。

濕法也稱溶液法，即將樹脂溶于一種低沸點的溶劑中，形成一種具有特定濃度的溶液，然后將纖維束或者織物按規定的速度浸漬樹脂溶液，并用刮刀或計量輥筒控制樹脂含量，再通過烘箱干燥并使低沸點的溶劑揮發，最后收卷。溶液法又分為滾筒纏繞法和連續浸漬法。滾筒纏繞法是指將浸漬樹脂基體后的纖維束或織物纏繞在一個金屬圓筒上，每繞一圈，絲桿橫向進給一圈，這樣纖維束就平行地繞在金屬圓筒上了。

待繞滿一周后，沿滾筒母線切開，即形成一張預浸料。該工藝效率低，產品規格受限，目前僅在教學或者新產品的開發上使用。連續浸漬法則是由幾束至幾十束的纖維平行地同時通過樹脂基體溶液槽浸膠，再經過烘箱使溶劑揮發后收集到卷筒上，其長度不像滾筒法那樣受到金屬圓筒直徑的限制。其工藝過程如圖 1。

濕法制備的預浸料浸膠量與膠槽中膠液濃度、浸膠速度、纖維所受張力等因素有關。

濕法具有設備簡單、操作方便、通用性大等特點。主要缺點是增強纖維與樹脂基體比例難以精確控制，樹脂基體材料的均勻分布不易實現，揮發分的含量控制也較困難。

此外，由于濕法過程中使用的溶劑揮發會造成環境污染，并對人體健康造成一定危害，所以濕法工藝在國外已逐步被淘汰。干法也稱熱熔法，它是先將樹脂在高溫下熔融，然后通過不同的方式浸漬增強纖維制成預浸料。干法按樹脂熔融后的加工狀態可分為一步法和兩步

法。一步法是直接將纖維通過含有熔融樹脂的膠槽浸膠，然后烘干收卷。

兩步法又稱膠膜法，它是先在制膜機上將熔融后的樹脂均勻涂覆在浸膠紙上制成薄膜，然后與纖維或織物疊合經高溫處理。為了保證預浸料樹脂含量的穩定，樹脂膠膜與纖維束通常

以“三明治”結構疊合，如圖 2，最后在高溫下使樹脂熔融嵌入到纖維中形成預浸料，。熱熔法的優點是預浸料樹脂含量控制精度高，揮發分少，對環境、人體危害小，制品表面外觀好，制成的復合材料空隙率低，避免了因空隙帶來應力集中導致復合材料壽命減少的危害，對膠膜的質量控制較方便，可以隨時監測樹脂的凝膠時間、粘性等。缺點是設備復雜，工藝繁瑣，要求熱固性樹脂的熔點較低，且在熔融狀態下粘度較低，無化學反應，對于厚度較大的預浸料，樹脂容易浸透不均。為了得到較好的纖維、樹脂界面，現通常在與樹脂基體復合前對增強纖維進行加熱處理，以提高纖維表面的活性，改善纖維樹脂的界面接合。

工程用高性能熱塑性樹脂，如聚醚醚酮( PEEK) 、聚酰亞胺醚( PEI) 、聚苯硫醚( PPS) 等熔點超過 300℃，熔融粘度一般大于100Pa·s，而且隨溫度的變化很小，因此制備熱塑性樹脂預浸料的關鍵技術是解決熱塑性樹脂對增強纖維的浸漬。國內外對熱塑性樹脂基預浸料的浸漬展開了廣泛的研究。熱塑性預浸料制備常用的方法包括溶液法、熱熔法、粉末法浸漬法、懸浮浸漬法、纖維混雜法、原位聚合法等。部分非結晶型樹脂 PEI、PES 等可溶解在低沸點溶劑中，可用溶液法制備預浸料，但一般需要高溫條件，以增加熱塑性樹脂在溶劑中的溶解度，提高預浸料的樹脂含量。但 PEEK、PPS 一類結晶型高分子，沒有合適的低沸點溶劑可溶，不宜使用溶液法制備預浸料。熱塑性樹脂的熱熔法與熱固性樹脂的熱法相似。

粉末法是制備熱塑性預浸料比較典型的方法。它是指將帶靜電的樹脂粉末沉積到被吹散的纖維上，再經過高溫處理使樹脂熔融嵌入到纖維中。粉末法的特點是能快速連續生產熱塑性預浸料，纖維損傷少，工藝過程歷時少，聚合物不易分解，具有成本低的潛在優勢。這種方法的不足之處在于適于這種技術的樹脂粉末直徑在 5 ～ 10μm 為宜，而制備直徑在 10μm 以下的樹脂顆粒難度較大，且浸潤所需的時間、溫度、壓力均依賴與粉末直徑的小及其分布狀況。

浮預浸法主要過程是纖維通過事先配制好的懸浮液，使樹脂粒子均勻分布在纖維上，然后加熱烘干懸浮劑，同時使樹脂熔融浸漬纖維得到預浸料。懸浮劑多為含有增稠劑聚環氧乙烷、

甲基乙基纖維素的水溶液。樹脂粉末應盡可能的細小，直徑最好在 10μm 以下并小于纖維直徑，以便均勻分布并使纖維浸透。這種方法生產的片材纖維分布均勻，成型加工時預浸料流動性好，適合制作復雜幾何形狀和薄壁結構的制品。但與熔融法一樣，該法存在技術難度高和設備投資大的缺點。纖維混雜法是先將熱塑性樹脂紡成纖維或纖維膜帶，再根據含膠的多少將增強纖維與樹脂纖維按一定比例緊密地并合成混合紗，然后將混合紗織制成一定的產品形狀，最后通過高溫作用使樹脂熔融，嵌入纖維中。

纖維混雜法的優點是樹脂含量易于控制，纖維能得到充分浸潤，可以直接纏繞成型得到復雜外形的制件。缺點是在樹脂浸潤過程中，樹脂難以實現均勻浸潤。此外，制取直徑極細( ＜ 10μm) 的熱塑性樹脂纖維非常困難，同時織造過程中易造成纖維損傷，因而限制了這一技術的應用。纖維混雜法的獨特之處在于樹脂浸潤過程與預浸料固化過程同時進行，樹脂的浸潤與纖維混合截面及工藝參數如溫度、壓力、時間等有很大關系

（未完待續）

此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯，部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。