从备受青睐的知名汽车宝马i3到翱翔天际的空客A,从日夜旋转不断产生清洁能源的风力发电机到日常使用的家用电器、文体用品,纤维增强热塑性塑料的身影随处可见却又常常被普通大众所忽略。但不可否认的是,它在我们的日常生活、工业生产以及各种高端技术领域扮演着越来越重要的角色,因此其发展前景也随着技术的进步越来越被看好。

与纤维增强热固性塑料相比,纤维增强热塑性塑料具有以下优点:

韧性更优

加工过程中不发生化学反应,成型周期短

预浸材料无存放条件限制,使用方便

使用温度广,吸水率低

简化部件的成型工艺环节,制造成本低

废料回收再利用,减排环保

市场数据

年,国内热塑性复合材料总产量为.4万吨,占国内纤维增强塑料制品行业总产量的38.6%。年,我国纤维增强热塑性产品产量为.5万吨,同比增长11.39%,占国内纤维增强塑料制品行业总产量的42.5%。年,我国纤维增强热塑性产品的产量仍有望保持两位数的增长。而当下在日本、欧美等发达国家和地区纤维增强热塑性塑料总量已超过纤维增强热固性塑料。

据美国MarketsandMarkets公司发布的《热塑性复合材料市场》报告表示,到年,热塑性复合材料制品市场将扩大到99亿美元,从年到年,其复合材料年均增长率将达到6.5%。预计从到,热塑性复合材料在亚洲消费品市场份额将达到1.5亿美元并且将会以4.3%的复合年增长率增长。

由此可见,纤维增强热塑性塑料已经成为了复合材料行业中一颗冉冉升起的“明日之星”。

什么是纤维增强热塑性塑料?

热塑性塑料是一类应用最广的塑料,以热塑性树脂主要成分,并添加各种助剂而配制成塑料。热塑性塑料中树脂分子链都是线型或带支链的结构,分子链之间无化学键产生,在一定的温度条件下,能够软化或熔融成任意形状,冷却后形状不变;这种状态可多次反复而始终具有可塑性,且这种反复只是一种物理变化。

常见的热塑性塑料有以下几种:

聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、丙烯酸类塑料、聚砜、聚苯醚、氯化聚醚。

通过对塑料改性和在塑料中加纤维状物质进行增强,可以大大提高普通塑料如下几方面的性能:

1.提高机械强度,如拉伸、弯曲、压缩、弹性模量及耐蠕变等性能;

2.提高热变形温度; 

3.降低线膨胀系数;

4.降低吸水性,增加尺寸稳定性;

5.提高硬度;

6.抑制应力开裂。

各种热塑性塑料增强效果不一,其中最为显著而且应用广泛的首推聚酰胺,而聚氯乙烯、聚碳酸酯、ABS、聚乙烯、聚丙烯等增强效果也很好。

增强纤维材料

热塑性塑料增强纤维材料必须具备强度高、伸长率小、刚性好、蠕变小、耐热性优良等特性,主要有:玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等。

其中以玻璃纤维应用最广,用量最多,因为玻璃纤维不但符合上述特性,而且适用于工业化生产价格便宜,来源广泛,是纤维增强热塑性塑料(FRTP)最重要的原材料。在热塑性塑料中加入玻璃纤维进行增强,其机械强度可提高1~2倍,耐疲劳性能提高1~2倍,抗蠕变性能提高1~4倍,热变形温度提高10~20℃,使脆性工程材料抗冲击性能提高1~3倍,线膨胀可降低到原来的~。

纤维增强热塑性塑料的种类

以增强纤维的形式区分,热塑性复合材料经历了以下主要阶段:短纤维增强热塑性复合材料、长纤维增强热塑性复合材料、连续纤维增强热塑性复合材料。

短纤维增强热塑性塑料(SFT)

一般是指增强纤维长度小于1mm,一般长度为0.2~0.7mm的一类增强热塑性塑料。

短纤维增强热塑性塑料一般做成粒料,粒料中纤维长度约2~4mm。这是最早实现工业化生产的FRTP粒料:年,美国首先采用短切玻璃纤维增强聚丙烯,拉开了热塑性复合材料的序幕;60年代中期,随着螺杆式注塑机的广泛应用,热塑性基复合材料得以大规模生产和使用。

短纤维增强的热塑性复合材料的强度、刚度和尺寸稳定性的均优于未增强的聚合物基体材料。在过去的近半个世纪中,短纤维增强热塑性复合材料一直统治着纤维增强热塑性复合材料的市场,广泛用于汽车工业、机械工业、电子/电器、船舶、航空航天等领域。

长纤维增强热塑性塑料(LFT或LFRT)

为克服短纤维增强热塑性塑料中的纤维长度缺陷,弥补其力学性能的不足而研发的更新材料。

长纤维增强热塑性塑料一般以聚丙烯、聚酰胺(尼龙)、PET、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮等热塑性塑料作为基体材料;以玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维作为增强材料。用连续纤维无捻粗纱与热塑性塑料通过挤出、造粒或制片方法制成半成品,再经注射或模压成型为制品。

成型时,增强纤维被均匀地分散于热塑性基体树脂中,热塑性树脂能够完全浸渍增强纤维;增强纤维的长度一般为10~50mm,纤维含量通常为30~50%。按成型工艺过程来分,LFT分为两类:一类是LFT粒料,制造方法有拉挤法、改进的线材包皮法等,纤维含量可为20%~60%,最常用的为40%和50%。一类是直接成型LFT(D-LFT或LFT-D),纤维和塑料在生产线上复合挤出后直接注塑、压塑或挤塑,得到最终制品,省去了半成品的加工、储存、运输等操作,具有很大的发展潜力。

LFT的发展主要由汽车工业所推动,另外在消费品和工业品市场也将会有良好的发展潜力。据全球工业分析师公司发布的一份报告分析,年全球LFT的用量达到31.34万吨。

玻璃纤维毡增强热塑性热塑片材(GMT)

以热塑性树脂为基体,以玻璃纤维毡为增强骨架的板片状结构材料。

塑料主要使用聚丙烯,也可使用PET、PBT或聚碳酸酯。GMT采用高速压机或冲压机成型为制品。GMT材料具有韧度好、强度高、密度小、优良的耐腐蚀性和耐热性、成型性好、保存期长和废料可再生利用等优点,是低能耗、无环境污染的绿色环保材料。

GMT材料以其优于热固性材料的性能和良好的性能价格比在汽车工业中广泛应用,同时也具有减轻质量、降噪的效能,可用于制造保险杠横梁、仪表板骨架、发动机罩盖、防石击罩、座椅骨架、电瓶托架、车厢底板、轮罩、行李架和车顶棚等多种车用零部件。

连续纤维增强热塑性塑料(CFRT)

CFRT的产品形式有纤维预浸带、织物预浸料、复合纱、拉挤产品等

连续纤维增强热塑性塑料有接近30年的历史,是纯塑料、SFT和LFT的延伸和发展,可提供比它们更好的结构性能,在抗冲击性、耐腐蚀性、成型周期时间、成本和可持续性等方面都明显优于热固性复合材料。

玻璃纤维和碳纤维是制作连续纤维增强热塑性塑料的主要增强材料,树脂主要采用聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等。

全球市场研究和咨询公司Lucintel发布的市场报告显示:年至年,全球连续纤维增强热塑性塑料市场预计将以6.9%的复合年增长率增长。

航天工业的发展是推动连续纤维增强热塑性塑料发展的巨大动力。由于连续纤维增强热塑性塑料具有较高的韧性和损伤容限,以及优异的高温使用性能,使得该材料一问世引起航空工业的极大

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