連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料拉擠成型

及其在光伏輕量化結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

華東理工大學(xué)化工學(xué)院

周曉東

2023年7月6日

主 要 內(nèi) 容

1 技術(shù)背景

2 連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱熱塑性復(fù)合材料的拉擠成型

3 連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料拉擠成型制品在

光伏輕量化結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1 技術(shù)背景

1.1 拉擠成型的過(guò)程

熱固性復(fù)合材料拉擠成型工藝是將浸漬了樹(shù)脂膠液

的連續(xù)纖維或織物，通過(guò)成型模具，在模腔內(nèi)加熱固化成

型，在牽引機(jī)拉力作用下，連續(xù)拉拔出型材過(guò)程。

1.2 拉擠成型主要原材料

? 樹(shù)脂基體

熱固性聚合物：不飽和聚酯樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)

脂、聚氨酯等樹(shù)脂。

? 纖維增強(qiáng)材料

玻璃纖維無(wú)捻粗紗、碳纖維、芳綸纖維、聚酯纖維、維尼綸等合成纖維。

為了提高中空制品的橫向強(qiáng)度，還可采用連續(xù)纖維氈、布、帶等作為增強(qiáng)

材料。

1.3 拉擠成型制品的應(yīng)用

? 電纜橋架、梯架、支架、絕緣梯、變壓器隔離棒、

電機(jī)槽楔、路燈柱、電鐵第三軌護(hù)板、光纖電纜芯

材

? 玻璃鋼抽油桿、冷卻塔支架、海上采油設(shè)備平臺(tái)、

行走格柵、樓梯扶手及支架、各種化學(xué)腐蝕環(huán)境下

的結(jié)構(gòu)支架、水處理廠蓋板

? 釣魚(yú)竿、帳篷桿、雨傘骨架、旗桿、工具手柄、燈

柱、欄桿、扶手、樓梯、無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)、游艇碼頭、

園林工具

? 門(mén)窗、混凝土模板、腳手架、樓梯扶手、房屋隔間

墻板、筋材、裝飾材料

? 高速公路兩側(cè)隔離欄、道路標(biāo)志牌、人行天橋、隔

音壁、冷藏車(chē)構(gòu)件

拉擠復(fù)合材料制品在光伏輕量化結(jié)

構(gòu)中具有良好的應(yīng)用前景。

優(yōu)點(diǎn)

? 預(yù)浸料無(wú)需特殊條件存放，可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存

? 成型過(guò)程為物理過(guò)程，無(wú)化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)環(huán)境清潔

? 成型周期短，生產(chǎn)效率高

? 高韌性、耐沖擊、高損傷容限、耐疲勞性能優(yōu)異

? 耐水性好，在濕熱環(huán)境中

? 容易回收再生，可重復(fù)利用

問(wèn)題 ? 熱塑性聚合物熔體粘度高，浸漬困難。

1.4 熱塑性復(fù)合材料的特點(diǎn)

影響了熱塑性復(fù)

合材料的發(fā)展

1.5 高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑

性復(fù)合材料的發(fā)展

經(jīng)過(guò)近年來(lái)的研究，浸漬與界面控制等關(guān)鍵技術(shù)取

得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，多種制品成型技術(shù)已獲得應(yīng)用。

1.5.1 在纖維與基體界面設(shè)計(jì)與控制方面

通過(guò)對(duì)增強(qiáng)纖維的表面處理及基體樹(shù)脂的改性，

在復(fù)合體系中形成了有效的界面粘結(jié)，甚至在界面構(gòu)

筑增強(qiáng)、增韌的界面結(jié)構(gòu)，一部分成功已成功應(yīng)用，

為獲得高性能的熱塑性復(fù)合材料提供了保證。

1.5.2 研發(fā)成功多種浸漬工藝

(1) 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的熔融浸漬

優(yōu)點(diǎn)：效率高，工藝流程短，成本低

缺點(diǎn)：要求聚合物熔體的粘度低

浸漬的設(shè)備中結(jié)構(gòu)多樣，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

技術(shù)關(guān)鍵：均勻分散、充分接觸，控

制纖維的張力，減緩對(duì)纖維的損傷

靜電流化床法 樹(shù)脂槽接觸吸附

(2) 粉體浸漬技術(shù)

派生的形式：

? 淤漿法

? 懸浮液法

優(yōu)點(diǎn)：適用于聚合物熔體粘度高的體系

缺點(diǎn)：聚合物要是一定粒度的粉體

復(fù)合集束

(3) 混纖紗技術(shù)

(4) 混編技術(shù)

混編法

?以低粘度的單體或預(yù)聚體完成對(duì)纖維的浸漬

?要求：?jiǎn)误w聚合速度快，反應(yīng)可控

?局限性：實(shí)用的樹(shù)脂基體較少。

(5) 反應(yīng)浸漬

(6) 溶液浸漬

?以低粘度的溶液完成對(duì)纖維的浸漬

?局限性：溶劑的處理

(7) 復(fù)合纖維技術(shù)

在纖維單絲表面涂覆一層基體聚合物

技術(shù)關(guān)鍵：

◆ 聚合物基體以水分散的乳液或懸浮液的制備

◆ 乳液或懸浮液在纖維表面的均勻涂覆

◆ 纖維單絲集束時(shí)不發(fā)生粘連

1.5.3 多種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

制品成型技術(shù)已獲得應(yīng)用

?層壓成型

?模壓成型

?拉擠成型

?纏繞成型

?鋪放成型

2 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的

拉擠成型技術(shù)

2.1 一步法拉擠成型

浸漬和拉擠成型一步實(shí)現(xiàn)

原材料：增強(qiáng)纖維、樹(shù)脂

優(yōu)點(diǎn)： 高效、節(jié)能

Towpregs

Guidance

system

Pre-heating

furnace

Pressurisation

and

consolidation die

Cooling die

Pulling

system

Cutting

system

PULTRUSION HEAD

2.2 二步法拉擠成型

先做好預(yù)浸料，再用預(yù)浸料拉擠成型

實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)易裝置

連續(xù)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料工字梁的

成型工藝

2023/7/11

Prepreg

tape

φ(GF) =

wt.%GF

ρGF

wt.%GF

ρGF

+

1?wt.%GF

ρ

PP

ρc=ρGF?φ GF +ρPP? 1?φ GF

N=M

m

=

ρc×Sc×L

m

wt.%GF=

(m1

?mg)

m0

×100%

Sc=a1

?b1

?2+a2

?b2

拉擠過(guò)程模具設(shè)計(jì)

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各鋼材化學(xué)成分

I

II

I. 拉擠成型模具

II.冷卻定型模具

牌號(hào)

化學(xué)成分 w%

C Mn Si Cr Mo S P

P20 0.28~0.40 0.60~1.0 — 1.4~2.0 0.3~0.55 ≤0.03 ≤0.03

T10A 0.95~1.04 ≤0.40 ≤0.35 ≤0.25 — ≤0.02 ≤0.03

25CrMo4 0.22~0.29 0.6~0.9 ≤0.4 0.90~1.2 0.15~0.3 ≤0.035 ≤0.025

5CrMnMo 0.50~0.60 1.2~1.6 0.25~0.6 0.50~0.9 0.15~0.3 ≤0.030 ≤0.030

進(jìn)料根數(shù)對(duì)復(fù)合材料工字梁密度的影響

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不同預(yù)浸帶進(jìn)料根數(shù)下工字梁的密度 預(yù)浸帶進(jìn)料根數(shù)對(duì)彎曲性能的影響

拉擠成型模具溫度對(duì)復(fù)合材料工字梁的影響

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拉擠成型模具溫度對(duì)彎曲破壞載荷的影響 拉擠成型模具溫度對(duì)屈服的影響

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冷卻成型模具溫度梯度對(duì)彎曲破壞載荷的影響 冷卻成型模具溫度梯度對(duì)屈服的影響

冷卻定型模具溫度梯度對(duì)復(fù)合材料工字梁的影響

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冷卻成型模具溫度梯度對(duì)彎曲破壞載荷的影響 冷卻成型模具溫度梯度對(duì)屈服的影響

拉擠速度對(duì)復(fù)合材料工字梁的影響

（1）以玻璃纖維質(zhì)量含量為37%的GF/PP預(yù)浸帶作為拉擠過(guò)程的原材料

時(shí)，實(shí)際預(yù)浸帶進(jìn)料根數(shù)為理論進(jìn)料根數(shù)的1.17倍時(shí)最佳。

（2）拉擠過(guò)程的工藝參數(shù)為成型模具溫度235℃ ，冷卻成型模具溫度梯

度65℃-85℃-125℃ ，制得的復(fù)合材料工字梁力學(xué)性能最優(yōu)。

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破壞形式

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工字梁局部載荷下破壞形式

（a）腹板屈服（b）翼緣屈服

（a

）

（b）

預(yù)浸帶及玻纖網(wǎng)格布排布示意圖

（a）預(yù)浸帶排布（b）加入網(wǎng)格布后排

布

網(wǎng)格布用量對(duì)工字梁的影響

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網(wǎng)格布用量對(duì)彎曲破壞載荷的影響 網(wǎng)格布用量對(duì)屈服的影響

1+3+1:翼緣3cm寬1根+腹板2cm寬1根+翼緣3cm寬1根

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網(wǎng)格布目數(shù)對(duì)彎曲破壞載荷的影響 網(wǎng)格布目數(shù)對(duì)屈服的影響

網(wǎng)格布目數(shù)對(duì)工字梁的影響

網(wǎng)格布排布方式對(duì)工字梁的影響

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玻纖網(wǎng)格布排布方式對(duì)彎曲破壞載荷的影響 玻纖網(wǎng)格布排布方式對(duì)屈服的影響

V:垂直排布;P:平行排布;F:網(wǎng)格布;S:斜紋

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網(wǎng)格布與預(yù)浸帶橫向排布時(shí)腹板屈服形變 網(wǎng)格布與預(yù)浸帶縱向排布時(shí)腹板屈服形變

網(wǎng)格布排布方式對(duì)工字梁的影響

（1）翼緣和腹板處使用網(wǎng)格布用量為1根和3根，目數(shù)為8目時(shí)玻纖網(wǎng)格

布的補(bǔ)強(qiáng)作用最好。彎曲破壞載荷提升了6.0%，達(dá)到了5132 N。

（2）使用將腹板處的預(yù)浸帶與翼緣處預(yù)浸帶平行排布的方式進(jìn)料可以

很好的改善工字梁的力學(xué)性能，避免層間剝離的發(fā)生，同時(shí)工字梁的屈

服時(shí)承載提高了6%，其彈性模量提高了10%。

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工字梁收縮

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工字梁腹板收縮紋

（a）正視圖（b）俯視圖 工字梁收縮應(yīng)力示意圖

（a

）

（b

）

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工字梁方向及尺寸示意圖 工字梁各個(gè)部位的收縮率

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納米SiO2含量對(duì)工字梁橫向收縮的影響 納米SiO2含量對(duì)工字梁豎向收縮的影響

納米SiO2含量對(duì)工字梁的影響

納米SiO2含量對(duì)工字梁的影響

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納米SiO2含量對(duì)工字梁彎曲性能的影響 納米SiO2含量對(duì)工字梁屈服的影響

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網(wǎng)格布對(duì)工字梁收縮率的影響

其他工藝對(duì)工字梁收縮率的影響

不同補(bǔ)償段下工字梁的收縮紋變化

（a:50mm;b:65mm;c:75mm;d:85mm）

（1）通過(guò)添加納米SiO2改善了其收縮率，在預(yù)浸帶層間納米SiO2質(zhì)量含

量為2%時(shí)達(dá)到最優(yōu)改善效果，使復(fù)合材料工字梁豎向收縮率從3.07%下

降到了1.15%，橫向收縮率從1.57%下降到了0.23%。

（2）玻纖網(wǎng)格布也能對(duì)工字梁的收縮起到改善效果。8目網(wǎng)格布是綜合

考慮力學(xué)性能和收縮率時(shí)的最優(yōu)選擇，豎向收縮率下降了15.49%，橫向

收縮率下降了33.33%。

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吸濕率變化

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工字梁在模擬海水中的吸濕率隨時(shí)間的變化圖 工字梁在模擬雨水中的吸濕率隨時(shí)間的變化圖

N:未膠封

吸濕前后的力學(xué)性能變化

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海水腐蝕下GF/PP工字梁的彎曲性能 雨水腐蝕下GF/PP工字梁的彎曲性能

膠封對(duì)腐蝕后工字梁彎曲性能的影響

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a) b)

（a）海水腐蝕 （b）雨水腐蝕

（1）在海水中，經(jīng)歷168h后達(dá)到吸濕平衡；在雨水中，經(jīng)歷360h后達(dá)

到吸濕平衡。

（2）海水侵蝕后，工字梁力學(xué)性能下降了13.13%(V)，14.07%(P)，

9.32%(V-F) ， 6.01%(P-F) ； 雨 水 侵 蝕 后 ， 工 字 梁 力 學(xué) 性 能 下 降 了

3.15%(V)，2.65%(P)，3.44%(V-F)，4.97%(P-F)。

（3）切割面膠封能夠有效降低吸濕率，減少其力學(xué)性能的損失。

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3 連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

拉擠型材在光伏輕量化結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

? 隨著光伏發(fā)電的普及，特別是屋頂光伏的推廣，光伏

組件對(duì)輕量化提出了更高的要求。

? 目前光伏邊框種類(lèi)：鋁合金邊框、鋼邊框、復(fù)合材料

邊框

? 復(fù)合材料邊框的優(yōu)勢(shì)：成本低、絕緣、輕質(zhì)美觀(所

用復(fù)合材料傾向于玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯)拉擠型材

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3.1 光伏組件邊框等結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展

3.2連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)

合材料拉擠型材在光伏結(jié)構(gòu)應(yīng)用

的優(yōu)勢(shì)

? 力學(xué)性能優(yōu)良，輕量化水平高

? 可通過(guò)焊接來(lái)進(jìn)行連接和裝配，裝配效率高

? 生產(chǎn)過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)，過(guò)程清潔

? 材料容易回收再生，可循環(huán)使用，綠色環(huán)保

? 成本可控，有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

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3.3 連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)

合材料拉擠型材在光伏結(jié)構(gòu)應(yīng)用

需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題

(1) 耐水性的改善，濕熱穩(wěn)定性的提升

◆ 填充硅灰石降低樹(shù)脂的吸水能力及及吸水所帶來(lái)變形

◆ 引入憎水基團(tuán)或組分，阻止水分向材料內(nèi)部的擴(kuò)散，降

低樹(shù)脂的吸水性

◆ 材料的致密化及斷面封端憎水處理

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(2) 耐老化性能的提高

◆ 光老化性能的改善

多重抗光老化措施的組合，強(qiáng)化表層的屏蔽作用

◆ 熱氧化性能的提升

不同類(lèi)型的抗氧劑復(fù)配增效

◆ 海水、鹽霧、酸雨耐受能力的提高

材料組成與配方優(yōu)化，結(jié)合表面處理

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(3)成本與性能的平衡

◆ 一步法拉擠的高效率

◆ 低成本材料的添加

◆ 回收廉價(jià)樹(shù)脂的利用

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