长纤维增强聚丙烯复合材料浸渍工艺及机理的研究

摘要

中国是汽车产销大国，大量的汽车消费，带来了能源消耗和环境污染等问题，而汽车轻量化成为解决该问题的重要途径之一。热塑性树脂基复合材料具有可循环利用、环境友好、高强度、低密度等特点，成为汽车轻量化重要途径。熔融浸渍法因其工艺过程简单、易于实现工业化而成为生产连续纤维增强热塑性树脂基复合材料的主要选择。本文设计了熔融浸渍模具，自主搭建了连续纤维增强热塑性树脂基复合材料熔融浸渍生产线;通过对熔融浸渍工艺过程中浸渍及纤维断裂机理的研究，建立了包含浸渍模具结构参数、工艺参数、物性参数等的浸渍程度方程及纤维束断裂概率分布方程;运用浸渍程度方程及纤维束断裂概率分布方程优化了熔融浸渍模具结构;对熔融浸渍工艺参数和纤维束分丝过程开展了实验研究;提出了两种新的纤维束分丝方法，实验研究了不同分丝方法对连续纤维增强聚丙烯(GF/PP)复合材料预浸料力学性能的影响。主要工作如下: 首先，实验测定了不同纤维体积分数下高粘度树脂浸渍单向玻璃纤维束渗透率，根据实验结果运用matlab软件拟合出单向玻璃纤维渗透率表达式;采用拟合所得渗透率表达式，将润滑近似原理和达西定律相结合，提出了包含浸渍模具结构参数、物性参数、纤维束结构参数、工艺参数等的预浸料浸渍程度表达式。从力学平衡角度，分析了熔融浸渍工艺过程中纤维束受力情况;根据纤维束所受牵引力，结合Weibull概率分布函数，建立了包含浸渍模具结构参数、工艺参数、物性参数及其他参数等的纤维束断裂概率分布函数。理论分析了工艺参数、物性参数以及模具结构参数对预浸料浸渍程度和纤维束断裂概率分布的影响。 其次，根据所提出的浸渍程度方程和纤维束断裂概率分布方程，采用Design Expert软件对浸渍模具结构参数进行了优化;搭建了连续纤维增强热塑性树脂复合材料熔融浸渍工艺生产线;对所设计的熔融浸渍模具进行了实验研究，实验结果与优化结果一致性良好。 再次，对熔融浸渍工艺参数中纤维束入口张力和牵引速度进行实验研究。通过自主搭建的纤维束入口张力采集系统，研究了入口张力对连续玻璃纤维增强聚丙烯(GF/PP)复合材料力学性能的影响;实验结果表明，在当前工艺条件下，当纤维束入口张力增加到15N、包覆角为622°时，GF/PP预浸料力学性能最佳。牵引速度决定了生产效率和产品质量，当前工艺条件下，牵引速度越低，预浸料力学性能越好，但效率也会降低。因此，在满足需求质量的前提下，尽可能提升牵引速度以提高实际生产效率。 最后，设计了高压静电场分丝装置和气流-辊子分丝装置，研究了两种分丝方法对连续玻璃纤维增强聚丙烯(GF/PP)复合材料预浸料力学性能的影响。利用极性材料在高压静电场中受静电场力的原理，设计了高压静电分丝装置，有效提升了纤维束分丝均匀性，降低了机械分丝对纤维的损伤。实验表明，在当前工艺条件下，当静电场上下极板之间距离为20cm、高压静电场电压30kV时，GF/PP复合材料预浸料力学性能最佳。 设计了气流-辊子相结合的分丝装置。通过在分丝辊上开气流槽，引入气流分丝，降低了玻璃纤维束与辊子表面的机械摩擦力，减少了玻璃纤维丝束损伤，使玻璃纤维束分丝更均匀。实验表明，在当前工艺条件下，气体流量为4.5m3/h、气流压力为0.2MPa时，GF/PP复合材料预浸料性能最佳。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章绪论

1．1研究背景

1．1．1热塑性复合材料发展前景概述

1．1．2热塑性复合材料浸渍工艺

1．2熔融浸渍技术的研究现状

1．2．1熔融浸渍模具研究进展

1．2．2熔融浸渍机理研究现状

1．2．3纤维断裂机理研究现状

1．2．4纤维束渗透率研究现状

1．2．5纤维束分丝研究现状

1．3本文主要研究内容

第二章浸渍模具设计和连续纤维增强聚丙烯浸渍模型建立

2．1引言

2．2熔融浸渍模具的研究

2．2．1浸渍压力的产生

2．2．2浸渍模具的设计

2．2．3楔形区域压力的仿真

2．3连续纤维增强聚丙烯熔融浸渍模型的建立

2．3．1单向纤维束渗透率的确定

2．3．2浸渍时间的计算

2．3．3浸渍程度模型讨论

2．4连续纤维增强聚丙烯纤维断裂模型的建立

2．4．1纤维束受力分析

2．4．2纤维断裂模型讨论

2．5本章小结

第三章浸渍模具优化及实验研究

3．1引言

3．2浸溃模具结构参数优化模拟

3．2．1实验设计

3．2．2模型拟合

3．2．3结果讨论

3．2．4模具结构参数优化

3．3浸渍模具的实验研究

3．3．1实验设备和工艺参数

3．3．2预浸料性能评价方法

3．3．3实验结果讨论

3．4本章小结

第四章工艺参数对GF／PP预浸料浸渍和纤维断裂影响的实验研究

4．1引言

4．2入口张力Tinlet的影响

4．2．1包覆角的计算

4．2．2张力与包覆角关系

4．2．3入口张力的实验研究

4．2．4实验结果分析

4．3牵引速度Vbundle的影响

4．3．1实验设备和工艺参数

4．3．2实验结果分析

4．4本章小结

第五章高压静电场对GF／PP复合材料预浸料浸渍和断裂的影响

5．1引言

5．2高压静电场模拟

5．2．1静电场基本定律

5．2．2高压静电场分丝模型建立

5．2．3模拟研究

5．3实验研究

5．4实验结果讨论

5．4．1高压静电场对GF／PP预浸料浸渍程度的影响

5．4．2高压静电场对GF／PP预浸料力学性能的影响

5．5本章小结

第六章气动分丝对GF／PP复合材料预浸料浸渍和纤维断裂的影响

6．1引言

6．2理论分析

6．3实验研究

6．4结果分析

6．4．1 GF／PP预浸料浸渍程度讨论

6．4．2 GF／PP预浸料纤维断裂概率讨论

6．4．3 GF／PP预浸料力学性能讨论

6．5本章小结

第七章总结

7．1全文总结

7．2主要创新点

7．3前景展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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