連續纖維增強熱塑性複合材料(CFRTP)預浸料含浸製程

2021-02-19 碳纖維平臺

        連續纖維增強熱塑性複合材料(Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites , CFRTP)已研究發展超過25年，CFRTP所使用的增強纖維種類主要有碳纖維、玻璃纖維以及克維拉縴維，基材種類包括PP、PA、PC、PEI、PPS以及PEEK等熱可塑性基材，早期著重於航空及軍事應用，2002年開始大幅度成長，並逐步應用於汽車、運動器材、運輸、工業以及其他領域。

        CFRTP的主要成型形態包括單方向纖維預浸料(Unidirectional Prepreg)、編織纖維預浸料(Fabric Prepreg)、混合纖維(Commingled yarn)以及其他方式，其中預浸布(Prepreg)相關產品應用為目前市場上的主流技術之一。

        預估2014年全球連續纖維增強熱塑性複合材料產值可達$US188.7 million，年平均成長率12%





熱塑性纖維增強預浸料主要含浸工法可區如下：
溶液法(Solution Impregnation Technique)
熔融法(Melt Impregnation Technique)
薄膜層迭法(Film Stacking Technique)
粉末法(Powder Impregnation Technique)
纖維混編法(Fiber Commingled Technique)
聚合法(In-situ polymerization)

各種方法的特型及優缺點簡介如下

溶液法(Solution Impregnation Technique)

將塑料基材溶於特定溶劑中製備基材溶液，再將增強纖維浸入溶液中，最後將溶劑去除，此法因以溶劑溶解塑料基材，基材黏度較低，可得較佳的含浸效果，但溶劑的選擇、回收、人體安全性等都是限制此法發展的不利因素。


熔融法(Melt Impregnation Technique)

加熱使塑料基材熔融並塗布於離型紙上，後以壓輥使塑料基材與增強纖維混合，此法操作較容易，但能源消耗較高，且必須注意塑料基材的成膜性及高溫流動特性。



薄膜層迭法(Film Stacking Technique)

將塑料薄膜與增強纖維規則層迭後熱壓含浸，此為熔融法的改良型，可以用較低的加工溫度含浸預浸料，但需較長的加工時間，並注意薄膜製作與層迭含浸的加工限制。



粉末法(Powder Impregnation Technique)


以合成、研磨等化學或物理方式將塑料基材製成粉末後，透過溶劑、流體化床、靜電等方式使粉末與纖維充分混合後加熱含浸，此法必須控制粉體的粒徑、批覆均勻性，並注意粉體及靜電可能帶來的危害。



纖維混編法(Fiber Commingled Technique)

將增強纖維與熱塑基材纖維透過混編、混紗、繞股等方式均勻分散，製成特殊的纖維束，之後經過編織成所需織物後加熱加壓成型，此法必須注意避免過程中補強纖維受損。



聚合法(In-situ polymerization)

利用熱塑性高分子之單體或寡聚合物(oligomer)，被覆在纖維上，在將此單體或寡聚合物聚合成所要之高分子基材，此法反應控制不易，製程時間較長。



除了上述熱塑性纖維增強預浸料含浸工法之選擇外，必須同時注意複合材料界面問題，包括補強纖維表面改質、纖維表面官能基、基材改質、基材/補強材表面能等，如此才能製備具商業量產性之熱塑性纖維補強預浸料。



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