拉擠成型是指在牽引設備的作用下，將浸漬樹脂的連續纖維或其織物通過模具加熱使樹脂固化生產復合材料型材的工藝方法，具有纖維含量可控、原料利用率高和生產效率高等優點。常規拉擠生產線由紗架、浸膠槽、定型模具、牽引裝置和切割裝置等組成。拉擠制品具有輕質高強、耐腐蝕等優點，在建筑、交通、醫療、通信和電力輸送等領域有著廣泛的應用。拉擠成型技術起源于美國，早在1951年就有利用液態聚合物浸漬纖維來生產釣魚竿的專利。在過去的70年中，拉擠成型高速發展，現在是制造恒定截面、低尺寸公差的樹脂基復合材料型材最有效的方法之一。| 領域 | 性能要求 | 應用 |
| 建筑 | 質量輕、強度高、耐疲勞、易于安裝維修、阻燃 | 地板、墻面、圍墻、橋梁 電纜橋架支撐構件、雷達防 |
| 電氣 | 絕緣 | 護罩、傳動裝置 |
| 海洋 | 耐腐蝕性能 質量輕，耐疲勞、絕緣、耐 | 污水處理廠 |
| 鐵路 | 腐蝕 | 枕木，車身廂體 曲棍球棒，滑雪桿，高爾夫 |
| 體育休閑 | 質量輕，安裝方便，耐腐蝕 | |
熱固性樹脂因其具有黏度低、成型溫度低和加工范圍寬等優點率先被用于拉擠成型，得到了工業界的一致認可，主要包括聚酯、環氧樹脂和乙烯基酯樹脂等。近年來還涌現了新型樹脂基體，比如雙馬來酰亞胺樹脂和改性的生物基環氧樹脂和聚氨酯樹脂基拉擠復合材料。此外，雙組份聚氨酯樹脂體系由于其黏度低、反應迅速等優點，可實現高纖維含量的拉擠成型。這種技術是將多元醇與一種高反應性的異氰酸酯在線混合后直接注入成型模具固化成型的,如圖所示。該技術由于聚氨酯樹脂的高反應活性，故用注射浸漬腔模具代替傳統的敞式樹脂槽以適應更快的膠凝時間。聚氨酯拉擠成型試驗裝置
對浸漬過程中樹脂流動行為可靠的預測是拉擠成型數值模擬的最重要的目標之一。研究浸漬階段樹脂流動的壓力場和速度場，可確定最佳工藝參數，以避免復合材料制品中出現氣泡和孔隙等。傳統的拉擠成型采用開放式浸膠槽浸漬纖維,會產生大量的有機揮發物(VOC),造成環境污染。因此近年來注射拉擠成型技術(RIM-pultrusion)慢慢推廣開來。(a)傳統拉擠成型(b)注射拉擠成型
復合材料在固化過程中，當材料內部的溫度場和固化度場分布不均時，拉擠制品會出現翹曲、變形等問題。這是由于樹脂在模具內固化過程中存在的內應力。特別是對截面尺寸較大的型材制品，這些內應力甚至會導致復合材料出現開裂、分層等現象。拉擠復合材料產生內應力的原因比較復雜，涉及很多因素。普遍認同的主要原因是以下三個方面：溫度變化而產生的熱應變、樹脂固化而產生的化學收縮應變和外力作用引起的應變。隨著科學技術的不斷發展，熱塑性復合材料拉擠成型近年來也得到了快速發展。主要是因為相對較高的熔體黏度限制了其在復合材料中的應用。常用的拉擠熱塑性聚合物有高密度聚乙烯(PE-HD),聚丙烯(PP)及聚酰胺(PA)等。按照浸漬方式，熱塑性復合材料拉擠可分為兩大類，如圖所示。目前來看，非反應型拉擠應用更廣泛，技術也相對成熟。大多數非反應型拉擠成型需先制備預浸料，再對預浸料進行拉擠才能確保纖維具有較好的分散度，也有研究者利用改性后的相對低黏度的樹脂來實現纖維浸漬。熱塑性聚合物例如PP、PA等具有可紡性，可與增強纖維混編直接用于拉擠成型。在混纖紗中，增強纖維與聚合物纖維均勻分布，大大縮短了熔融樹脂的浸漬距離，具有突出的浸漬效果。此外，天然纖維增強熱塑性復合材料更具有環保可回收的優勢，廣泛應用在汽車內飾和家居建材等領域。熱塑性反應拉擠成型是利用低黏度的樹脂單體或低聚物浸漬纖維，再在拉擠模具內反應聚合形成復合材料的技術。早在20世紀90年代，Cho等利用己內酰胺陰離子聚合反應進行了探索性拉擠實驗研究。但由于聚合條件苛刻、無法實現連續拉擠和較高設備要求等原因，隨后的10年鮮有延續性的研究。近年來，隨著環保要求的逐年提高和對復合材料可再加工性的不斷需求，在瑞士EMS化學公司的資助下，Luisier等研究了纖維增強PA12反應注射拉擠成型過程，并進行了建模研究，優化設計了全新的封閉式浸漬模具，6s內即可完成50%（體積分數）纖維增強體的充分滲透；研究了每個階段工藝參數對拉擠速度影響，根據聚合動力學和流變學的計算結果建立了熱傳遞模型。德國的Epple等也利用反應注射拉擠成型技術制備出的U型截面的玻璃纖維增強PA6拉擠型材，通過電子顯微鏡觀測樣品拐角處發現了樹脂集聚區，纖維未分散均勻。這可能是由于纖維含量較低，在注射壓力下纖維壓縮造成的。熱塑性反應型拉擠成型雖然較早就有研究者涉足，但相關研究仍然較少。苛刻的反應條件與較高的成本是限制熱塑性反應型拉擠成型未能規模推廣的重要因素。近年來，又涌現出一些新型拉擠成型技術，為了提高拉擠成型的復合材料管材的內承壓能力和彎曲強度，許家忠等研發了一種編織－纏繞－拉擠技術制備碳纖維／環氧樹脂復合管材，其原理如圖所示。通常拉擠成型僅能制備直線型材，但在某些特殊領域需要具有一定曲率的彎曲拉擠制品。Tena等利用紫外光后固化工藝技術實現了彎曲拉擠，此時模具僅是為了限定型材的形狀和去除多余的樹脂，如圖所示。(a)彎曲拉擠生產線的前視圖 (b)制造的彎曲樣品
還有些研究者采用移動式的定型模具，對未完全固化的復合材料賦予一定曲率，從而使制品達到彎曲效果。作為制備連續纖維增強復合材料效率最高的成型技術，拉擠成型在汽車工業、家居建材、橋梁建筑和航空航天等領域有著廣闊的應用前景，近年來國際上對拉擠制品的需求更是保持著較高的增長趨勢。由于熱塑性聚合物熔融黏度較高的固有特點，限制了其在拉擠成型的應用。利用聚酰胺原位反應的注射拉擠成型不失為一種有效的解決方案，但對于PE、PP和PVC原料等仍需進一步研發有效的浸漬方案。熱塑性聚合物抗沖擊性能強、具有可焊接性和環保可回收等特點，在新能源汽車、航空航天等新興應用領域具有無可比擬的優勢，未來更多熱塑性聚合物，包括聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)等特種工程塑料將會應用于拉擠成型。彎曲拉擠成型為制備復雜形狀的連續纖維增強復合材料提供了可能性。后固化工藝、設置移動式的模具或夾具等創新方案為拉擠成型提供了新的思路。
參考資料：樹脂基復合材料拉擠成型研究進展，北京化工大學機電工程學院，陳軻等。原文始發于微信公眾號（艾邦光伏網）：熱固回收難、熱塑粘度高，拉擠成型復合材料路線怎么選？
