拉擠成型是指在牽引設(shè)備的作用下，將浸漬樹脂的連續(xù)纖維或其織物通過模具加熱使樹脂固化生產(chǎn)復(fù)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(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)拉擠生產(chǎn)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(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、交通、醫(yī)療、通信和電力輸送等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。拉擠成型技術(shù)起源于美國(guó)，早在1951年就有利用液態(tài)聚合物浸漬纖維來生產(chǎn)釣魚竿的專利。在過去的70年中，拉擠成型高速發(fā)展，現(xiàn)在是制造恒定截面、低尺寸公差的樹脂基復(fù)合材料型材最有效的方法之一。| 領(lǐng)域 | 性能要求 | 應(yīng)用 |
| 建筑 | 質(zhì)量輕、強(qiáng)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(gòu)件、雷達(dá)防 |
| 電氣 | 絕緣 | 護(hù)罩、傳動(dòng)裝置 |
| 海洋 | 耐腐蝕性能 質(zhì)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(zhì)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(yōu)點(diǎn)率先被用于拉擠成型，得到了工業(yè)界的一致認(rèn)可，主要包括聚酯、環(huán)氧樹脂和乙烯基酯樹脂等。近年來還涌現(xiàn)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(huán)氧樹脂和聚氨酯樹脂基拉擠復(fù)合材料。此外，雙組份聚氨酯樹脂體系由于其黏度低、反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高纖維含量的拉擠成型。這種技術(shù)是將多元醇與一種高反應(yīng)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(shù)由于聚氨酯樹脂的高反應(yīng)活性，故用注射浸漬腔模具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的敞式樹脂槽以適應(yīng)更快的膠凝時(shí)間。聚氨酯拉擠成型試驗(yàn)裝置
對(duì)浸漬過程中樹脂流動(dòng)行為可靠的預(yù)測(cè)是拉擠成型數(shù)值模擬的最重要的目標(biāo)之一。研究浸漬階段樹脂流動(dòng)的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，可確定最佳工藝參數(shù)，以避免復(fù)合材料制品中出現(xiàn)氣泡和孔隙等。傳統(tǒng)的拉擠成型采用開放式浸膠槽浸漬纖維,會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)揮發(fā)物(VOC),造成環(huán)境污染。因此近年來注射拉擠成型技術(shù)(RIM-pultrusion)慢慢推廣開來。(a)傳統(tǒng)拉擠成型(b)注射拉擠成型
傳統(tǒng)拉擠成型和注射拉擠成型工藝對(duì)比復(fù)合材料在固化過程中，當(dāng)材料內(nèi)部的溫度場(chǎng)和固化度場(chǎng)分布不均時(shí)，拉擠制品會(huì)出現(xiàn)翹曲、變形等問題。這是由于樹脂在模具內(nèi)固化過程中存在的內(nèi)應(yīng)力。特別是對(duì)截面尺寸較大的型材制品，這些內(nèi)應(yīng)力甚至?xí)?dǎo)致復(fù)合材料出現(xiàn)開裂、分層等現(xiàn)象。拉擠復(fù)合材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的原因比較復(fù)雜，涉及很多因素。普遍認(rèn)同的主要原因是以下三個(gè)方面：溫度變化而產(chǎn)生的熱應(yīng)變、樹脂固化而產(chǎn)生的化學(xué)收縮應(yīng)變和外力作用引起的應(yīng)變。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熱塑性復(fù)合材料拉擠成型近年來也得到了快速發(fā)展。主要是因?yàn)?strong>相對(duì)較高的熔體黏度限制了其在復(fù)合材料中的應(yīng)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(fù)合材料拉擠可分為兩大類，如圖所示。目前來看，非反應(yīng)型拉擠應(yīng)用更廣泛，技術(shù)也相對(duì)成熟。大多數(shù)非反應(yīng)型拉擠成型需先制備預(yù)浸料，再對(duì)預(yù)浸料進(jìn)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(duì)低黏度的樹脂來實(shí)現(xiàn)纖維浸漬。熱塑性聚合物例如PP、PA等具有可紡性，可與增強(qiáng)纖維混編直接用于拉擠成型。在混纖紗中，增強(qiáng)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(qiáng)熱塑性復(fù)合材料更具有環(huán)?？苫厥盏膬?yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用在汽車內(nèi)飾和家居建材等領(lǐng)域。熱塑性反應(yīng)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(nèi)反應(yīng)聚合形成復(fù)合材料的技術(shù)。早在20世紀(jì)90年代，Cho等利用己內(nèi)酰胺陰離子聚合反應(yīng)進(jìn)行了探索性拉擠實(shí)驗(yàn)研究。但由于聚合條件苛刻、無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)拉擠和較高設(shè)備要求等原因，隨后的10年鮮有延續(xù)性的研究。近年來，隨著環(huán)保要求的逐年提高和對(duì)復(fù)合材料可再加工性的不斷需求，在瑞士EMS化學(xué)公司的資助下，Luisier等研究了纖維增強(qiáng)PA12反應(yīng)注射拉擠成型過程，并進(jìn)行了建模研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)了全新的封閉式浸漬模具，6s內(nèi)即可完成50%（體積分?jǐn)?shù)）纖維增強(qiáng)體的充分滲透；研究了每個(gè)階段工藝參數(shù)對(duì)拉擠速度影響，根據(jù)聚合動(dòng)力學(xué)和流變學(xué)的計(jì)算結(jié)果建立了熱傳遞模型。德國(guó)的Epple等也利用反應(yīng)注射拉擠成型技術(shù)制備出的U型截面的玻璃纖維增強(qiáng)PA6拉擠型材，通過電子顯微鏡觀測(cè)樣品拐角處發(fā)現(xiàn)了樹脂集聚區(qū)，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(yīng)型拉擠成型雖然較早就有研究者涉足，但相關(guān)研究仍然較少。苛刻的反應(yīng)條件與較高的成本是限制熱塑性反應(yīng)型拉擠成型未能規(guī)模推廣的重要因素。近年來，又涌現(xiàn)出一些新型拉擠成型技術(shù)，為了提高拉擠成型的復(fù)合材料管材的內(nèi)承壓能力和彎曲強(qiáng)度，許家忠等研發(fā)了一種編織－纏繞－拉擠技術(shù)制備碳纖維／環(huán)氧樹脂復(fù)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(lǐng)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(shù)實(shí)現(xiàn)了彎曲拉擠，此時(shí)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(chǎn)線的前視圖 (b)制造的彎曲樣品
還有些研究者采用移動(dòng)式的定型模具，對(duì)未完全固化的復(fù)合材料賦予一定曲率，從而使制品達(dá)到彎曲效果。作為制備連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料效率最高的成型技術(shù)，拉擠成型在汽車工業(yè)、家居建材、橋梁建筑和航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，近年來國(guó)際上對(duì)拉擠制品的需求更是保持著較高的增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于熱塑性聚合物熔融黏度較高的固有特點(diǎn)，限制了其在拉擠成型的應(yīng)用。利用聚酰胺原位反應(yīng)的注射拉擠成型不失為一種有效的解決方案，但對(duì)于PE、PP和PVC原料等仍需進(jìn)一步研發(fā)有效的浸漬方案。熱塑性聚合物抗沖擊性能強(qiáng)、具有可焊接性和環(huán)?？苫厥盏忍攸c(diǎn)，在新能源汽車、航空航天等新興應(yīng)用領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，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(huì)應(yīng)用于拉擠成型。彎曲拉擠成型為制備復(fù)雜形狀的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供了可能性。后固化工藝、設(shè)置移動(dòng)式的模具或夾具等創(chuàng)新方案為拉擠成型提供了新的思路。
參考資料：樹脂基復(fù)合材料拉擠成型研究進(jìn)展，北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陳軻等。原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦光伏網(wǎng)）：熱固回收難、熱塑粘度高，拉擠成型復(fù)合材料路線怎么選？
