混合纖維材料的技術(shù)與應(yīng)用

李熙

(南京玻璃纖維研究設(shè)計院，南京210012)

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混合纖維材料的技術(shù)與應(yīng)用

李熙

(南京玻璃纖維研究設(shè)計院，南京210012)

摘 要：混合纖維是指兩種或兩種以上纖維構(gòu)成的材料，它結(jié)合了各組分的優(yōu)點，在性能上互補(bǔ)，提高了產(chǎn)品的總體性能，通常作為復(fù)合材料的增強(qiáng)基材應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。介紹了玻璃纖維和其他纖維混合構(gòu)成的材料包括纖維的種類、混合的方式、生產(chǎn)技術(shù)工藝。

關(guān)鍵詞：混合纖維；復(fù)合紗；混雜增強(qiáng)

0概述

近年來，玻璃纖維及其復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)等特性，已被廣泛應(yīng)用于交通運輸、電子信息、航空航天、基礎(chǔ)建設(shè)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)保能源能等眾多的領(lǐng)域，并在全球得到了人所共知的快速發(fā)展。隨著全球低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推進(jìn)，節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展成為世界關(guān)注的焦點，各行業(yè)、各領(lǐng)域?qū)Ω咝阅軓?fù)合材料的需求愈加迫切，對復(fù)合材料的性能提出更高更復(fù)雜的要求，因此在制造工藝和裝備技術(shù)在不斷提升的同時，多樣化的增強(qiáng)材料也層出不窮，混合纖維材料應(yīng)運而生。

混合纖維材料通常指由兩種或兩種以上纖維構(gòu)成的材料，本文主要研究的是玻璃纖維和其他纖維混合構(gòu)成的材料，它可以與熱塑性塑料纖維、金屬纖維、碳纖芳綸纖維等，通過纖維直接混合，或在紡織過程中混合，或通過編織、針刺等方式制成混合纖維制品，再用于復(fù)合材料的制造，也可以不同纖維直接混雜增強(qiáng)復(fù)合材料。眾所周知，玻璃纖維是一種具有特殊性能的材料，它耐高溫、不燃、抗腐、抗拉強(qiáng)度高、電絕緣性好，在許多特定場合玻璃纖維發(fā)揮了重要的作用，但缺點是性脆，耐磨性差，這些因素又限制了它的應(yīng)用?；旌掀渌w維后，可結(jié)合各組分的優(yōu)點，在性能上互補(bǔ)，提高產(chǎn)品的總體性能，為進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合材料創(chuàng)造良好的條件。下面對市場可供的混合纖維材料及混合方式進(jìn)行介紹。

1混合纖維

混合纖維是指玻璃纖維與其它纖維在纖維階段進(jìn)行混合后，再進(jìn)入后道加工的復(fù)合方法。這種方法優(yōu)點是纖維混合得較均勻，有利于后道加工，缺點是工藝復(fù)雜，技術(shù)難度較大。

1.1與熱塑纖維混合

熱塑性復(fù)合紗是將熱塑性樹脂與玻璃纖維(增強(qiáng)纖維)緊密混合。在保持玻璃纖維的強(qiáng)度同時，又保持足夠柔性的紗線，為紡織加工提供了優(yōu)異的柔軟性。而且克服了熱塑性樹脂浸漬困難的問題，有利于與熱塑性塑料復(fù)合成型，且復(fù)合材料制品的纖維含量高，力學(xué)性能顯著。

1.1.1拉絲直接復(fù)合法

Twintex?是法國圣戈班集團(tuán)Vetrotex公司開發(fā)的熱塑性復(fù)合紗，是唯一上市的在玻璃纖維成形過程中直接與熱塑性塑料纖維共擠相間復(fù)合而成的產(chǎn)品[1]。該工藝是：玻璃纖維(典型直徑17 μm)從漏板拉出，涂以適當(dāng)?shù)慕檮?；與此同時，用擠出機(jī)擠出塑料長絲(直徑20 μm)，塑料中含有偶聯(lián)劑、穩(wěn)定劑、顏料等添加劑，兩種纖維隨即并合，成為Twintex?粗紗，制造示意圖見圖1。無捻粗紗經(jīng)進(jìn)一步加工，可制成織物、預(yù)浸料等，利用不同的成型工藝成型為熱塑性復(fù)合材料制品。此外，還可將Twintex?織物插入制件作局部增強(qiáng)[2]。

優(yōu)點[3]：①Twintex?紗中熱塑性纖維分布緊密而均勻，玻璃纖維能得到迅速的浸漬和浸透，使制成的熱塑性復(fù)合材料制品的力學(xué)性能穩(wěn)定，孔隙率為零；②織物可根據(jù)應(yīng)用要求剪裁，柔性好；③復(fù)合材料制品可獲得較高的玻纖含量(40%～75%)，玻纖含量越高，復(fù)合材料制品的強(qiáng)度和剛度就越高；④采用此技術(shù)不僅可高產(chǎn)量低成本地生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料，且對環(huán)境友好。可以說Twintex具有超過其它材料和工藝的利益和優(yōu)點。

此產(chǎn)品投放市場以來至今供不應(yīng)求，并在不斷擴(kuò)產(chǎn)，總銷量的60%應(yīng)用于汽車。

1.1.2粉末浸漬法

TowFlex?是美國赫氏公司采用一種無溶劑工藝生產(chǎn)的復(fù)合紗：讓連續(xù)的玻璃纖維絲束通過帶靜電的熱塑性樹脂粉末漂浮云層，使帶電樹脂粉末均勻地分布在玻璃纖維上，然后通過加熱爐，將粉末粒子熔結(jié)在纖維表面上。形成的“預(yù)浸絲束”被熱塑性樹脂部分浸漬，保持了足夠的柔曲性。這種柔性的預(yù)浸絲束可織成柔性織物或編織成管，供進(jìn)一步加工。其復(fù)合材料制品可獲得30%～70%的纖維含量。

1.1.3纖維包覆法

Keytex?是意大利Europlants公司采用此方法生產(chǎn)的復(fù)合紗：玻璃纖維在流化床中被聚合物粉末浸漬，浸漬后的每根纖維再用同種聚合物包覆，這種包覆過程是采用熔融聚合物擠涂工藝完成的。Keytex?紗可以直接出售，也可制成機(jī)織物或編織物。其最大的優(yōu)點是，由于纖維完全受到外包層的保護(hù)，不會斷頭，所以特別利于織造。

1.1.4膨化/并合法

丹麥Comfil公司生產(chǎn)的一種熱塑性樹脂混雜纖維膨體紗，是采用纖維膨化/并合裝置將兩種連續(xù)纖維混紡成復(fù)合紗[1]。該工藝是將增強(qiáng)纖維(玻璃纖維)“開松”后摻混入基體纖維(熱塑纖維)中去，工藝圖見圖2。其結(jié)果，在后道固化工序中，基體纖維僅僅需要流動很短的距離，就可浸滲到增強(qiáng)纖維中，從而縮短周期時間，獲得良好的浸漬效果。

優(yōu)點：①Comfil公司設(shè)計的工藝技術(shù)能夠使增強(qiáng)纖維在工藝過程中保持連續(xù)狀態(tài)，并且做到纖維不脆；②機(jī)器設(shè)計靈活，可以按照用戶要求的支數(shù)和混合比例制造混合纖維膨體紗。

1.1.5包芯編帶法

由于一般的單纖混紡紗在預(yù)形件加工過程中，易造成增強(qiáng)纖維的損傷，進(jìn)而影響復(fù)合材料的性能。天津工業(yè)大學(xué)為此研制了適用于高密織物織造和三維織造的玻纖包芯編帶紗。

包芯編帶紗屬于包芯紗的一種，在混合紗的制造過程中，玻璃纖維作為增強(qiáng)的芯紗不被加捻、不彎曲、不變形、不受損傷，以PP纖維為包纏紗，對芯紗包纏緊密、牢固、均勻，玻璃纖維體積比例可達(dá)50%，其縱向形態(tài)如圖3，加工示意圖如圖4[4]。包芯編帶紗由于玻璃纖維被完全包覆在紗線的芯部，從而避免了在紗線加工及后序加工(機(jī)織、針織、編織)中對玻璃纖維的損傷，因此具有較好的柔軟性，優(yōu)良的耐磨性，及良好的織造性能，可以滿足二維或三維的高速織造和復(fù)雜成型的要求，在三維熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[5]。

1.1.6其他產(chǎn)品示例

(1) 高性能Compofil?

國內(nèi)最具代表性的熱塑復(fù)合紗是巨石集團(tuán)研發(fā)的Compofil?。這是以連續(xù)玻璃纖維和熱塑纖維為原料，經(jīng)過特殊工藝在線復(fù)合而成的高性能熱塑性預(yù)浸料，見圖5[6]。

Compofil?以PP、PET為基體樹脂，可以紗線或織物的形式直接制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，而不需要添加額外的樹脂；自身浸漬優(yōu)良，玻纖分散均勻；玻纖含量高，力學(xué)性能優(yōu)異。適用于纏繞、模壓、真空袋、拉擠等成型工藝，生產(chǎn)效率高。

(2) PolyPreg混纖紗織物

PolyPreg是用玻璃纖維和聚丙烯纖維復(fù)合紗織成的布，是美國BGF工業(yè)公司研制的DryPreg?綜合系列熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品之一。此布柔軟服帖，適應(yīng)于各種復(fù)雜形狀，只需加熱和少許加壓就能直接固結(jié)成高強(qiáng)度的復(fù)合材料制品。制品可用于各種用途如汽車、建筑、船艇、軍事和防衛(wèi)、體育、娛樂、交通運輸?shù)刃袠I(yè)。

1.2與金屬纖維復(fù)合

金屬纖維，作為一類新型紡織材料近年來發(fā)展迅速，可與玻璃纖維混紡的金屬纖維有銅纖維、鎳鉻纖維、不銹鋼纖維等。常用的不銹鋼纖維主要是指以304，304 L，316，316 L等為原料，單纖維直徑為2～100 μm的長絲或長絲束。它除了具有纖維的柔軟性，又具有金屬本身優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐蝕、耐高溫等特性，與高科技產(chǎn)業(yè)關(guān)系密切。

1.2.1加捻復(fù)合法

不銹鋼纖維在氧化氛圍中，溫度高達(dá)600 ℃條件下可連續(xù)使用，是很好的耐高溫材料。將不銹鋼纖維長絲與玻璃纖維紗，通過加捻設(shè)備合股成一根復(fù)合紗，可提高高溫條件下紗線的強(qiáng)度。復(fù)合紗線可織造成不銹鋼纖維增強(qiáng)玻璃纖維布(如圖6)。該產(chǎn)品具有高強(qiáng)度、低收縮、不變形、不燃等特性，可在-70 ～500 ℃下較長時間使用，超過工作溫度時，仍具有一定的強(qiáng)度和耐腐蝕性。

不銹鋼絲增強(qiáng)玻璃纖維布主要應(yīng)用于鋼鐵、電力、冶金、化工、環(huán)保、水泥等行業(yè)，用在排氣、換氣、通風(fēng)、煙塵、廢氣處理等系統(tǒng)的管道補(bǔ)償作用上。

此外玻纖與銅絲混紡織物可用于帶電操作的均壓服，與鎳鉻絲混紡織物可制作加熱保溫套，與銅絲和合成纖維混紡織物可作為摩擦材料基材。

1.2.2膨化復(fù)合法

由于不銹鋼絲的優(yōu)良熱傳導(dǎo)性能，玻璃/不銹鋼纖維復(fù)合紗能耐瞬時高溫，還可用作制動摩擦材料，如用于汽車離合器面片增強(qiáng)材料[7]。

該復(fù)合紗的生產(chǎn)工藝是：將玻纖無捻粗紗、有機(jī)纖維長絲或短纖混紡紗、不銹鋼纖維長絲分別經(jīng)過各自的張力調(diào)節(jié)裝置，一起進(jìn)到特制的膨化噴嘴中，從膨化噴嘴側(cè)面的進(jìn)氣孔向內(nèi)腔噴吹0.5～1 MPa的高壓空氣，高壓高速空氣紊流將這些纖維變形、揉合到一起，工藝流程圖見圖7。在膨化過程中，膨化復(fù)合紗線中不同原材料纖維被充分散開并相互糾纏在一起，這樣，幾種不同種類的纖維經(jīng)過膨化后形成一股粗線，不易散開。該工藝流程短，效率高，產(chǎn)品一致性好。實踐表明，在制造汽車離合器面片的過程中，復(fù)合紗線的浸膠性能比傳統(tǒng)的加捻合股工藝生產(chǎn)的紗線要好，汽車離合器面片的技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定，性能更優(yōu)，使用壽命更長。

1.3與特殊纖維混合

1.3.1與耐火纖維

將具有良好強(qiáng)度和可紡性能的耐火纖維(甩絲長纖維)與20%的有機(jī)纖維混合制成耐火纖維紡織品生產(chǎn)必需的纖維紗，再與玻璃纖維紗、耐熱合金纖維等增強(qiáng)纖維合股，制成耐火纖維布、帶、繩、盤根、套管等[8]。最常見的是與陶瓷纖維的混合，耐溫超過1200 ℃，作高溫環(huán)境下的隔熱、保溫、密封之用(圖8)。

1.3.2與高性能纖維

(1) InnegraTMH高性能混纖紗

美國Innegra技術(shù)公司將烯烴纖維與其它高性能纖維(如玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維或芳綸纖維)復(fù)合，制成Innegra H混纖紗系列產(chǎn)品。Innegra H是在纖維階段混合，從而可制得更均勻的制品，顯著提高抗沖擊性能和損傷容限；纖維耐久性高，避免了現(xiàn)有輕質(zhì)復(fù)合材料的陣裂效應(yīng)。Innegra H可用于多種復(fù)合材料成型工藝和多種用途，如重量更輕和抗沖擊的體育器械及汽車車身部件?？梢哉f這是專為滿足各行業(yè)對重量輕、抗沖擊和抗損傷復(fù)合材料解決方案的需求而設(shè)計。Innegra H復(fù)合材料還獲得了2013年美洲JEC復(fù)合材料展會的創(chuàng)新獎。

(2) 永久性阻燃面料

這是常熟耀星公司發(fā)明的一種專利產(chǎn)品，是以35%～45%(質(zhì)量百分比)的玻璃纖維紗與65%～55%(質(zhì)量百分比)的阻燃腈氯綸纖維，經(jīng)渦流紡制成包芯線，再通過圓機(jī)、經(jīng)編織機(jī)、織布機(jī)加工成坯布，再整理印花制成永久性阻燃窗簾面料(圖9)。該產(chǎn)品燃燒等級符合GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能等級》的B1級以上。具有隔熱、耐高溫性，遇火不燃燒、不熔滴、不延燒和不卷縮等特點，能很好地隔離和阻止燃燒，從而有效地控制火災(zāi)蔓延。同時，由于纖維采用包芯工藝復(fù)合，柔軟、紡織性好，對皮膚無刺癢感，可多次洗滌。該面料還可用來制作床墊內(nèi)襯布、沙發(fā)彈力布等。

2混合織物

通過機(jī)織、針織、編織等工藝將連續(xù)玻璃纖維紗和其它纖維長絲混織成織物，常與碳纖維、芳綸纖維或熱塑纖維等高性能纖維混織，用于高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)體。通過兩種不同纖維的混合，不僅可以降低材料的成本，還能發(fā)揮它們性能差異大的優(yōu)點又能克服綜合性能不佳的缺點；通過不同的組織結(jié)構(gòu)，來滿足各類復(fù)合材料成型及性能要求。

2.1機(jī)織物

用于復(fù)合材料增強(qiáng)的混合織物中，除芳綸和高密度聚乙烯纖維外，廣泛使用玻璃纖維和碳纖維，過去多采用經(jīng)緯交織的機(jī)織物(圖10)。南玻院曾研制了一款玻-碳混織物，經(jīng)紗采用碳纖維與高強(qiáng)玻璃纖維按一定比例混雜，緯紗采用高強(qiáng)玻璃纖維進(jìn)行織造，兩種纖維均采用專用處理劑處理，適合環(huán)氧型FRP制品[9]。用這種混織物能制得性能高、成本適中的FRP制品，其已經(jīng)在賽艇、航海模型艇殼、蹼泳腳板及人體假肢上被成功應(yīng)用。

但機(jī)織物中的紗線呈波浪形彎曲，再加上紗線自身的捻度，使其模量、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度都有一定的損失。因此不適合用于高承載的復(fù)合材料制品。

2.2縫編織物

縫編織物相對于機(jī)織物來說，突出了經(jīng)緯紗無織造屈曲的特點，也因為具有更優(yōu)異的物理機(jī)械性能而越來越受到青睞，尤其是軸向織物，在制造重量輕、強(qiáng)度高、耐久性好的紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料上應(yīng)用廣泛。

2.2.1經(jīng)編軸向織物

到目前為止，軸向襯紗織物主要以經(jīng)編線圈捆綁為主，玻璃纖維與碳纖維等其它纖維混合編織時，通常作為襯墊紗在經(jīng)編結(jié)構(gòu)中襯入，可以是其中的一層為其它纖維，也可以是在一層或多層的玻璃纖維束中，經(jīng)一定根數(shù)的間隔，夾入一根或幾根其他纖維[8]。經(jīng)編軸向織物由于承受載荷的紗線能按照特定的方向伸直取向，故每根纖維力學(xué)理論值的利用率幾乎能達(dá)100%，能處于最佳的承載狀態(tài)。

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，經(jīng)編軸向織物成為風(fēng)力發(fā)電葉片的首選材料。并隨著葉片長度的增加，對其模量、剛度和強(qiáng)度提出了更高的要求。因此既能減輕葉片重量，提高葉片剛度和強(qiáng)度，同時又能兼顧葉片價格的一種有效方法就是采用玻/碳混合軸向織物(圖11)增強(qiáng)，其葉片可減重20%～30%。

另外，碳纖/玻纖格柵也是采用縫編工藝的一種混合織物。以無堿玻璃纖維為經(jīng)紗、碳纖維為緯紗混編成網(wǎng)布，浸膠固化后具有良好的抗拉和抗腐蝕性能，與混凝土薄板界面粘結(jié)性能有所提高，是鋼筋混凝土中鋼筋的優(yōu)良代替物。還可以12 K的碳纖維和玻璃纖維為經(jīng)紗，以玻璃纖維為緯紗混編、浸膠制成土工格柵(圖12)。這種材料結(jié)合了玻纖的強(qiáng)度和碳纖維的導(dǎo)電性，將它作為導(dǎo)電發(fā)熱體鋪設(shè)在路表面下，在冰雪天氣對導(dǎo)電發(fā)熱體進(jìn)行通電、產(chǎn)生熱量，通過熱傳遞的方式使路面溫度升高，實現(xiàn)融化積雪的功能[10]。

2.2.2緯編軸向織物

除了經(jīng)編軸向織物外，還可以利用緯編綁縛系統(tǒng)開發(fā)緯編軸向織物。根據(jù)經(jīng)/緯編結(jié)構(gòu)的特性，緯編軸向織物較經(jīng)編綁縛結(jié)構(gòu)具有更好的可成型性。天津工業(yè)大學(xué)王文燕等對緯編雙軸向三層襯紗織物增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行了研究，采用外邊兩層襯緯紗，中間一層襯經(jīng)紗的襯紗鋪層結(jié)構(gòu)，即襯經(jīng)紗和其中一層襯緯紗為高強(qiáng)聚乙烯，另外一層襯緯紗為玻璃纖維，綁縛線圈使用滌綸低彈絲。試驗證明，這種玻纖/高強(qiáng)聚乙烯緯編雙軸向?qū)娱g混合織物增強(qiáng)的復(fù)合材料具有很好的彎曲性能。這是因為緯編雙軸向多層織物中襯紗呈完全平行順直狀態(tài)，對應(yīng)力的反應(yīng)速度快，該類織物既充分發(fā)揮了高性能紗線高強(qiáng)高模量的特點，又充分利用了紗線層間的剪切變形性與針織線圈的可變形性，使織物不但具有優(yōu)異的力學(xué)性能，還具有其它織物不可比擬的三維曲面可成型性[11]。

3混合非織物

3.1復(fù)合氈

玻璃纖維復(fù)合氈是將玻璃纖維和一種以上的其它纖維，通過針刺、縫制、粘合、熱軋等非織造手段制成的氈品[8]。

3.1.1針刺復(fù)合氈

(1) P84/玻纖復(fù)合針刺氈

作為過濾材料用的聚酰亞胺纖維P84是一種不熔性聚酰亞胺纖維。P84纖維濾料可在260 ℃以下連續(xù)使用，耐溫性好，與玻纖比抱合力好，特別適于與玻纖一起生產(chǎn)耐高溫復(fù)合針刺氈。P84/玻纖復(fù)合針刺氈是用針刺的方法在玻璃纖維機(jī)織物的上下各復(fù)合一層P84纖維與玻纖的混合短切纖維層，生產(chǎn)工藝圖見圖13，主要包括開松、梳理、鋪網(wǎng)、針刺4個部分[12]。該復(fù)合氈可最大限度地發(fā)揮各種纖維的優(yōu)點，具有使用溫度高、耐磨性好、氈層與基布結(jié)合緊密等特點。

在復(fù)合針刺氈迎塵面的混合纖維層上覆蓋一層聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜，可制成復(fù)合針刺氈覆膜濾料，實現(xiàn)“表面過濾”。

在以上工藝中，還可將P84纖維與玄武巖纖維，或玻璃纖維與玄武巖纖維混合，制成復(fù)合針刺過濾氈，可以達(dá)到更高的使用溫度，用于特殊場合。

(2) 短切針刺氈

上海杰事杰新材料公司利用混合干法工藝，將玻璃纖維短切之后與粘合樹脂纖維混合，再進(jìn)行復(fù)雜高強(qiáng)的梳理成網(wǎng)，形成棉絮狀，針刺后制備成連續(xù)預(yù)浸漬纖維氈，最后制板或成型。該工藝能有效混合玻璃纖維與樹脂纖維，提高混合均勻度，對于板材力學(xué)性能的提高有一定的推進(jìn)作用。但由于梳理、針刺強(qiáng)度過大，玻纖損傷較嚴(yán)重，產(chǎn)品的力學(xué)性能受到纖維本身強(qiáng)度的限制，因此只能應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)材料。

(3) 立體混合針刺氈[13]

這是一種新的制氈工藝，是將玻纖與PP纖維分別拉制成束狀，經(jīng)梳針開松使絲束展開成單絲狀，在保持纖維最小長度(50～60 mm)的前提下，通過風(fēng)機(jī)輸送、混合開松、特殊的梳理氣流成網(wǎng)等工序，完成不同比重的玻纖與化纖的均勻混合成網(wǎng)，最后經(jīng)上下針刺加固，制成具有三維立體結(jié)構(gòu)的混合針刺氈。制作流程如圖14所示。

該工藝制得的針刺氈，玻璃纖維和基體樹脂纖維混合均勻，接觸面積大，損傷及斷裂少，立體結(jié)構(gòu)明顯，因此基體樹脂的浸漬效果好，產(chǎn)品的力學(xué)性能得到明顯改善?？蓮V泛應(yīng)用于各種模壓成型工藝，并且可一次成型出各種復(fù)雜形狀的零部件。

3.1.2縫編復(fù)合氈

意大利Lavesan公司在JEC雜志上介紹了一種據(jù)稱“幾乎完美”的增強(qiáng)材料Lavecore。此產(chǎn)品是以聚丙烯纖維薄氈為芯材，將短切直徑12 μm、短切長度50 mm的E玻璃纖維用聚酯纖維線縫合其上，形成縫編復(fù)合氈。PP芯材是一種梳理薄氈，能讓樹脂順利通過，防止氣泡產(chǎn)生；玻璃纖維具有優(yōu)良的樹脂浸漬性能；聚酯縫編線稍具彈性，可賦予產(chǎn)品良好的服帖性，有利于復(fù)雜形狀制品的制造。

優(yōu)點：此氈可以直接模塑成型，無需加熱；具有良好的拉伸性能(兩個方向都能拉伸)、良好的覆模型和整體性(不需用粘結(jié)劑保持形狀)；質(zhì)地柔軟，便于模具內(nèi)填充角落，減少氣泡和開裂；還消除了模具內(nèi)鋪層搭接和位移的問題，在注塑時，它能在接縫處形成良好的密封。

3.1.3粘合復(fù)合氈

法國科紡勒(Chomarat)公司新推出新一代的屋面油氈增強(qiáng)材料：Rotaflam Neo(圖15、16)。它是由玻璃纖維和聚酯基粘合網(wǎng)格布、聚酯非織造材料和玻纖薄氈制成，結(jié)構(gòu)如圖。據(jù)稱這是市場上同類中唯一的增強(qiáng)材料，因為它集玻纖、聚酯兩種材料之長，且在一層材料上結(jié)合了粘合網(wǎng)布(強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性)和非織造材料(抗穿刺、耐火和抗撕裂)的性能。其中非織造材料使用了噴水粘合工藝來保證粘合網(wǎng)布的性能。該增強(qiáng)材料在提高性能的同時，可降低膜材的厚度，瀝青的減重可顯著降低生產(chǎn)成本。Rotaflam Neo提高了防水膜的耐火性，用它生產(chǎn)的膜材通過了所有歐洲耐火測試。

3.1.4獨特的復(fù)合氈

巴林Ilium公司采用一種獲得專利的獨特工藝技術(shù)來制造玻璃纖維增強(qiáng)材料，一族產(chǎn)品專用于閉模成型工藝(RTM、輕型RTM、壓塑)，另一族產(chǎn)品專用于拉擠工藝。

(1) iFlex

此產(chǎn)品由一層隨機(jī)取向的長玻璃纖維夾在兩層薄氈之間形成，重量輕，強(qiáng)度高。根據(jù)所用玻纖材料，有3個品種：

iFlex P：長玻璃纖維的緊密氈，質(zhì)量>250 g/m2。

iFlex R：緊密玻纖氈。

iFlex WP：夾有連續(xù)增強(qiáng)材料的兩層玻纖氈。

其具有以下特點：不使用化學(xué)粘結(jié)劑，因而不存在粘結(jié)劑與樹脂中苯乙烯反應(yīng)的問題；不使用縫編工藝，因而制品外觀更好；制品邊緣整潔，無散絲；可在橫向(90°)加筋，避免伸長；建議用途：灌注成型、管道修復(fù)。

(2) iMix

iMix含以下多層材料：短切玻璃纖維(纖維長度50～200 mm)、聚酯芯材、連續(xù)纖維增強(qiáng)材料(雙軸向布或機(jī)織無捻粗紗布)。它們由合成纖維薄氈固定。

其具有以下特點：不使用化學(xué)粘結(jié)劑；未經(jīng)縫編，易在模具內(nèi)形成整潔的角部；制品邊緣整潔，無散絲；拉伸強(qiáng)度較高。

(3) iSpring

iSpring由一層合成材料芯夾在兩層短切玻璃纖維(纖維長度50～200 mm)之間形成，并覆一層薄氈。

其具有以下特點：不使用化學(xué)粘結(jié)劑；未經(jīng)縫編，制品外觀好，易在模具內(nèi)形成整潔角部；制品邊緣整潔，無散絲；含有少量低熔纖維。

容易制成預(yù)形體，不需附加粘結(jié)劑。獨特的制造技術(shù)使得這種氈成為預(yù)成形工藝的佳選。iSpring產(chǎn)品很容易順應(yīng)模具的輪廓成形。

阻燃型的iSpring使用阻燃聚酯纖維，用于阻燃用途。

(4) iForm

iForm亦由一層合成材料芯夾在兩層短切玻璃纖維之間形成，并覆一層薄氈。這是貼伏性更好的增強(qiáng)材料，除具有原有產(chǎn)品的所有優(yōu)點外，iForm還具有更多優(yōu)點：防透印性能更好；阻燃性更高；可迅速預(yù)成形；能防止搭接；伸長率最大可達(dá)24%～29%，形成了更均勻的貼伏性。

建議用途：閉模成型法。

(5) iNexus

該產(chǎn)品由表面氈、玻璃纖維增強(qiáng)材料和合成纖維薄氈組成，薄氈形成光潔的表面。

其有如下特點：不使用化學(xué)粘結(jié)劑；未經(jīng)縫編，制品外觀更好；制品邊緣整潔，無散絲。

3.2微纖維隔板

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的余四紅等對閥控式密封鉛酸蓄電池使用的AGM隔板進(jìn)行了研究，在親水性的超細(xì)玻璃纖維中添加了適當(dāng)比例的憎水性纖維，如聚乙烯、聚丙烯、聚烯烴或聚氯乙烯等，其中玻璃纖維的直徑有1 μm以下、3～4 μm以及8～15 μm，憎水纖維的直徑在8～15 μm之間，混合纖維隔板的制作流程如圖22。

經(jīng)研究，制成的混合隔板中，玻璃纖維和憎水纖維的接觸很好，同時憎水纖維的加入對隔板的強(qiáng)度和吸酸性能提高有積極的作用?；旌细舭褰M裝的電池在灌酸量相同時，灌酸速度比普通的AGM隔板電池快20%，電池容量高2.5%；多灌酸時容量高約10%；電池壽命也有明顯提高[14]。

4混雜增強(qiáng)

以上介紹的混合材料不論以哪種方式混合，最終都是以混合織物或非織物的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于復(fù)合材料的增強(qiáng)，此外，還有一種增強(qiáng)形式是混雜纖維增強(qiáng)。這是指兩種或兩種以上纖維，通過改變組分、含量以及復(fù)合結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)同一基體材料。其目的在于不僅可以降低成本，還可以在保持組分材料優(yōu)點的同時，獲得優(yōu)良的綜合性能。

4.1混雜的形式

混雜材料有石墨、硼、玻纖、碳纖維、芳綸纖維等，研究較多的是玻纖/碳纖/芳綸纖維的兩組分混雜體系，近年來由于對環(huán)保的重視，越來越多的天然纖維加入應(yīng)用。

混雜結(jié)構(gòu)主要有[15]：

均勻混雜：兩種及以上纖維均勻地在樹脂中直接混合；

層內(nèi)混雜：兩種及以上纖維在同一層內(nèi)重復(fù)地定量排列；

層間混雜：兩種及以上增強(qiáng)材料單獨按大致厚度相等的薄層(通常小于1 mm)以最優(yōu)的順序疊層；

夾芯混雜：將一種纖維構(gòu)成復(fù)合材料芯，外殼(最外層)是另一種纖維；

插入混雜：在GRP組分的基礎(chǔ)上有選擇的安置第二種材料的帶或棒。

其中，以層間混雜最利于提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和成型，夾芯混雜和插入混雜均為層間混雜的特殊形式。

4.2相關(guān)研究及應(yīng)用

Czigany研究了碳纖與玻纖的混雜性能，認(rèn)為在抗沖擊方面玻纖的加入可使碳纖維復(fù)合材料的價格大幅下降，而碳纖維加入玻纖復(fù)合材料能使其彎曲模量顯著增加[16]。趙士貴等以玻纖氈和玻纖布為夾芯材料、碳纖維為表面材料，制備了混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，結(jié)果表明該混雜方式顯著提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)且有效[17]。

劉佩華等以芳綸/玻纖為混雜纖維，以丁腈橡膠改性酚醛為基體制備高強(qiáng)度摩阻材料，有效地改善了制品的摩擦性能和力學(xué)性能，同時提高了摩擦性能的穩(wěn)定性，降低了磨損[18]。Friedrich&Jacob研究了玻纖、碳纖及芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、PEEK及PA基體的混雜結(jié)構(gòu)，及其摩擦性能，研究表明芳綸/碳混雜纖維復(fù)合材料具有最好的耐磨性，可應(yīng)用于高性能剎車材料[19]。

肖露等對碳纖維、對位芳綸纖維和S2玻璃纖維三種高性能纖維平紋織物與增韌改性環(huán)氧乙烯基酯樹脂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，在特定的工藝下復(fù)合成型，制成厚度方向?qū)娱g梯度混雜的防彈復(fù)合材料。復(fù)合材料在彈道沖擊中，迎彈面以壓縮、剪切破壞為主，背面以纖維的拉伸變形和破壞、分層和鼓包為主。該層間混雜復(fù)合材料充分發(fā)揮了對位芳綸纖維高抗拉和高韌性，碳纖維與S2玻纖的抗壓抗剪能力，達(dá)到防彈效果最佳，具有明顯的正向混雜效應(yīng)[20]。

Kalaprasad等以劍麻/玻纖作為低密度聚乙烯基體的增強(qiáng)材料，試驗揭示采用混雜的方式除了可以降低材料成本外，其吸濕性比單一劍麻復(fù)合材料低；另外，單軸取向的混雜纖維復(fù)合材料比無規(guī)則排列材料的力學(xué)性能好，且混雜后的材料除斷裂伸長外所有的力學(xué)性能均得到提高[21]。Ahmed等還研究了黃麻/玻纖混雜復(fù)合材料的彈性性能，以及帶有凹槽的材料應(yīng)力集中效應(yīng)，研究表明，在該材料中黃麻確實能起到纖維增強(qiáng)的作用[22]。J.Rout等用7%的玻纖與13%的椰子殼纖維增強(qiáng)聚酯樹脂，大大增強(qiáng)了彎曲強(qiáng)度，也使復(fù)合材料的吸濕性下降[23]。

劉曉燁等采用新的混雜復(fù)合工藝，短玻纖增強(qiáng)聚丙烯薄膜與麻纖維氈層疊壓制成型(層內(nèi)混雜)，或?qū)⒙槔w維氈和連續(xù)玻纖氈以不同鋪層方式混雜增強(qiáng)聚丙烯(層間混雜)，結(jié)果表明，不同的混雜方式對提高復(fù)合材料的力學(xué)性能都有顯著的效果，且短纖層內(nèi)混雜和連續(xù)纖維夾芯混雜呈現(xiàn)出不同的特點，可根據(jù)不同力學(xué)性能需要進(jìn)行鋪層設(shè)計，但夾芯混雜增強(qiáng)比層內(nèi)混雜增強(qiáng)時材料的沖擊強(qiáng)度更高[24]。

5結(jié)束語

混合纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是新興的強(qiáng)韌型結(jié)構(gòu)材料，它具有優(yōu)異的抗沖擊性、抗疲勞性、耐腐蝕性等諸多優(yōu)點，在航空、航天，民用飛機(jī)、軍事裝備，鐵路、船舶、汽車工業(yè)，以及風(fēng)力發(fā)電等新能源領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用和可喜的前景，對于混合纖維材料的研究也正處于蓬勃發(fā)展的階段。但是由于我國對混合纖維材料的研究起步較晚，還存在著應(yīng)用的纖維種類較少，混合的工藝技術(shù)不成熟，產(chǎn)品應(yīng)用面不夠廣等不足，尤其是對多相纖維混合的研究甚少。今后，在加強(qiáng)混合纖維復(fù)合材料研究的基礎(chǔ)上，還應(yīng)大力拓展其應(yīng)用領(lǐng)域范圍，使產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，以進(jìn)一步促進(jìn)和推動我國混合纖維復(fù)合材料的發(fā)展。

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The Techniques and Applications of Hybrid Fiber Reinforcing Materials

Li Xi

(Nanjing Fiberglass Research & Design Institute， Nanjing 210012)

Abstract:Hybrid fibers consist of two or more kinds of fibers，which have good properties of the components.Their performance was improved by the complementation of properties.As a result，hybrid fibers play a role of reinforcing materials of composites，and they are used in many fields.The types，hybrid approaches，production technologies of hybrid fibers，which consist of glass fiber and other fibers，are discussed in the paper.

Key words:hybrid fiber；commingled yarn；hybrid reinforcement

中圖分類號：TQ171.77+7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2016-03-27

作者簡介：李熙，女，1981年生，工程師。主要從事玻璃纖維相關(guān)技術(shù)信息服務(wù)及玻纖織物涂層方面的研究。

修回日期：2016-03-29