顧名思義,復合材料是就是用兩種或兩種以上的不同性能,不同形態的組分材料通過復合手段組合而成的一種多相材料,其中一相是連續的稱基體相,另一相是分散的,被基體包容的稱為增強相。復合材料使用的歷史可以追溯到古代,從古至今沿用的稻草或麥秸增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料復合而成。20世紀40年代,因航空工業的需要,發展了玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼),從此出現了復合材料這一名稱。復合材料通常是指最終制品,是一次成型的不需要后加工,而不是通常意義上的“材料”。
現代高科技的發展離不開復合材料,復合材料對現代科學技術的發展,有著十分重要的作用。復合材料最突出的優勢是其超高的比強度以及比模量,與高強度鋼以及合金,鋁合金等材料相比均比較高 (質輕高強),另外復合材料具有突出的形狀可設計性 ,能夠實現三維空間中的任意扭曲 。同時復合材料的強度及模量,都是經過物理及數學模型的力學計算,具有豐富的力學結構可設計性。復合材料的研究深度和應用廣度及其生產發展的速度和規模,已成為衡量一個國家科學技術先進水平的重要標志之一。
復合材料的早期研發應用主要是在航空航天領域。20世紀50年代,國外開展了人造衛星領域 的新結構材料與耐燒蝕材料的研發,逐漸推動了碳纖維復合材料在新材料領域的應用。此外,隨著對碳纖維復合材料的研究和應用發展,碳纖維復合材料逐漸在汽車制造以及船舶、風電等領域實現了廣泛應用,并逐漸向醫療器械、家具裝飾,體育用品等輕工業領域拓展。
熱固性樹脂基復合材料,也稱纖維增強塑料 (Fiber Reinforced Plastics), 是目前技術比較成熟且應用最為廣泛的一類復合材料,也是本文著色方案的具體研究對象。熱固性樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體,以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維,聚丙烯腈基纖維等為增強材料制成的復合材料。
復合材料成型工藝是復合材料工業發展的基礎和條件,也是不同著色方案的選擇基礎之一。樹脂基復合材料的成型方法較多,有手糊成型、噴射成型、纖維纏繞成型、模壓成型、拉擠成型、樹脂傳遞模塑RTM成型、預浸料法(熱壓罐成型)、SMC沖壓成型等。
手糊成型為最原始和低端的成型工藝。在模具上手動將樹脂浸潤纖維,纖維可以為機織、編織、縫合或粘結等增強方式,手糊成型通常用滾輪或刷子完成,然后用膠滾擠壓樹脂使之滲入纖維。置于常壓下固化。
典型應用:標準風電葉片,批量制作的船艇,建筑模型,彩色玻璃鋼瓦,烘房,冷卻塔,大型雷達罩。
20世紀60年代由哈爾濱玻璃鋼研究院開發。纏繞工藝基本用于制造中空、圓形或橢圓形結構件,如管道和槽。纖維束經過樹脂浸潤后沿各種方向纏繞在芯軸上,工藝過程由纏繞機和芯軸轉速控制。
典型應用:火箭發動機殼體,導彈外殼,化學品儲藏罐和輸送管,氣瓶,氣缸,海水淡化管道。
從線軸架抽出的纖維束浸膠后穿過加熱固化裝置,在加熱裝置完成樹脂對纖維的浸潤,并且控制樹脂含量,最終將材料固化成要求的形狀;這種形狀固定的固化產品被機械切割為不同長度。
典型應用:適合制作截面固定的型材,如房屋結構的梁和桁架,橋梁,梯子和圍欄,帳篷桿,油田采油抽油桿。
將干纖維鋪覆在下模內,可以預先施加壓力使纖維盡量與模具形狀貼合,并予以粘合綁定;然后,把上模固定在下模上形成型腔,再將樹脂注入型腔。通常采用真空輔助樹脂的注入和對纖維的浸潤,即真空輔助樹脂注入工藝(VARI)。一旦纖維浸潤完成,即關閉樹脂導入閥,并將復合材料進行固化。樹脂注入和固化既可以在室溫下進行,也可以在加熱條件下完成。
為高端成型工藝。樹脂含量可控。纖維或纖維布由材料制造商使用含有潛伏型固化劑的樹脂預先浸潤,制造方法為高溫高壓法或溶劑溶解法。固化劑為室溫潛伏型,使材料在室溫下有幾周或幾個月的有效期;冷藏條件可以延長其儲存期限。預浸料微粘手,之間有隔離膜,其中樹脂為預固化B階段。預浸料可以手工或機器鋪入模具表面,然后覆蓋線°C。加熱后樹脂可以再次流動,并最終固化。可以用高壓釜對材料施加額外的壓力,通常可以達到5個大氣壓。
根據復合材料制品類型,所用樹脂,纖維等原材料類型,不同的成型工藝等前提條件,及客戶市場對色彩譜域,色牢度,表面光澤等性能要求,復合材料著色方式目前有制品表面涂料涂層,使用彩色纖維或彩色混編纖維,表面膠衣樹脂著色,預浸料著色,基體樹脂著色等5種方法。
在不飽和聚酯樹脂行業中有一種特殊性能的樹脂叫膠衣樹脂。它是為改善玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂基玻璃鋼制品的外觀質量和保護結構層的材質不受外界環境介質侵蝕而研制開發的,故膠衣樹脂的主要作用是對玻璃鋼制品的表面裝飾和對結構層的保護。彩色膠衣是一種有色觸變產品,它是通過向不飽和聚酯中加入顏料色漿和觸變劑而分散的。彩色膠衣的主要作用是裝飾玻璃鋼制品表面,保護結構層。新型耐候阻燃彩色膠衣的開發受到越來越多的關注,并發揮著越來越重要的作用。
與通常的工業制品表面涂料涂裝類似,但復合材料制品表面由于纖維的存在在微觀上是各向異性的,需要特殊開發的涂料進行涂裝。超高耐候多彩色漆為光伏行業玻纖復合材料專用,針對性解決復材制品表面針眼,脫膠,漏纖等問題。高透彩色清漆為汽車用碳纖維制品專用,適用于露碳纖維紋理制品多彩涂裝應用,定制化顏色,明亮艷麗,色彩飽滿豐富,兼顧透明性和顏色效果。
原液著色法是在紡絲溶液中加入適當的著色劑,經充分混和、溶解和過濾,也可在進入噴絲頭之前定量地注入著色劑或有色原液,經靜態混和器混和后紡制成有色纖維。聚丙烯腈等纖維的原液著色均屬此種。這種工藝屬于物理變化,優點是著色和紡絲可同時聯連續進行,著色均勻,色牢度好,上染率高,生產周期短,成本低,污染少。能使一些高取向度、非極性難染纖維,如滌綸、丙綸等著色。其著色劑有無機、有機顏料、炭黑和分散染料等。
既將色漿加入預浸料樹脂中,或采用經過原液著色的彩色纖維制作預浸料,使預浸料帶有需要的顏色。
即將色漿加入基體樹脂中,按所設計的成型工藝制備復合材料制品,使用該種方法著色,除了制品外表面,制品內部也擁有同樣的顏色,適用于有此類用途要求的市場需求如戶外大型工藝雕塑等。
碳纖維復合材料在家具設計中的應用,最早出現在20世紀80年的意大利。碳纖維復合材料在現代家具中的應用和發展,為家具設計的表達提供了新的方式,使其逐漸向著新的結構形式與設計思路突破發展,為國內家具設計及其行業發展帶來了新的動力。
碳纖維復合材料能夠和樹脂基結合,對傳統碳纖維材料的傳統黑色進行突破,從而實現更加豐富與亮麗的色彩呈現,滿足家具設計的各種色彩需求。碳纖維復合材料中的碳纖維能夠和具有其他色彩的纖維材料進行混編,實現不同編織結構和不同顏色的立體科技感,從而在家具設計中進行應用,體現出各種豐富色彩的立體花紋。除上述情況外,碳纖維材料還能夠和彩色的樹脂膠合,制備各種不同顏色的碳纖維復合材料,從而實現不同色彩的碳纖維家具。比如,2014年倫敦設計節中,倫敦設計Michael Sodeau使用一種由賽車工程師開發的彩色碳纖維材料創造了一種輕質圓形椅子”Halochair”,就是用帶有艷麗色彩的碳纖維布與本色碳纖維布進行搭配設計的。豐富的色彩能夠呈現出更加鮮亮并且富有活力的視覺效果,提升了家具設計的時尚性。
浙江納美新材料股份有限公司成立于 2010 年,是一家從事環保型高性能水性顏料色漿和 UV功能性材料的研發、生產和銷售的國家高新技術企業,產品廣泛應用于涂料、油墨,造紙、紡織、乳膠、化妝品、墨水以及 UV涂層等應用領域。
在復合材料著色領域,納美新材已開發了多個系列產品以滿足復合材料不同的原材料,成型工藝及看色方式的要求。鮮麗特@EI,EW,WS,ET工業及木器色漿適用于表面涂料涂層,我們的原液著色技術及產品可用于制作彩色纖維或彩色混編纖雛,鮮麗特@PO聚酯色漿適用手表面膠衣樹脂著色,預浸料著色,基體樹脂著色等用途。納美新材將持續進行研發投入為復合材料行業的發展不斷貢獻新的力量!
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