连续纤维增强热塑性复合材料拉挤成型

及其在光伏轻量化结构中的应用

华东理工大学化工学院

周晓东

2023年7月6日

主 要 内 容

1 技术背景

2 连续玻璃纤维增强热热塑性复合材料的拉挤成型

3 连续玻璃纤维增强热塑性复合材料拉挤成型制品在

光伏轻量化结构中的应用

1 技术背景

1.1 拉挤成型的过程

热固性复合材料拉挤成型工艺是将浸渍了树脂胶液

的连续纤维或织物，通过成型模具，在模腔内加热固化成

型，在牵引机拉力作用下，连续拉拔出型材过程。

1.2 拉挤成型主要原材料

◼ 树脂基体

热固性聚合物：不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂、环氧树

脂、聚氨酯等树脂。

◼ 纤维增强材料

玻璃纤维无捻粗纱、碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、维尼纶等合成纤维。

为了提高中空制品的横向强度，还可采用连续纤维毡、布、带等作为增强

材料。

1.3 拉挤成型制品的应用

⚫ 电缆桥架、梯架、支架、绝缘梯、变压器隔离棒、

电机槽楔、路灯柱、电铁第三轨护板、光纤电缆芯

材

⚫ 玻璃钢抽油杆、冷却塔支架、海上采油设备平台、

行走格栅、楼梯扶手及支架、各种化学腐蚀环境下

的结构支架、水处理厂盖板

⚫ 钓鱼竿、帐篷杆、雨伞骨架、旗杆、工具手柄、灯

柱、栏杆、扶手、楼梯、无线电天线、游艇码头、

园林工具

⚫ 门窗、混凝土模板、脚手架、楼梯扶手、房屋隔间

墙板、筋材、装饰材料

⚫ 高速公路两侧隔离栏、道路标志牌、人行天桥、隔

音壁、冷藏车构件

拉挤复合材料制品在光伏轻量化结

构中具有良好的应用前景。

优点

☺ 预浸料无需特殊条件存放，可长时间储存

☺ 成型过程为物理过程，无化学反应，生产环境清洁

☺ 成型周期短，生产效率高

☺ 高韧性、耐冲击、高损伤容限、耐疲劳性能优异

☺ 耐水性好，在湿热环境中

☺ 容易回收再生，可重复利用

问题  热塑性聚合物熔体粘度高，浸渍困难。

1.4 热塑性复合材料的特点

影响了热塑性复

合材料的发展

1.5 高性能连续纤维增强热塑

性复合材料的发展

经过近年来的研究，浸渍与界面控制等关键技术取

得了长足的进步，多种制品成型技术已获得应用。

1.5.1 在纤维与基体界面设计与控制方面

通过对增强纤维的表面处理及基体树脂的改性，

在复合体系中形成了有效的界面粘结，甚至在界面构

筑增强、增韧的界面结构，一部分成功已成功应用，

为获得高性能的热塑性复合材料提供了保证。

1.5.2 研发成功多种浸渍工艺

(1) 连续纤维增强热塑性复合材料的熔融浸渍

优点：效率高，工艺流程短，成本低

缺点：要求聚合物熔体的粘度低

浸渍的设备中结构多样，实现产业化。

技术关键：均匀分散、充分接触，控

制纤维的张力，减缓对纤维的损伤

静电流化床法 树脂槽接触吸附

(2) 粉体浸渍技术

派生的形式：

⚫ 淤浆法

⚫ 悬浮液法

优点：适用于聚合物熔体粘度高的体系

缺点：聚合物要是一定粒度的粉体

复合集束

(3) 混纤纱技术

(4) 混编技术

混编法

➢以低粘度的单体或预聚体完成对纤维的浸渍

➢要求：单体聚合速度快，反应可控

➢局限性：实用的树脂基体较少。

(5) 反应浸渍

(6) 溶液浸渍

➢以低粘度的溶液完成对纤维的浸渍

➢局限性：溶剂的处理

(7) 复合纤维技术

在纤维单丝表面涂覆一层基体聚合物

技术关键：

◆ 聚合物基体以水分散的乳液或悬浮液的制备

◆ 乳液或悬浮液在纤维表面的均匀涂覆

◆ 纤维单丝集束时不发生粘连

1.5.3 多种连续纤维增强热塑性复合材料

制品成型技术已获得应用

⚫层压成型

⚫模压成型

⚫拉挤成型

⚫缠绕成型

⚫铺放成型

2 连续纤维增强热塑性复合材料的

拉挤成型技术

2.1 一步法拉挤成型

浸渍和拉挤成型一步实现

原材料：增强纤维、树脂

优点： 高效、节能

Towpregs

Guidance

system

Pre-heating

furnace

Pressurisation

and

consolidation die

Cooling die

Pulling

system

Cutting

system

PULTRUSION HEAD

2.2 二步法拉挤成型

先做好预浸料，再用预浸料拉挤成型

实验室简易装置

连续玻纤增强热塑性复合材料工字梁的

成型工艺

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Prepreg

tape

φ(GF) =

wt.%GF

ρGF

wt.%GF

ρGF

+

1−wt.%GF

ρ

PP

ρc=ρGF∙φ GF +ρPP∙ 1−φ GF

N=M

m

=

ρc×Sc×L

m

wt.%GF=

(m1

−mg)

m0

×100%

Sc=a1

∙b1

∙2+a2

∙b2

拉挤过程模具设计

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各钢材化学成分

I

II

I. 拉挤成型模具

II.冷却定型模具

牌号

化学成分 w%

C Mn Si Cr Mo S P

P20 0.28~0.40 0.60~1.0 — 1.4~2.0 0.3~0.55 ≤0.03 ≤0.03

T10A 0.95~1.04 ≤0.40 ≤0.35 ≤0.25 — ≤0.02 ≤0.03

25CrMo4 0.22~0.29 0.6~0.9 ≤0.4 0.90~1.2 0.15~0.3 ≤0.035 ≤0.025

5CrMnMo 0.50~0.60 1.2~1.6 0.25~0.6 0.50~0.9 0.15~0.3 ≤0.030 ≤0.030

进料根数对复合材料工字梁密度的影响

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不同预浸带进料根数下工字梁的密度 预浸带进料根数对弯曲性能的影响

拉挤成型模具温度对复合材料工字梁的影响

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拉挤成型模具温度对弯曲破坏载荷的影响 拉挤成型模具温度对屈服的影响

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冷却成型模具温度梯度对弯曲破坏载荷的影响 冷却成型模具温度梯度对屈服的影响

冷却定型模具温度梯度对复合材料工字梁的影响

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冷却成型模具温度梯度对弯曲破坏载荷的影响 冷却成型模具温度梯度对屈服的影响

拉挤速度对复合材料工字梁的影响

（1）以玻璃纤维质量含量为37%的GF/PP预浸带作为拉挤过程的原材料

时，实际预浸带进料根数为理论进料根数的1.17倍时最佳。

（2）拉挤过程的工艺参数为成型模具温度235℃ ，冷却成型模具温度梯

度65℃-85℃-125℃ ，制得的复合材料工字梁力学性能最优。

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破坏形式

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工字梁局部载荷下破坏形式

（a）腹板屈服（b）翼缘屈服

（a

）

（b）

预浸带及玻纤网格布排布示意图

（a）预浸带排布（b）加入网格布后排

布

网格布用量对工字梁的影响

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网格布用量对弯曲破坏载荷的影响 网格布用量对屈服的影响

1+3+1:翼缘3cm宽1根+腹板2cm宽1根+翼缘3cm宽1根

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网格布目数对弯曲破坏载荷的影响 网格布目数对屈服的影响

网格布目数对工字梁的影响

网格布排布方式对工字梁的影响

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玻纤网格布排布方式对弯曲破坏载荷的影响 玻纤网格布排布方式对屈服的影响

V:垂直排布;P:平行排布;F:网格布;S:斜纹

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网格布与预浸带横向排布时腹板屈服形变 网格布与预浸带纵向排布时腹板屈服形变

网格布排布方式对工字梁的影响

（1）翼缘和腹板处使用网格布用量为1根和3根，目数为8目时玻纤网格

布的补强作用最好。弯曲破坏载荷提升了6.0%，达到了5132 N。

（2）使用将腹板处的预浸带与翼缘处预浸带平行排布的方式进料可以

很好的改善工字梁的力学性能，避免层间剥离的发生，同时工字梁的屈

服时承载提高了6%，其弹性模量提高了10%。

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工字梁收缩

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工字梁腹板收缩纹

（a）正视图（b）俯视图 工字梁收缩应力示意图

（a

）

（b

）

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工字梁方向及尺寸示意图 工字梁各个部位的收缩率

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纳米SiO2含量对工字梁横向收缩的影响 纳米SiO2含量对工字梁竖向收缩的影响

纳米SiO2含量对工字梁的影响

纳米SiO2含量对工字梁的影响

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纳米SiO2含量对工字梁弯曲性能的影响 纳米SiO2含量对工字梁屈服的影响

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网格布对工字梁收缩率的影响

其他工艺对工字梁收缩率的影响

不同补偿段下工字梁的收缩纹变化

（a:50mm;b:65mm;c:75mm;d:85mm）

（1）通过添加纳米SiO2改善了其收缩率，在预浸带层间纳米SiO2质量含

量为2%时达到最优改善效果，使复合材料工字梁竖向收缩率从3.07%下

降到了1.15%，横向收缩率从1.57%下降到了0.23%。

（2）玻纤网格布也能对工字梁的收缩起到改善效果。8目网格布是综合

考虑力学性能和收缩率时的最优选择，竖向收缩率下降了15.49%，横向

收缩率下降了33.33%。

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吸湿率变化

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工字梁在模拟海水中的吸湿率随时间的变化图 工字梁在模拟雨水中的吸湿率随时间的变化图

N:未胶封

吸湿前后的力学性能变化

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海水腐蚀下GF/PP工字梁的弯曲性能 雨水腐蚀下GF/PP工字梁的弯曲性能

胶封对腐蚀后工字梁弯曲性能的影响

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a) b)

（a）海水腐蚀 （b）雨水腐蚀

（1）在海水中，经历168h后达到吸湿平衡；在雨水中，经历360h后达

到吸湿平衡。

（2）海水侵蚀后，工字梁力学性能下降了13.13%(V)，14.07%(P)，

9.32%(V-F) ， 6.01%(P-F) ； 雨 水 侵 蚀 后 ， 工 字 梁 力 学 性 能 下 降 了

3.15%(V)，2.65%(P)，3.44%(V-F)，4.97%(P-F)。

（3）切割面胶封能够有效降低吸湿率，减少其力学性能的损失。

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3 连续玻璃纤维增强热塑性复合材料

拉挤型材在光伏轻量化结构中的应用

⚫ 随着光伏发电的普及，特别是屋顶光伏的推广，光伏

组件对轻量化提出了更高的要求。

⚫ 目前光伏边框种类：铝合金边框、钢边框、复合材料

边框

⚫ 复合材料边框的优势：成本低、绝缘、轻质美观(所

用复合材料倾向于玻璃纤维增强聚氨酯)拉挤型材

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3.1 光伏组件边框等结构材料的发展

3.2连续玻璃纤维增强热塑性复

合材料拉挤型材在光伏结构应用

的优势

⚫ 力学性能优良，轻量化水平高

⚫ 可通过焊接来进行连接和装配，装配效率高

⚫ 生产过程无化学反应，过程清洁

⚫ 材料容易回收再生，可循环使用，绿色环保

⚫ 成本可控，有竞争优势

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3.3 连续玻璃纤维增强热塑性复

合材料拉挤型材在光伏结构应用

需要解决的关键问题

(1) 耐水性的改善，湿热稳定性的提升

◆ 填充硅灰石降低树脂的吸水能力及及吸水所带来变形

◆ 引入憎水基团或组分，阻止水分向材料内部的扩散，降

低树脂的吸水性

◆ 材料的致密化及断面封端憎水处理

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(2) 耐老化性能的提高

◆ 光老化性能的改善

多重抗光老化措施的组合，强化表层的屏蔽作用

◆ 热氧化性能的提升

不同类型的抗氧剂复配增效

◆ 海水、盐雾、酸雨耐受能力的提高

材料组成与配方优化，结合表面处理

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(3)成本与性能的平衡

◆ 一步法拉挤的高效率

◆ 低成本材料的添加

◆ 回收廉价树脂的利用

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