近年来，随着低碳、节能、环保等理念的加强，各行业对于材料的性能和制备过程提出较高的要求[1]。连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTPC)相比非连续纤维增强的热塑性复合材料，具有较好的力学性能，同时也比较环保[2-5]。目前，CFRTPC具有较好的比强度、比刚度、冲击韧性和可回收再利用等优势，在汽车制造、航空航天、能源化工等方面广泛应用[6]。通常情况下，CFRTPC的成型需要经过两个步骤，先制备其预浸料，再根据性能和应用要求制备成型制品[7]。但热塑性树脂熔融黏度较高，超过100 Pa·s，不利于其对连续纤维充分渗透浸渍以及在连续纤维中的均匀分布[8-9]。为了解决高黏度的热塑性树脂对连续纤维浸渍的难题，国内外的学者进行大量理论和实验研究，开发出多种纤维浸渍技术，如：反应浸渍法、熔融浸渍法、溶液浸渍法、粉末浸渍法、薄膜叠层法和纤维混编法等[10-12]。本研究通过介绍粉末浸渍法，总结近年来国内外关于粉末浸渍法制备CFRTPC预浸料的研究进展，对制备高性能CFRTPC预浸料技术的发展进行展望。1CFRTPC组成1.1增强纤维增强纤维作为CFRTPC的主要组成部分，其形态、含量和性能对复合材料的力学性能具有较大的影响[6]，增强纤维在CFRTPC中主要起承担外界载荷的作用。增强纤维的存在明显提高了复合材料的强度和刚度[13]。玻璃纤维、碳纤维和芳纶是制备CFRTPC的三种主要纤维[3]。1.2热塑性树脂热塑性树脂具有较多的种类，如通用树脂：聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等；特种树脂：聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)等[10]。其中大多数的热塑性树脂都可作为制备CFRTPC的基体材料，树脂基体对CFRTPC强度和加工性能起到了至关重要的作用。2粉末浸渍法Price[14]通过粉末浸渍法制备预浸料。粉末浸渍法是将热塑性树脂制成微米级粉末颗粒，将粉末状树脂通过不同的方式吸附到增强纤维表面，最后加热熔融制得预浸料[15]。按照粉末的状态可以分为湿法粉末浸渍和干法粉末浸渍[16]，但湿法粉末浸渍和干法粉末浸渍对粉末颗粒的直径有较高的要求，一般制成的树脂粉末颗粒的直径小于增强纤维的直径，才能够更好地保证粉末颗粒进入增强纤维之间的空隙[17]。2.1湿法粉末浸渍湿法粉末浸渍是指先将树脂粉末与表面活性剂、溶液或溶剂等物质混合制成分散均匀的悬浮液，当增强纤维经过悬浮液时，在表面活性剂的作用下树脂粉末将会吸附在增强纤维的表面，经加热除去溶剂并使树脂粉末熔融，待冷却、定型后即可制得预浸料[18]。Wang等[19]通过湿法粉末浸渍法，制备了玻纤增强聚苯硫醚(PPS/GF)复合材料。研究表明：随着GF含量的增加，注塑后产品表现更好的力学性能。Bigg等[20]通过湿法粉末浸渍法制备了玻纤增强聚丙烯(PP/GF)以及玻纤增强聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET/GF)复合材料预浸料，并采用热压成型制备了复合板材。结果表明：PP/GF复合板材的抗弯强度达到108 MPa，而PET/GF复合板材的抗弯强度达到132 MPa。Giraud等[21]以PEEK树脂为基体材料，聚醚酰亚胺(PEI)和PEEK低聚物的水乳液为上浆剂，制备了连续纤维增强PEEK热塑性预浸片材。Ramani等[22]将湿法粉末浸渍和拉挤成型相结合，对玻纤增强尼龙11(PA11/GF)和玻纤增强聚醚酮酮(PEKK/GF)预浸带在不同温度和牵拉速度下进行了等温拉挤实验。结果表明：温度和合模速率对预浸带在压缩成型中的固结性能具有重要的影响。Chen等[23]通过湿法粉末浸渍，制备了经纳米二氧化硅改性的碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK/CF)复合材料。结果表明：当纳米二氧化硅的添加量为2.5%时，PEEK/CF复合材料的层间剪切强度从72.2 MPa提高至83.5 MPa，提高了15.7%，其抗弯强度和模量分别提高13.9%和8.6%。Chen等[24]研究四种不同熔体流动速率的PEEK的流变行为。结果表明：成型压力对PEEK的熔体流动速率的影响程度大于温度对PEEK的熔体流动速率的影响程度，这将有助于PEEK树脂粉末充分浸润CF。Zhu等[25]利用两种不同性能的连续碳纤维（CCF1和CCF2）通过湿法粉末浸渍制备PEEK/CCF预浸带，并对不同PEEK/CCF预浸带的结构和性能进行研究。结果表明：当CF含量在50%~75%，PEEK/CCF1复合材料的抗拉强度随CF含量的增加而增加。但对于PEEK/CCF2复合材料，当CF含量为50%~65%，其抗拉强度随CF含量的增加而增加。当CF含量高于65%时，PEEK/CCF2复合材料抗拉强度将随CF含量的增加而下降。周晓东等[26]对湿法粉末浸渍法制备的连续玻纤增强聚丙烯(PP/GF)复合材料预浸料浸渍过程进行研究。结果表明：浸渍池内分散辊根数越多，预浸料纤维含量越高，加压辊数目越多，预浸料的孔隙含量越低。周晓东等[27-28]将连续PP/GF预浸料切割成PP/GF颗粒，对复合材料的注塑工艺进行探究。结果表明：PP/GF颗粒注塑制品的力学性能优良，且随着切割长度增加，材料的力学性能也得到提高。在注塑过程中，适当提高模具温度对材料的力学性能起促进作用。林旭东[29]通过湿法粉末浸渍技术，成功制备连续玻纤增强聚氯乙烯(PVC/GF)复合材料预浸片材，并基于体积守恒原理建立树脂粉末沉积模型。PVC/GF复合板材的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别为452 MPa、383 MPa和267 kJ/m2。此外，林旭东等[30]还研究了牵引机的牵引速度、树脂粉末悬浮液的浓度等因素，对预浸料中纤维含量的影响。结果表明：预浸料中纤维含量随着牵引速度的增加而增加，随着树脂粉末悬浮液浓度增加而降低。当树脂粉末悬浮液浓度超过15%，其浓度将不再对预浸料中纤维含量产生明显影响。Wang等[31]为了实现连续玻璃纤维(GF)在聚氯乙烯(PVC)中的应用，将湿法粉末浸渍技术引入PVC/GF复合材料的制备，以提高PVC产品的力学性能。研究成型温度、成型压力和停留时间等工艺条件，对样品力学性能的影响。结果表明：在成型温度为160 ℃、成型压力为6 MPa、保温时间为10 min的条件下，样品的力学性能最佳。张坚等[32]通过湿法粉末浸渍工艺，制备了连续碳纤维增强尼龙12(PA12/CF)预浸带。结果表明：PA12/CF的最大拉伸强度达到1 935 MPa。同时，经亲水性表面活性剂处理的CF能够使PA12树脂粉末均匀吸附在CF的表面和内部。Li等[33]基于表面张力法，研究表面活性剂和浓度对PEEK粉末分散效率的影响，以提高连续玻纤增强聚醚醚酮(PEEK/GF)预浸料生产的安全性和稳定性。王杰[34]通过自制的湿法粉末浸渍装置，成功制备连续碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK/GF)复合材料预浸带，研究了纤维含量、张紧力、CF热处理对预浸带的影响。结果表明：当预浸带纤维含量74%时，预浸带的拉伸强度能够达到1 934.08 MPa，是PEEK树脂的21倍。拉伸强度大幅度提高是因为CF在复合材料中起承受载荷的作用。郑利杭等[35]采用粉末浸渍试验装置制备连续碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK/GF)预浸带，再将预浸带通过热压模塑成型制备层合板材。研究纤维含量和预浸带铺放方式对板材力学性能的影响。结果表明：在一定范围内PEEK/GF板材的弯曲强度、冲击强度随着纤维含量的增大而提高，拉伸强度达1 124.89 MPa，约是PEEK的11倍。预浸带中纤维含量为60%的板材力学性能相对最优。通过SEM观察板材断面，发现纤维被树脂基体紧密包覆，纤维分散均匀、排列紧密、界面黏结性较好。2.2干法粉末浸渍干法粉末浸渍通常利用气体流化和静电吸附的方式，使树脂粉末吸附在增强纤维的表面以及纤维之间，通过加热使粉末熔融从而制得预浸料[36]。干法粉末浸渍与湿法粉末浸渍相比优势为：（1）在生产预浸料时，不需要先配置树脂粉末的悬浮液，材料方面更简单，仅用到连续纤维束和树脂粉末。（2）加热过程所需时间更短，树脂粉末不易降解。（3）生产过程无须溶液或溶剂，更有利于环保。（4）生产过程更加高效。Padaki等[37]建立了一个预测聚合物粉末预浸带固结条件的数学模型，以此研究树脂粉末粒径对预浸片材制品的影响。结果表明：当树脂粉末粒径越小，粉末浸渍过程中有利于预浸片材的固结。Goud等[38]介绍一种通过静电喷枪将树脂粉末完全浸入纤维的方法，研究静电喷涂过程中电晕电压、流化气压、输送气压及枪束距离等工艺变量对粉末最大沉积量的影响。法国Fibroline公司开发了一种干法粉末浸渍技术，该技术通过强交变电流较好地实现热塑性树脂粉末浸渍纤维[39]。Barletta等[40]研究表明：在静电粉末流化床工艺中，通过增加电压和空气流量，树脂粉末涂层厚度显著增长。Zaniboni等[41]为了实现耐高温尼龙(PPA)树脂粉末浸渍连续碳纤维束，开发了一种静电粉末喷涂浸渍工艺，并对材料体系进行表征。Nassir等[42]为了研究玻纤增强聚醚酮酮(PEKK/GF)复合材料的抗穿孔强度，采用干法粉末浸渍法制备了PEKK/GF复合材料预浸料，通过建立多种有限元模型，以预测PEKK/GF复合材料受到不同直径和形状弹丸撞击时的响应。结果表明：当PEKK质量分数为40%时，PEKK/GF复合材料的抗拉强度和抗穿孔强度均达到最优值。Miller等[43]通过干法粉末浸渍，制备了玻纤增强聚苯硫醚(PPS/GF)复合材料板材，并通过固结模型预测了该复合材料板材在固结过程中，孔隙的体积分数随压力变化的时间演化规律。结果表明：该模型的预测结果与实验数据具有良好的相关性。Ramani等[44]采用一种新型的静电粉末浸渍技术制备了PEKK/GF复合材料，研究了树脂粉末的质量流率、电晕电压和纤维束速度等因素对树脂粉末沉积量的影响。为了提高树脂粉末在纤维上的含量。Silva等[45]在原有的粉末涂层生产线中加入了一个纤维加湿装置。与原来的粉末涂层设备相比，新型粉末涂层设备提高了预浸料中聚合物含量的均匀性，使纤维与树脂粉末之间更具有吸附性。新型粉末涂层设备可制备PVC含量为50%的PVC/GF复合材料预浸料。Rath等[46]以尼龙12(PA12)作为基体，连续芳纶纤维为增强体，通过干法粉末浸渍制备了纤维体积含量在20%~50%的连续芳纶纤维增强PA12复合材料预浸料。Kechaou等[47]通过干法粉末浸渍制备了大麻纤维增强聚丙烯(PP/HF)复合材料，并研究了PP/HF复合材料界面对其力学性能和介电性能的影响。结果表明：当纤维干燥后会加强纤维/基体界面的负载转移，更利于电荷的扩散。国内也有很多研究者在干法粉末浸渍技术方面进行了大量的理论与实验研究，通过创新设备以及工艺，制备出高性能的CFRTPC预浸料。张凤翻等[48]介绍了一种静电粉末预浸机，该设备装有β射线仪，借助微机闭环控制预浸料树脂含量。通过该预浸机制备的PEEK/CF帘子布复合材料预浸料，树脂含量控制精度可达±3%，可制备最大工作宽度300 mm的单向织物预浸料。季涛等[49]以PP、PA6为基体，连续GF为增强纤维，利用流化床浸渍技术制备了PP/GF、PA6/GF复合材料。通过正交试验的方法，探究了静电压、气流压力和浸渍时间对复合材料中纤维含量的影响。结果表明：浸渍时间影响最显著，而静电压的影响程度最小。胡祖明等[50]采用干法粉末浸渍技术，制备了连续玻纤增强低密度聚乙烯(GF/LDPE)预浸带材，研究了浸渍过程中各参数对GF/LDPE预浸带材中纤维含量的影响。结果表明：压辊间距越大，材料中纤维含量越低。随着装置中线上张力不断增大，材料中纤维含量呈现先增大后减小的趋势。李华宙[51]通过粉末流化浸渍法，制备了连续碳纤维增强聚丙烯(PP/CF)复合材料预浸带，并建立了熔融PP树脂粉末浸润CF丝束的时间模型。结果表明：实验得出的数据结果与模型的变化规律趋于一致。周晶晶[52]采用干法粉末浸渍技术制备了连续碳纤维增强尼龙6(PA6/CF)和连续碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK/CF)复合材料预浸带，并探究了树脂粉末质量分数、压力、温度等因素对复合材料预浸带拉伸性能的影响。董特等[53]通过正交试验法研究了碳纤维在静电作用下吸附尼龙12(PA12)树脂粉末量的影响因素及规律。结果表明：吸附时间对吸附树脂粉末量影响程度最大，而静电压对其影响程度最小。Zhai等[54]将通过干法粉末浸渍法制备的连续玻纤增强聚苯硫醚(PPS/GF)复合材料预浸料切割成颗粒，对注塑成型后的PPS/GF复合材料在不同温度下的力学性能进行测试。结果表明：随着温度的升高，PPS/GF复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量均显著降低。温度为85 ℃下PPS/GF复合材料缺口冲击强度高于温度为25 ℃和205 ℃时PPS/GF复合材料的缺口冲击强度。3结论预浸料作为制备CFRTPC的中间材料，其制备工艺和质量对CFRTPC性能会产生重要的影响。热塑性树脂熔融黏度高，很难充分浸润纤维是制备CFRTPC预浸料的主要难题。为了提高热塑性树脂浸渍纤维的程度，制备性能优异的CFRTPC预浸料，浸渍方式的选择和工艺参数的确定尤为重要。熔融浸渍法需要借助高温条件实现浸渍过程，受温度影响较大，同时也受到树脂熔融状态的影响。而溶液浸渍法需要先配制能够溶解热塑性树脂的溶液，但大部分的热塑性树脂较难找到合适的溶剂，且溶液浸渍法对于溶剂的处理会对环境造成污染。薄膜叠层法受到加工温度和压力的影响较大。对于纤维混编法，混编过程中若纤维与树脂之间张力不均匀，容易导致纤维丝束断裂，从而影响制品的质量。粉末浸渍法中干法粉末浸渍相比其他浸渍方法具有较多优势，不依赖于树脂熔体黏度，制备预浸料的过程中受温度、压力影响较小，且不需要配制溶液或溶剂，加工过程更加环保，对于超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以及PVC这类熔融状态时几乎无黏流态的热塑性树脂也能够较好增强纤维。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.10.024.F001