2011年全球高性能熱塑性復合材料發(fā)展狀況
塑料注塑技術和工程高速發(fā)展的今天，對新材料的要求也達到了很高的要求。特別以是熱塑性塑料為基體的復合材料已經成為復合材料大家庭中重要的一員。對于聚合物材料的聚合改性，技術難度高，需要長時間的基礎知識積累和大量而煩瑣的實驗來實現。但是如果利用無機填料和各類金屬填料或者高聚物填料來對原有的材料進行復合改性的話，進度快，見效好，成本低，且配方靈活易為客戶提供多種解決方案。聚合物基體的復合材料改性已經在各類高端領域取得很好效果，且在工業(yè)領域和民用領域也已經得到非常廣泛且有效的應用。
熱塑性樹脂基復合材料是20世紀80年代發(fā)展起來的，由于可以回收利用，所以在復合材料總量中的比例呈逐年增長趨勢。主要品種有長纖維增強粒料（LFP）、連續(xù)纖維增強預浸帶（MITT）和纖維熱塑性片樹（GMT）。根據使用要求不同，樹脂基體主要有PP、PE、PA、PBT、PEI、PC、PEI、PES、PEEK、PI、PAI等熱塑性工程塑料，纖維種類包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等一切可能的纖維品種。
歐美發(fā)達國家熱塑性樹脂基復合材料占樹脂基復合材料總量的30%以上。2000年酉歐熱固性樹脂基復合材料產量為106萬噸，熱塑性復合材料為54萬噸，占樹脂基復合材料總量的34%。
高性能熱塑性樹脂基復合材料以注射件居多，基體以PP、PA為主。產品有管件（彎頭、三通、法蘭）、閥門、葉輪、軸承、電器及汽車零件、擠出成型的管道、GMT（熱塑性片狀模塑料）模壓制品如吉普車座椅支架、汽車踏板、座椅等。玻璃纖維增強聚丙烯在汽車中的應用包括通風和供暖系統(tǒng)、空氣過濾器外殼、變速箱蓋、座椅架、擋泥板墊片、傳動皮帶保護罩等。
滑石粉填充的PP具有高剛性、高強度、極好的耐熱老化性能及耐寒性。滑石粉增強PP在車內裝飾方面有著重要的應用，如用作通風系統(tǒng)零部件。儀表盤和自動剎車控制杠等。汽車裝磺類零部件多用于普通PP和添加滑石粉等無機填充材料的復合聚丙烯。美國HPM公司用20%滑石粉填充PP制成168m2、重5kg的蜂窩狀結構的吸音天花板和轎車的搖窗升降器卷繩筒外殼。
云母復合材料具有高剛性、高熱變形溫度、低收縮率、低撓曲事、尺寸穩(wěn)定以及與金屬相比的低密度、低價格等特點，利用云母/pp復合材料可制作汽車儀表盤、前燈保護圈、擋板罩、車門護欄、熱鬧外殼、電機風扇、百葉窗等部件，利用該材料的阻尼性可制作音響零件，利用其屏蔽性可制作蓄電池箱等。
目前豐田汽車工業(yè)公司與三菱化學公司共同開發(fā)成功的PP/EPR/滑石粉納米復合材料制造汽車的前、后保險杠，已于1991年實現了商用化，由此豐田汽車上的保險杠厚度可以由4mm減少到3mm，質量約減輕1/3。豐田公司在1994年又開發(fā)出用于汽車內裝飾的TSOP－2、TSOP－3等納米復合材料。
對于熱塑性復合材料如PA、PP等一般基體，由于其耐熱性差一直未能得到普及應用。近年來，一方面通過對現有熱塑性樹脂的改性，另一方面開發(fā)高性能熱塑性樹脂如PPO、PEEK、PEI、PPS、PSF等，使得熱塑性復合材料的應用越來越多。
我國的熱塑性樹脂基復合材料開始于20世紀80年代末期，近三十年來取得了快速發(fā)展，2011年產量達到23萬噸，約占樹脂基夏合材料總產量的24%，與發(fā)達國家尚有差距。所用的基體材料仍以PP、ABS，PS，PET為主，增強材料以玻璃纖維為主，少量為碳纖維，在熱塑性復合材料方面未能有重大突破。我國納米科技為聚合物改性及應用提供了良好的機遇，如納米改性PA等，但目前仍存在復合體系單一，工業(yè)化程度不高，大多數只處于實驗室研究階段，沒有完全推廣實用，聚合物納米復合材料所具備的特性和潛能，在今后很長一段時間內都要靠納米科技開創(chuàng)先河和提高。
樹脂基復合材料采用的增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等。
（1）玻璃纖維。目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。20世紀50年代末美國首先研究開發(fā)成功了高強度玻璃纖維（S－994），迄今為止，世界上僅有美、法、日、俄、加及我國六個國家能生產高強度玻璃纖維。由于高強度玻璃纖維性能價格比較優(yōu)，以年增長率10%以上的速度發(fā)展。1991年西方各國的總產量已達到480噸，目前估計已在5000噸以上。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用?******??方面，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優(yōu)異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主知識產權，形成了小規(guī)模的產業(yè)，現階段年產可達500噸。
（2）碳纖維。碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據預測碳纖維復合材料在近年內還將擴大開辟新的應用領域，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規(guī)模采用工業(yè)級碳纖維。1997～2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長率估計會達到130%。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經表面處理、價格偏高等。
（3）芳綸纖維。1972年美國杜邦公司研究開發(fā)成功的全對位芳香族聚酰胺名為Kevlar的商品正式用于高性能夏合材料。1972年的產量僅為45噸，到1977年就增加到4200噸，1982年上升到21000噸，年增長速度為20%。20世紀80年代以來，荷蘭、日本、前蘇聯也先后開展了芳綸纖維的研制開發(fā)工作。荷蘭AKZO公司的子公司恩卡公司的"Twaron"系列纖維在1986年的年生產能力為1000～2000噸，預計2000年能達到15000噸的能力。日本帝人公司及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場，年增長速度也達到20%左右。芳綸纖維比強度、比模量較高，因此被廣泛應用于航空航天領域的高性能復合材料零部件（如火箭發(fā)動機殼體、飛機發(fā)動機艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運輸帶、體育運動器材等。
（4）超高分子量聚乙烯纖維。目前市場上出售產品主要有美國Ailled公司的Spectra900和1000、DSM（荷）－Toyoba（日）聯合生產的Dyneema SK60以及Mitsui（日）公司的Tekmilon I等。超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學試劑侵蝕和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性，許多國家已用它來制造艦艇的高頻聲納導流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。在海上油田應用的高性能輕質復合材料方面都顯示出極大的優(yōu)越性，除在軍事應用領域發(fā)揮舉足輕重的作用外，在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運動器材等領域也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了世界發(fā)達國家的極大興趣和重視，美國1989年增長率為26%，遠遠高于其他高性能纖維。芳綸纖維、高分子量聚乙烯纖維在國內迄今均未實現商品化。盡管在1972年我國就開始研究芳綸纖維，1981年2月與1985年底分別對芳綸工、芳綸Ⅱ進行了技術鑒定，其高純度料塊在南通合成樹脂廠試制、由上海合成纖維研究所拉制成纖維，由于單絲直徑均勻性、集束性方面均存在一些問題，到20世紀90年代初的產量也僅為幾噸，與國外的差距很大。
21世紀高性能樹脂基復合材料技術是賦予復合材料自修復性、自分解性、自診斷性、自制功能等為一體的智能化材料。以開發(fā)高剛度、高強度。高濕熱環(huán)境下使用的復合材料為重點，構筑材料、成型加工、設計、檢查一體化的材料系統(tǒng)。組織系統(tǒng)上將是聯盟（如美國汽車聯盟）和集團化。這將更充分的利用各方面的資源（技術資源、物質資源），緊密聯系各方面的優(yōu)勢，以推動復合材料工業(yè)的進一步發(fā)展。