缠绕成型是将浸过树脂胶液的连续纤维或者布带,按照一定规律缠绕在芯模上,然后固化脱模成为制品的工艺过程,其具有生产效率高、可设计性强、精度高等优势。缠绕成型常以热固性树脂基体和人工合成纤维为原料,然而天然纤维来源广泛、价格低廉、节能环保且具有较佳的比强度、比模量,目前在大多数研究已经证明,天然纤维具有替代人工合成纤维的潜力。热塑性树脂相对热固性树脂具有耐损伤、耐冲击、耐化学和溶剂、保存期长、储存成本低、可焊接和可回收等优点。本文选取麻、竹纤维作为聚丙烯(PP)的增强体制备热塑性预浸带,提出在兼顾PP基体自身力学强度的前提下,采取高熔融指数的PP解决热塑性树脂黏度大难浸渍的问题;并采用漆酶和碱处理纤维以提高树脂基体与天然纤维的相容性。此外,自主研发的预制卷工艺可实现长天然纤维增强热塑性预浸带的制备。通过考察物理力学性能、流变性能、热性能和化学特性等系统地研究了新型预浸带的制备工艺与成型原理,并进行了理论模型分析。论文主要研究内容和结论如下:1.通过纤维改性和PP基体优化提高黄麻纤维/PP预浸带性能的研究针对生物质纤维与热塑性树脂相容性差、热塑性树脂熔体粘度大难以渗透到纤维绳内部的问题,采用碱和漆酶两种药剂处理黄麻捻绳,改善黄麻捻绳与PP间的相容性。同时选取熔融指数(MFI):10.9 g/10 min、27.8 g/10 min 和 50.0 g/10 min 的三种 PP 进行浸渍试验,以确定最佳的浸渍用PP基体。结果表明,碱处理和漆酶处理均能使纤维表面粗糙化,降低纤维表面极性,有效地提高了黄麻捻绳与PP间的界面结合强度。但过度的碱处理会去除半纤维素、木质素和果胶等成分,造成纤维自身强度损失较大。漆酶处理条件比较温和,且只作用于木质素,在较大程度维持黄麻捻绳自身强度前提下使预浸带的拉伸和动态力学性能得到了明显改善。浸渍到黄麻捻绳中的PP量随着MFI的增大而增加,但MFI较高的PP力学性能较差,因此,需要平衡浸渍效果与PP的拉伸强度。综合各项性能测试结果,采用漆酶处理的黄麻捻绳增强MFI为27.8 g/10 min的PP,所制备出的预浸带具有较高的储存模量、损耗模量和拉伸性能。根据模拟公式计算,用这种预浸带缠绕的管道公称压力可达 2.88 MPa(GB/T 13663-2000 要求的公称压力为 2.3MPa)。2.通过挤压成型制备竹原纤维/PP复合材料的工艺技术和性能研究增加纤维长度可以明显改善复合材料的力学性能,但随着纤维长度的增加逐渐产生纤维缠结、与热塑性颗粒混合不均匀、进料困难等问题。因此,研究开发以PP膜为载体将纤维卷起,通过制备预制卷实现长度在40mm以上竹原纤维与PP的预混合、熔融共混及成型。重点研究了两种纤维长度(3-20mm和40-120mm)、三种纤维/PP配比(3:7,4:6,5:5)、两种转子(楞较多、楞旋转角度大的roller转子和楞少、楞旋转角度小的banbury转子)对复合材料性能的影响,并分析预制卷熔融混合过程优化长纤维增强复合材料制备技术。结果表明,在熔融混合过程中,长竹纤维明显地被双螺杆转子剪短,两种转子中,转子楞少,楞旋转角度小的banbury转子对竹原纤维损伤较小,保留下来的纤维长度较大,制备出复合材性能较高,更具有混合长纤维复合材料的潜力。长竹纤维对复合体系的增强作用明显优于竹粉,但是长竹纤维易团聚,因此其添加量的控制极为关键。较长的竹原纤维在添加量为40%时,纤维的分散和取向效果较好,有效地限制聚丙烯的运动,提高复合材料的储存模量和拉伸性能。竹原纤维长度对复合材料的吸水变形影响不显著,较长的竹原纤维可以有效降低复合材的热膨胀变形和蠕变变形。3.通过纤维改性提高竹原纤维/PP预浸带性能的研究改善天然纤维与热塑性聚合物间的界面相容性一直是天然纤维增强热塑性聚合物复合材料的研究热点和难点。采用绿色环保、专一、处理条件温和的漆酶对竹原纤维进行处理,改善竹原纤维与PP基体间的界面结合强度,漆酶/竹纤维的配比分别为40U/g,50U/g 和 60U/g。研究结果表明,漆酶可以氧化竹纤维表面木质素,降低表面极性,增加表面粗糙度,从而改善竹纤维与PP基体间的界面结合,提高了复合体系的复数黏度,储存模量和损耗因子。但漆酶用量高,会造成微纤丝集束之间结合疏松,削弱纤维自身强度。当漆酶用量为50U/g竹纤维时,竹原纤维自身强度损失较小,PP预浸带的拉伸性能最佳,纵向拉伸强度为58.72MPa,拉伸模量为2.17GPa,环向拉伸强度为114.58GPa,断裂伸长率为21.33%。竹纤维经漆酶处理后还提高了预浸带的弯曲柔量,抑制了预浸带的热膨胀变形和蠕变变形,热稳定性提高。4.竹原纤维增强PP复合管缠绕工艺探索及性能模拟分析热塑性基体随温度升高所能承受的拉力逐渐降低,而非连续的竹原纤维也不能承载加热缠绕时所需要的缠绕张力。因此,非连续性竹原纤维增强预浸带难以采用常规的加热熔融缠绕工艺制备复合管或者环。针对缠绕成型问题,研究开发了“无张力热缠绕”和“冷缠绕”技术制备竹原纤维增强PP复合环。测试了环拉伸和环刚度性能,并通过有限元建模对复合环环拉伸和环刚度测试时的应力和应变分布进行理论分析。结果显示,两种缠绕方法均可以实现竹原纤维增强PP复合环的制备,且对环拉伸强度和环刚度性能没有明显影响。环刚度可达到行业标准QB/T1916-93报批的国家标准中管材管件公称环刚度分级中的S2级。有限元模拟分析结果表明,环拉伸时,竹纤维和PP基体的应力和应变都集中在平行于拉力方向的环两侧,竹纤维承受的最大应力明显大于PP基体,应变小于PP基体。当复合环受压力时,应力主要集中在复合环的上下两端,其次是左右两端。纤维应力分布区域大于PP基体的应力分布区域,这是纤维之间应力能够有效传递的结果。综上结论,可以从两个方面优化复合环的力学性能:(1)协调树脂基体与增强纤维间的应变差异,从而减小因应变不一致产生的应力集中;(2)改善树脂基体与增强纤维间的界面结合,使界面相能实现树脂和纤维间应力的有效传递,从而达到树脂基体和增强纤维的相互约束。