FRTP材料在土木工程制品中技术方案

1　前言
　 FRTP(纤维增强热塑性FRP)源于50年代。*一代FRTP材料为短纤维增强的FRTP材料，第二代为中长纤维增强的FRTP材料，第三代为连续纤维增强的FRTP材料。现在FRTP已占世界整个纤维增强塑料产量的30％，且年增长率达到20％以上，远超过FRSP的发展。FRTP所以获得如此高速的发展，是因为FRTP比FRSP在基本性能和工艺性能等方面具有明显的优势：良好的韧性和耐热性能；由于热塑性树脂的塑化过程仅为物理变化，在加热时可在分子结构不变情况下发生变形，故可重复或二次加工，生产周期短、生产效率高；优良的耐药品、耐水、耐辐射和电气性能；贮存期长，施工环境好等。
　　目前，土木工程结构中不论是对结构进行加固还是增强所使用的FRP筋、板等材料普遍采用连续纤维FRSP材料。但FRSP材料存在整体柔韧性较差、破坏没有预兆、界面粘结性能差、污染环境等问题。再者，FRSP材料不具有二次成型的特点，使得结构中许多特殊形式不易实现，如箍筋等。同时；热固性FRP材料不论是筋还是板多为预制使用，在现场基本没有再加工能力。
　　除了拥有和FRSP材料的轻质高强、耐久性好、耐电磁干扰等相同的优点，FRTP材料还具有机械性能好、抗冲击性好、坚硬而有韧性、化学稳定性好、成型速度快并周期短、具有多次可加工性等诸多优异性能。
2　FRTP材料的生产工艺
2.1　原材料
2.1.1　增强纤维
　　同FRSP材料一样，增强纤维决定FRTP*终机械性能。所选用的增强材料包含：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及混杂纤维。近年来，一种新型的矿物纤维—玄武岩纤维由于与混凝土有天然的相容性也引起了人们的广泛关注。由于热塑性树脂一般表面极性比较小，所以选择纤维的同时要考虑对纤维表面进行处理，以增强纤维与树脂的浸润和粘结效果。常用的方法是添加能与复合材料的增强剂和树脂基体两者起反应、在界面上形成很强的键的化学物质即偶联剂。
2.1.2　热塑性树脂
　　热塑性树脂的选择及改性在整个研究过程中是*基本也是*重要的部分。它在复合材料中起着粘结纤维、传递荷载、保证增强纤维有一定的取向、保护纤维免受磨损的作用，同时还决定了FRP的强度、加工性能和耐腐蚀性。热塑性树脂的品种很多，在研制FRTP筋时，树脂的选择除了要具备良好的机械性能、耐久性外，还应考虑到成型加工温度及经济效应。

　　国内外常用的热塑性树脂有：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚酰胺一酰亚胺(PA1)、丙烯腈一丁二烯一苯乙烯(ABS)、聚酰亚胺(PI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚矾(PES)和聚醚酮(PEK)等。表1列出了一些热塑性树脂的热性能数据。
　　考虑到土木工程工业应用时的生产成本、对环境有无污染以及热变形温度、加工温度等因素，聚丙烯、尼龙等可以作为合适的树脂基体进行FRTP筋、板、管的试验研究，而一些对耐火及特定强度有要求的构件可以考虑使用成本较高的高性能热塑性树脂。同时考虑添加适当的添加剂和其它树脂组分对树脂基体进行改性，作为提高树脂流动性能的途径。通常在聚丙烯中添加少量的有机硅润滑剂、硬脂酸盐，可使熔体流动性提高。
2.2　FRTP的浸渍工艺及成型工艺
　　根据增强纤维长度的不同(短纤维、长纤维、连续纤维)，FRTP的基体浸渍工艺主要包括：溶液法、熔融法、薄膜镶嵌法、流化床法、混合纱法、悬浮熔融法、Atochem法等。成型工艺主要包括：隔膜成型工艺、热压成型、树脂注入成型、拉挤成型、缠绕成型等。
　　在诸多的成型工艺当中，拉挤成型是适应土木工程用制品生产(如：筋、板、管)*合适的成型工艺。FRTP的拉挤成型工艺与FRSP基本相似。只要把进入模具前的纤维浸渍工艺加以改造，生产热固性玻璃钢的设备便可使用。
　　由于热塑性树脂熔体的粘度大，并且表面极性低，造成纤维浸渍困难，因此国内外科研人员研究工作的重点长期集中在浸渍技术方面，各种不同拉挤工艺的根本区别也在浸溃方法和浸渍工艺的不同。总体来说，可根据浸渍技术把热塑性复合材料拉挤工艺分为非反应型拉挤工艺和反应拉挤工艺两大类，如图1所示。生产FRTP拉挤产品的增强材料有两种：一种是经过浸胶的预浸纱或预浸带，另一种是未浸胶的纤维或纤维带。
　　Twintex纤维是在玻纤拉丝的同时用挤出机将树脂(如聚丙烯)通过模头形成有机纤维，两种纤维掺混排列在一起形成一种混合无捻粗纱，在这种混合粗纱中，玻纤纱含量可达60％一75％。这种无捻粗纱可以织成方格布或制成针刺织物，通过加热使有机纤维熔化成树脂基材，从而使玻璃纤维与树脂固结在一起，可以通过模压工艺将其制成模压制品，混合无捻粗纱也可以用拉挤工艺制成型材。目前，国际上仅有法国Vetrotex与德国JM两家公司能够生产。Twintex,这种被称为“革命性的热塑性FRP”，已经在欧美成功地应用于建筑、汽车和船艇等设备上。
　　我国现在无法实现Twintex的进口，不过，我国在2002年已将Twintex这种纤维的研究列为863计划项目，由华东理工大学和泰山玻璃纤维有限公司共同承担，并已在2005年11月30日通过专家组评审通过，但走向商品化还要经过一段时间。
　　从目前情况来看，非反应型工艺是主体，价格低廉、应用广泛，相对来讲也比较成熟。FRTP拉挤工艺如图2所示。


3　FRTP与FRSP的物理力学性能
　　土木工程建设过程中，虽然预制不同形状的材料能够满足通常的需要，但某些特殊情况下则要求材料要有现场的二次成型能力，即在施工现场根据结构的要求将材料制成弯曲的筋或板，这正是FRSP材料所不具备、但FRTP材料所拥有的优点。同时FRTP材料的耐冲击性也要好于FRSP材料。表2和表3是生产FRP的几种常用纤维和树脂性能比较。



　　Twintex纤维主要类型及力学性能见表4所示。
　　以*常见的FRTP及FRSP两种材料—玻璃纤维增强聚丙烯及玻璃纤维增强环氧树脂为例，对两者的物理力学性能进行比较，结果见表5所示。


　　从表5可以看出，由于成型工艺造成纤维含量差异，引起一些力学性能的差异很大，但两者可以很好的互相弥补缺点，因此，在土木工程的某些要求耐腐蚀结构中，应用FRP筋代替钢筋，将PRTP与FRSP两种材料配合使用，能够很好的满足工程建设需要，达到一个更好的效果。
4　FRTP材料在土木工程中的应用
　　目前，国外的一些公司已经生产出主要应用于土木工程的FRTP材料，主要有以下几种。