國產(chǎn)芳綸紙蜂窩涂膠工藝研究

劉文品，馬建忠，楊進(jìn)軍，史湘寧

(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300)

芳綸紙蜂窩是芳綸紙經(jīng)涂膠、疊合、熱壓、切邊、拉伸、定型、浸膠、固化等一系列復(fù)雜工藝而制作成特殊結(jié)構(gòu)的蜂窩芯材，是高強(qiáng)度和高模量的芳綸增強(qiáng)的先進(jìn)復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、阻燃、耐高溫、低介電損耗等眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和其他多個(gè)民用領(lǐng)域中。芳綸紙蜂窩依據(jù)芳綸紙的種類可以分為間位芳綸蜂窩、對(duì)位芳綸蜂窩及鄰位芳綸蜂窩。目前，間位芳綸蜂窩是市場上最常見的芳綸紙蜂窩[1–7]。

涂膠工序在蜂窩芯材制造流程中處于第一道工序，主要是將芯條膠轉(zhuǎn)印在芳綸紙上，涂膠輥參數(shù)、芯條膠的黏度及涂膠速度是涂膠工藝的主要參數(shù)，對(duì)蜂窩疊層板固化后的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度有重要的影響，并且涂膠質(zhì)量的好壞直接影響拉伸、定型及浸膠工序，以及產(chǎn)品的質(zhì)量[8–10]。

芳綸紙作為蜂窩的關(guān)鍵材料，芳綸紙的結(jié)構(gòu)與性能對(duì)蜂窩制造工藝和性能有著重要的影響[11–12]。筆者采用國產(chǎn)紙X612N 型芳綸紙于進(jìn)口T412 型芳綸紙，分析了國產(chǎn)X612N 芳綸紙的特點(diǎn)，提出了芳綸紙透氣度與蜂窩涂膠工藝參數(shù)的理論模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步拓寬國產(chǎn)芳綸紙?jiān)诜涓C領(lǐng)域應(yīng)用提供工藝指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1．1 主要原材料

國產(chǎn)間位芳綸紙：X612N–2 mil，超美斯新材料股份有限公司；

進(jìn)口間位芳綸紙：T412–2 mil，杜邦公司；

芯條膠：J80B，黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院。

1．2 主要設(shè)備及儀器

定量取樣器：ZY–DL100 型，山東中儀儀器有限公司；

電子天平：JJ2000B 型，常熟市雙杰測試儀器廠；

厚度儀：J–DHY03A 型，四川場景造紙儀器有限責(zé)任公司；

可勃測定儀：SKZ109 型，濟(jì)南恒品機(jī)電技術(shù)有限公司；

透氣度測定儀：ZQX–1000 型，長春實(shí)永新試驗(yàn)儀器有限公司；

掃面電鏡：JCM–6000Plus 型，日本電子株式會(huì)社；

蜂窩涂膠機(jī)：DSXR–TJ–900 型，北京東晟新銳公司；

萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：CMT 5205 型，美國MTS／美斯特公司。

1．3 樣品制備

采用J80B 芯條膠在X612N–2mil 規(guī)格芳綸紙和進(jìn)口T412–2 mil 型芳綸紙上涂孔格邊長1.83 mm 的膠條，裁切15 mm 寬度樣條，制作出孔格邊長1.83 mm 的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度測試試樣。

1．4 性能測試

(1)芳綸紙性能對(duì)比。

采用國產(chǎn)X612N–2 mil 型芳綸紙和進(jìn)口T412–2 mil 型芳綸紙，測試了芳綸紙的厚度、定量、吸水性、透氣度、表面形貌，通過涂膠工藝試驗(yàn)，在疊層板壓制，測試兩種芳綸紙的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，在疊層板拉伸及定型后，測試白蜂窩(未浸膠的蜂窩塊)密度，主要測試方法如下：

芳綸紙厚度：按GB／T 451.3–2002 進(jìn)行芳綸紙厚度的測試，測試儀器為厚度儀。

芳綸紙定量：按GB／T 451.2–2002 進(jìn)行芳綸紙定量的測試，測試儀器為定量取樣器和電子天平。

芳綸紙吸水性：按GB／T 1540–2002 進(jìn)行芳綸紙吸水性的測試，測試儀器為可勃測定儀。

芳綸紙透氣度：按GB／T 458 –2008 進(jìn)行芳綸紙透氣度的測試，測試儀器為透氣度測定儀。

節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度：按照J(rèn)C／T 781–2006 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度測試，測試設(shè)備為萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

(2)涂膠工藝模型建立及驗(yàn)證。

根據(jù)國產(chǎn)X612N–2 mil 型芳綸紙的特點(diǎn)，選擇不同透氣度的芳綸紙進(jìn)行涂膠試驗(yàn)，選定涂膠工藝主要參數(shù)涂膠速度、膠液黏度。結(jié)合蜂窩制造過程中節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的要求，按照透氣度、涂膠速度及節(jié)點(diǎn)膠黏度三者單一變量的條件下，按照J(rèn)C／T 781–2006測試涂膠后疊層板壓制后的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，得到透氣度／涂膠速度／節(jié)點(diǎn)膠黏度關(guān)系理論模型，進(jìn)一步可得到工藝適合區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)選擇工藝參數(shù)，測試壓制后疊層板的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，驗(yàn)證理論模型。

2 結(jié)果與討論

2．1 國產(chǎn)X612N 芳綸紙與進(jìn)口T412 芳綸紙性能對(duì)比

芳綸紙是一種由高強(qiáng)度間位芳綸制成的膜狀材料，結(jié)構(gòu)致密，表面平滑，柔韌性好，具有良好的抗張和抗撕裂性能。尺寸穩(wěn)定性好，比強(qiáng)度高，是一種性能優(yōu)越的非金屬蜂窩結(jié)構(gòu)原材料。芳綸紙的分子是由酰胺橋鍵相互連接的芳基所構(gòu)成的線型大分子。在它的晶體中，氫鍵在兩個(gè)平面內(nèi)排列而成氫鍵的三維結(jié)構(gòu)。由于較強(qiáng)的氫鍵作用，使之結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有優(yōu)良耐化學(xué)性，能耐大多數(shù)高濃的無機(jī)酸，對(duì)其他大多數(shù)化學(xué)試劑和有機(jī)溶劑十分穩(wěn)定[11–12]。

(1)芳綸紙性能測試。

采用X612N–2 mil 規(guī)格芳綸紙，參照杜邦T412–2 mil 芳綸紙的性能，測試 X612N 型芳綸紙的厚度，定量，吸水度及透氣度。測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 芳綸紙性能數(shù)據(jù)對(duì)比

由表 1 可知，對(duì)比 T412–2 mil 與 X612N–2 mil芳綸紙，X612N–2 mil 芳綸紙厚度比 T412–2 mil 的低15.6%，定量低3.1%，X612N–2 mil 規(guī)格芳綸紙表面吸水性正面比T412–2 mil 大679.7%，表面吸水性反面比 T412–2 mil 大 838.8%，X612N–2 mil規(guī)格芳綸紙透氣度比T412–2 mil 大約10 倍。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)X612N–2 mil 型芳綸紙的吸水性和透氣度均高于進(jìn)口T412–2 mil 型芳綸紙，可能會(huì)影響芳綸紙涂膠時(shí)的節(jié)點(diǎn)膠與芳綸紙的結(jié)合狀態(tài)。

(2) SEM 分析。

芳綸紙作為蜂窩的關(guān)鍵材料，在上述測試過程中國產(chǎn) X612–2 mil 型芳綸紙與進(jìn)口 T412–2 mil 型芳綸紙?jiān)诒砻嫖屯笟舛却嬖谳^大的差異，這與芳綸紙的表面結(jié)構(gòu)有著重要的關(guān)系。因此對(duì)芳綸紙表面進(jìn)行SEM 分析，在掃描電鏡下，觀察X612N 型芳綸紙和T412 芳綸紙的表面狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 芳綸紙SEM 圖片

從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口T412–2 mil 型芳綸紙的表面沉析纖維和短切纖維骨架結(jié)合較好，短切纖維裸露少，孔洞少，X612N–2 mil 型芳綸紙的短切纖維裸露較多，孔洞較多，紙張表面存在較多的孔洞和由沉析纖維組成的片狀團(tuán)聚物，紙張的質(zhì)量不均勻。SEM 分析結(jié)果表明國產(chǎn)X612N–2 mil 型芳綸紙的表面孔洞多，這種現(xiàn)象可能造成了國產(chǎn)芳綸紙吸水性和透氣度與進(jìn)口芳綸紙差異大。

(3)國產(chǎn)X612N 型芳綸紙對(duì)涂膠工藝的影響。

涂膠的目的主要包括兩個(gè)方面：一是將節(jié)點(diǎn)膠轉(zhuǎn)印至芳綸紙芳綸紙上，在節(jié)點(diǎn)膠固化后形成一定的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，保證拉伸和定型工藝順利。二是控制白蜂窩密度，因?yàn)榘追涓C密度影響浸膠時(shí)樹脂增量，進(jìn)一步影響蜂窩力學(xué)性能[14]。在相同的工藝條件下，采用進(jìn)口T412–2 mil 芳綸紙和國產(chǎn)X612N–2 mil 型芳綸紙進(jìn)行涂膠，蜂窩孔格邊長1.83 mm，蜂窩疊層板的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和白蜂窩密度測試結(jié)果見圖2。

圖2 芳綸紙節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和白蜂窩密度對(duì)比

從圖2 可以看出，在相同工藝條件下，國產(chǎn)X612N–2 mil 型芳綸紙的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和白蜂密度均高于進(jìn)口芳綸紙，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高26.8%，白蜂窩密度高10.8%。節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度高有利于提高芳綸紙拉伸及定型時(shí)質(zhì)量穩(wěn)定性，但是白蜂窩密度高將會(huì)降低成品蜂窩密度樹脂的增量，影響芳綸紙蜂窩力學(xué)性能[13]。故對(duì)于涂膠工藝，需要針對(duì)國產(chǎn)X612N 型芳綸紙采用新的工藝進(jìn)行涂膠。

2．2 紙張透氣度／涂膠速度／膠液黏度的關(guān)系理論模型

芳綸紙蜂窩涂膠時(shí)，在節(jié)點(diǎn)膠的轉(zhuǎn)印過程中，受到膠液黏度、涂膠輥參數(shù)、涂膠速度等多種因素的影響，結(jié)合國產(chǎn)X612N 型芳綸紙的特點(diǎn)，在其它工藝條件不變的條件下，采用不同透氣度的芳綸紙經(jīng)過涂膠和壓制，測試其節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，如圖3 所示。同時(shí)測試不同涂膠速度、不同黏度條件下的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖3 不同透氣度時(shí)芳綸紙蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度

圖4 不同涂膠速度時(shí)芳綸紙蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度

圖5 不同膠液黏度時(shí)芳綸紙蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度

從圖3、圖4 和圖5 中可以看出，在其它工藝條件不變的條件下，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度隨著透氣度的增加而增加，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度隨著涂膠速度的增加而增加，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度隨著膠液黏度的增加而增加。通過線性擬合，從圖中可以看出，在一定的工藝條件下，透氣度、涂膠速度及膠液黏度成線性關(guān)系。

通過線性擬合得出：

節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度(Nb)與透氣度(T)的關(guān)系：

節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度(Nb)與涂膠速度(V)的關(guān)系：

節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度(Nb)與膠液黏度(η)的關(guān)系：

在實(shí)際生產(chǎn)過程，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度受到眾多因素的共同影響，Nb=F(X1，X2，X3，X4，，，Xn)，X代表各個(gè)因素。假設(shè)在其他因素影響忽略不計(jì)的條件下，僅僅考慮芳綸紙透氣度 (P)，涂膠速度 (V)，膠液黏度 (η)，則：

根據(jù)上面的討論，可知：

在上面試驗(yàn)結(jié)果表明，在兩個(gè)因素不變的條件下，另一個(gè)因素與節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度成線性關(guān)系。例如在涂膠速度和膠液黏度不變的條件下，

假設(shè)Nb=λ1×P+λ2×V+λ3×η+B，其中λ1，λ2，λ3及B為常數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)過程中，蜂窩的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度Nb≥4，通過試驗(yàn)計(jì)算得出：

經(jīng)過試驗(yàn)計(jì)算得到：17.69×P－0.022×V＋0.018×η+0.2 ≥ 4

其中：P—透氣度；V—涂膠速度；η—膠液黏度。

公式(9)表明了透氣度、涂膠速度及膠液黏度之間的關(guān)系，在芳綸紙張透氣度一定的條件下，可得出涂膠速度與黏度的關(guān)系，以便于生產(chǎn)工藝的調(diào)整。

2．3 紙張透氣度／涂膠速度／膠液黏度的關(guān)系理論模型驗(yàn)證

選擇透氣度(0.147)的國產(chǎn)芳綸紙，根據(jù)公式(9)，得出公式 (10)：

設(shè)定涂膠速度V=8～24 m／min，可得出速度和黏度的工藝參數(shù)區(qū)間，如圖6 所示。

圖6 工藝區(qū)域

在工藝區(qū)域內(nèi)選擇三組工藝參數(shù)進(jìn)行涂膠，如下表，節(jié)點(diǎn)膠固化后測試其節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，速度和黏度參數(shù)值和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度測試結(jié)果見表2。

表2 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)

從表2 可以看出，在工藝區(qū)域內(nèi)選擇涂膠速度和黏度工藝參數(shù)，得出蜂窩的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度Nb≥4 N／cm，滿足生產(chǎn)工藝要求。

3 結(jié)論

(1) 對(duì) 比 了 國 產(chǎn) X612N–2 mil 型 與 進(jìn) 口T412–2 mil 型芳綸紙?jiān)诤穸取⒍?、吸水性及透氣度等方面存在的差異，并表征了兩者的表面形態(tài)，初步開展了國產(chǎn)芳綸紙對(duì)涂膠工藝的影響，表明國產(chǎn)X612N–2 mil 芳綸紙具有吸水性大、透氣度大及表面孔洞多的特點(diǎn)，涂膠后節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和白蜂窩密度高。

(2)開展了節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與國產(chǎn)X612N–2 mil 型芳綸紙透氣度、涂膠速度、膠液黏度三者的關(guān)系研究，通過單一因素與節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的數(shù)據(jù)分析，建立紙張透氣度／涂膠速度／膠液黏度模型并驗(yàn)證，結(jié)果表明根據(jù)不同透氣度的紙張，得出涂膠速度、膠液黏度主要工藝參數(shù)的區(qū)間，為工藝提供指導(dǎo)。