涂膜工藝對(duì)預(yù)浸料物理性能的影響研究

梁群群，燕春云，王怡敏，周強(qiáng)

(江蘇恒神股份有限公司，江蘇 丹陽(yáng) 212300)

0 引言

預(yù)浸料是增強(qiáng)體和基體在嚴(yán)格控制的條件下，經(jīng)過(guò)加熱加壓制成的材料，是構(gòu)成復(fù)合材料的基本單元，其質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性是保證復(fù)合材料及其制件質(zhì)量和可靠性的重要環(huán)節(jié)[1-3]。預(yù)浸料的生產(chǎn)工藝有溶液法、熱熔法、粉末法、泥漿法、纖維混編法等，其中得到普遍推廣的有溶液法和熱熔法[4-6]。溶液法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，但溶劑易揮發(fā)，造成環(huán)境污染，同時(shí)溶液的穩(wěn)定性及成品的樹(shù)脂含量控制精度不高。而熱熔法規(guī)避了溶液法的缺點(diǎn)，不需要溶劑，制件的孔隙率低，通過(guò)控制膠膜的面密度，極大提高了預(yù)浸料的樹(shù)脂含量控制精度[7-11]。隨著熱熔法制備的預(yù)浸料得到大量的推廣應(yīng)用，許多學(xué)者專家都投入到熱熔法生產(chǎn)預(yù)浸料的工藝研究當(dāng)中。韓成智等[12]研究了預(yù)浸工藝對(duì)單向預(yù)浸料質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，預(yù)浸溫度為100～105 ℃、平壓輥間隙在380～400 μm之間、預(yù)浸速度為4～5 m/min時(shí)，預(yù)浸料浸漬更加充分；劉大偉[13]等考察了涂膜和預(yù)浸復(fù)合工藝參數(shù)中涂膜溫度、輥筒間隙(壓力)和溫度對(duì)預(yù)浸料質(zhì)量參數(shù)的影響，結(jié)果表明涂膜溫度為85 ℃、預(yù)浸復(fù)合溫度為125 ℃時(shí)，單層厚度達(dá)到(25±5)μm，具有優(yōu)良的粘結(jié)性和鋪覆性；馬建忠等[14]研究了熱熔同步轉(zhuǎn)印法、熱熔逗號(hào)刮延法、熱熔差速刮延法3種涂膜方式對(duì)膠膜質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，對(duì)高黏度的樹(shù)脂，熱熔差速刮延法涂膜方式更好。目前，航天航空領(lǐng)域?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)預(yù)浸料質(zhì)量的要求更高，膠膜質(zhì)量直接決定預(yù)浸料樹(shù)脂含量與樹(shù)脂均勻性分布，因此制備與精確控制樹(shù)脂膠膜已成為成功制備高性能預(yù)浸料的前提和關(guān)鍵[15-17]。而針對(duì)涂膜過(guò)程參數(shù)的設(shè)定對(duì)膠膜質(zhì)量及預(yù)浸料物理性能影響的研究較少，基于此，本文研究涂膜工藝對(duì)預(yù)浸料物理性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用樹(shù)脂體系為江蘇恒神股份有限公司開(kāi)發(fā)的中溫環(huán)氧樹(shù)脂TF2028，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。雙面離型紙，幅寬1 060 mm，臺(tái)博膠粘材料有限公司生產(chǎn)。

表1 TF2028環(huán)氧樹(shù)脂性能指標(biāo)

試驗(yàn)所用HF10-12K碳纖維由江蘇恒神股份有限公司生產(chǎn)，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 HF10-12K碳纖維性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

涂膜設(shè)備采用Santex的FILM-LINE，含浸設(shè)備采用Santex的TAPE LINE；由Z01B型圓形取樣器取樣。稱重采用國(guó)產(chǎn)JA3003N型電子天平。

1.3 涂膜工藝原理分析

膠膜生產(chǎn)的流程如圖1所示。將流動(dòng)的熔融樹(shù)脂倒進(jìn)膠槽中，通過(guò)控制計(jì)量輥之間的間隙、涂膠計(jì)量輥的速比、生產(chǎn)的速度來(lái)控制涂膠輥轉(zhuǎn)移到離型紙上樹(shù)脂的量，從而控制膠膜的克重。

圖1 TF2028環(huán)氧樹(shù)脂膠膜制備流程

圖2為膠膜生產(chǎn)時(shí)的兩種生產(chǎn)模式。如圖2(a)所示，支撐輥在計(jì)量輥1的下方，此時(shí)，計(jì)量輥1為涂膠輥，涂膠輥的運(yùn)行方向與離型紙的運(yùn)行方向相反，此為逆涂；如圖2(b)所示，支撐輥在計(jì)量輥2的下方，計(jì)量輥2為涂膠輥，涂膠輥的運(yùn)行方向與離型紙的運(yùn)行方向一致，此為順涂。生產(chǎn)時(shí)，需根據(jù)樹(shù)脂的性狀、膠膜的面密度及物料的狀態(tài)，選擇合適的生產(chǎn)模式。這兩種涂膜模式的特點(diǎn)見(jiàn)表3。

圖2 膠膜生產(chǎn)模式

表3 涂膠模式的特點(diǎn)

涂膜生產(chǎn)時(shí)，支撐輥有兩種設(shè)定模式：間隙模式和壓力模式。兩種模式的特點(diǎn)見(jiàn)表4。

表4 支撐輥模式的特點(diǎn)

1.4 涂膜工藝設(shè)計(jì)

本文主要通過(guò)測(cè)量工藝改變后膠膜面密度值的波動(dòng)變化來(lái)研究樹(shù)脂的烘烤溫度、烘烤時(shí)間及涂膠輥溫度對(duì)涂膜過(guò)程中膠膜面密度穩(wěn)定性的影響。膠膜面密度取(37±2)g/m2，幅寬為1 000 mm，膠槽內(nèi)樹(shù)脂剩一半時(shí)添加新的樹(shù)脂。涂膜工藝設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表5和表6，共設(shè)計(jì)9種不同的涂膜工藝，然后將不同工藝的膠膜，在相同的含浸工藝下制備預(yù)浸料，并測(cè)試預(yù)浸料的黏性壽命。

表5 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

表6 三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.4 測(cè)試或表征

樹(shù)脂黏度使用椎板黏度計(jì)測(cè)試。預(yù)浸料黏性壽命，采用HB7736.8進(jìn)行測(cè)試。膠膜面密度按照下式計(jì)算：

Aw=(G1-G2)/A

式中：Aw——膠膜面密度；

G1——離型紙和膠膜的總克重；

G2——離型紙克重；

A——取樣面積。

正交試驗(yàn)結(jié)果分析：

K1A=x1+x2+x3；K1B=x1+x4+x7；K1C=x1+x6+x8；

K2A=x4+x5+x6；K2B=x2+x5+x8；K2C=x2+x4+x9；

K3A=x7+x8+x9；K3B=x3+x6+x9；K3C=x3+x5+x7；

kij=Kij/3；R=(Kmax-Kmin)/3；

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)時(shí)，每次開(kāi)機(jī)后，通過(guò)配合調(diào)節(jié)計(jì)量輥之間的間隙、速度及涂膠輥輪的速比等，將測(cè)厚儀的顯示值調(diào)整至目標(biāo)值(37±2)g/m2，且盡量接近37 g/m2并均勻。試驗(yàn)過(guò)程中不再調(diào)節(jié)參數(shù)。

2.1 烘膠工藝對(duì)膠膜面密度的影響

對(duì)倒膠處的膠膜做標(biāo)記，并取樣測(cè)試，數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 膠膜面密度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從表7和圖3可以看出，在倒膠時(shí)，試驗(yàn)號(hào)①、⑦、⑧中間膠膜面密度實(shí)測(cè)值明顯大于兩側(cè)；試驗(yàn)編號(hào)②、③、⑥，中間膠膜面密度明顯低于兩側(cè)；而試驗(yàn)編號(hào)④、⑤、⑨，兩側(cè)和中間膠膜面密度相當(dāng)，無(wú)明顯差異。這是由于樹(shù)脂倒進(jìn)膠槽的過(guò)程，亦是膠槽中的原樹(shù)脂與新倒進(jìn)去樹(shù)脂混合和新樹(shù)脂適應(yīng)涂膠輥溫度的過(guò)程，而溫度對(duì)樹(shù)脂黏度的影響最直接。當(dāng)新倒進(jìn)去的樹(shù)脂與原樹(shù)脂黏度相當(dāng)，則兩者很快融合，膠膜面密度沒(méi)有明顯的波動(dòng)；若新倒進(jìn)去的樹(shù)脂黏度與原樹(shù)脂差別較大，則兩者融合較慢，會(huì)引起膠膜面密度明顯的變化；若新倒進(jìn)去的樹(shù)脂黏度大，則面密度會(huì)偏大，反之亦然。

圖3 幅寬方向膠膜面密度

從工藝參數(shù)可知，試驗(yàn)編號(hào)①、⑦、⑧中的⑦、⑧涂膠輪溫度高于烘膠溫度，新倒進(jìn)去樹(shù)脂的黏度較大，所以膠膜面密度中間高兩邊低；而試驗(yàn)編號(hào)①，涂膠輪溫度等于烘膠溫度，但烘膠時(shí)間40 min，時(shí)間較短，新樹(shù)脂的黏度高于膠槽中的原樹(shù)脂，膠膜面密度亦是中間高兩邊低；試驗(yàn)編號(hào)②、③、⑥涂膠輪的溫度低于烘膠溫度，新倒進(jìn)去的樹(shù)脂黏度低于原樹(shù)脂，導(dǎo)致膠膜克重中間小兩邊大；試驗(yàn)編號(hào)④、⑤、⑨涂膠輪的溫度與烘膠溫度相同，烘膠時(shí)間≥50 min，膠槽中樹(shù)脂的黏度與新倒進(jìn)去樹(shù)脂的黏度相當(dāng)，膠膜面密度均勻穩(wěn)定。

2.2 涂膜工藝對(duì)預(yù)浸料黏性壽命的影響

制備預(yù)浸料過(guò)程中，樹(shù)脂的受熱歷史對(duì)預(yù)浸料的黏性壽命是存在影響的。不同涂膜工藝制備的膠膜在相同含浸工藝下制備的預(yù)浸料，按照HB 7736測(cè)試其黏性壽命，L9(34)正交表及黏性壽命試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 L9(34)正交表及試驗(yàn)結(jié)果

從表8中的數(shù)據(jù)可知，因素A計(jì)量輥溫度越低，預(yù)浸料的黏性壽命越長(zhǎng)；因素B烘烤樹(shù)脂的溫度越低，預(yù)浸料的黏性壽命越長(zhǎng)；因素C烘烤樹(shù)脂的時(shí)間越短，預(yù)浸料的黏性壽命越長(zhǎng)；從極差R可知，三個(gè)因素對(duì)預(yù)浸料壽命影響的排序?yàn)椋汉婵緶囟取萃磕z輥溫度≥烘烤時(shí)間，且烘烤溫度的影響作用遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)因素。

3 結(jié)論

(1)涂膜時(shí)，若膠槽中新加樹(shù)脂的黏度大于原樹(shù)脂的黏度會(huì)導(dǎo)致膠膜面密度增大；反之，會(huì)引起膠膜面密度變小，造成膠膜面密度不勻。

(2)涂膠輥的溫度與烘箱的實(shí)測(cè)溫度相當(dāng)，烘膠時(shí)間≥50 min時(shí)，涂膜過(guò)程中，膠膜面密度的穩(wěn)定性較好。

(3)在一定范圍內(nèi)，涂膠溫度、烘膠溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)浸料的黏性壽命越短，其中烘膠溫度的影響最顯著。