對(duì)位芳綸紙性能與工藝適應(yīng)性、匹配性研究

羅玉清，王萌，陸志遠(yuǎn)，楊進(jìn)軍

(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300)

0 引言

間位芳綸紙蜂窩具有輕質(zhì)、高強(qiáng)高模、阻燃、耐高溫、低介電損耗等一系列優(yōu)良性能，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、高鐵、船舶等領(lǐng)域[1]。對(duì)位芳綸紙蜂窩在模量上更具優(yōu)勢(shì)，未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。

芳綸紙為蜂窩制作的重要原材料，主要性能有縱橫向的抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、模量、表面強(qiáng)度等，對(duì)蜂窩的性能有重要影響[2]。同時(shí)，這些性能也會(huì)對(duì)其蜂窩加工工藝適應(yīng)性產(chǎn)生影響。因此，需要對(duì)芳綸紙的性能與蜂窩加工工藝適應(yīng)性的影響關(guān)系進(jìn)行更加深入的研究，從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果上找出主成分因子與芳綸紙吸膠量、膠條線分離強(qiáng)度、膠條寬度存在的相關(guān)性關(guān)系，并由此建立芳綸紙工藝適用性評(píng)價(jià)的方法。這對(duì)于芳綸紙及其蜂窩制作領(lǐng)域具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析對(duì)位芳綸紙的多項(xiàng)性能指標(biāo)，使用主成分分析方法進(jìn)行主成分提取，分別將得到的主成分與芳綸紙吸膠量、膠條線分離強(qiáng)度、膠條寬度進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明，提取到的主成分因子與芳綸紙吸膠量、膠條線分離強(qiáng)度、膠條寬度存在較強(qiáng)的相關(guān)性，同時(shí)得到其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸方程，并由此建立了芳綸紙工藝適用性評(píng)價(jià)的方法。

1 研究過(guò)程及方法

1.1 主要原材料

主要原材料見(jiàn)表1。

表1 主要原材料

1.2 研究?jī)?nèi)容

對(duì)位芳綸紙的性能指標(biāo)較多，下面選取了厚度、定量、緊度、抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、撕裂度、表面強(qiáng)度、透氣度等26項(xiàng)性能作為研究?jī)?nèi)容(表2)。

表2 對(duì)位芳綸紙性能研究?jī)?nèi)容

1.3 測(cè)試方法

芳綸紙的性能測(cè)試方法見(jiàn)表3。

表3 對(duì)位芳綸紙性能測(cè)試方法

2 結(jié)果與分析

2.1 因子分析

對(duì)對(duì)位芳綸紙的26項(xiàng)性能進(jìn)行主成分分析，分為6個(gè)主成分。各主成分名稱及包含的成分詳情見(jiàn)表4。

表4 各主成分名稱及包含項(xiàng)目

2.2 蜂窩性能與芳綸紙性能相關(guān)性分析

根據(jù)因子分析結(jié)果，將芳綸紙6個(gè)主成分與蜂窩性能進(jìn)行相關(guān)性分析，建立芳綸紙性能與蜂窩性能之間的關(guān)系，對(duì)芳綸紙的工藝適應(yīng)性進(jìn)行分析?；诙咧g的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定其適宜的工藝參數(shù)，達(dá)到蜂窩制備的材料與工藝相互匹配的目的，以期使蜂窩性能能夠達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.2.1 吸膠量相關(guān)性分析

芳綸紙蜂窩浸泡到浸漬樹脂中后，芳綸紙會(huì)發(fā)生吸膠現(xiàn)象。吸膠量會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加并逐漸達(dá)到平衡，吸膠量的多少直接影響蜂窩產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)之一——密度。因此，研究吸膠量與芳綸紙性能的相關(guān)性就變得非常重要。

在16批次高拉伸級(jí)對(duì)位芳綸紙上分別取面積為0.01 m2的試樣各3片，在試樣上標(biāo)明芳綸紙批號(hào)及試樣編號(hào)，測(cè)量并記錄每片試樣的原始重量。準(zhǔn)備密度為1.00 g/cm3的浸漬樹脂，將16批次芳綸紙的試樣1浸入膠液中60 s，撈出并晾置5 h以上，稱重記錄；試樣2浸入到膠液中浸泡180 s，撈出并晾置5 h以上，稱重記錄；試樣3浸入到膠液中浸泡300 s，撈出并晾置5 h以上，稱重記錄。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 芳綸紙吸膠量(g)試驗(yàn)結(jié)果

相關(guān)性分析表明，透氣度與吸膠量相關(guān)性較高(表6)。浸泡60 s吸膠量與第六成分透氣度相關(guān)性為0.708，為顯著性相關(guān)。芳綸紙透氣度越高，表明纖維間空隙大，吸膠量越高。吸膠量隨著吸膠時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸達(dá)到平衡，吸膠時(shí)間無(wú)限延長(zhǎng)時(shí)，吸膠相關(guān)性降低。在蜂窩制備中，需要根據(jù)芳綸紙透氣度的高低調(diào)整吸膠時(shí)間。第五主成分伸縮性表現(xiàn)出相同的規(guī)律，伸縮性高的芳綸紙，一般纖維間空隙相對(duì)較高。第一主成分與吸膠量為負(fù)相關(guān)，通過(guò)與第一主成分各成分的相關(guān)性分析表明，緊度、平滑度與吸膠量為負(fù)相關(guān)，緊度大、平滑度高不利于吸膠量增大。

表6 芳綸紙主成分與吸膠量的相關(guān)性

使用SPSS軟件分別對(duì)浸泡60 s、180 s、300 s的吸膠量與六個(gè)主成分的相關(guān)性進(jìn)行線性回歸分析，得到六個(gè)主成分對(duì)吸膠量的影響程度及趨勢(shì)。

2.2.2 浸泡60 s吸膠量相關(guān)性分析

表7中F值是對(duì)整個(gè)回歸方程的總體檢驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的P值小于0.05認(rèn)為回歸方程有效。同時(shí)F值也是回歸方程的顯著性檢驗(yàn)，表示的是模型中因變量與所有自變量之間的線性關(guān)系在總體上是否顯著做出推斷。若F>Fa(k,n-k-1)，則拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為列入模型的各個(gè)自變量聯(lián)合起來(lái)對(duì)因變量有顯著影響，反之，則無(wú)顯著影響。其中n為芳綸紙批數(shù)，k為主成分個(gè)數(shù)。

表7 浸泡60 s吸膠量試驗(yàn)的方差分析表

結(jié)果顯示，本次分析的回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)(1,6)=4.592，P=0.045<0.05，所以因變量和自變量間存在線性關(guān)系；F=4.592>Fa(6,9)=0.243 9，F(xiàn)值顯著大于Fa(k,n-k-1)，所以自變量對(duì)因變量有顯著影響。

B值表示各個(gè)自變量在回歸方程中的系數(shù)，負(fù)值表示這個(gè)自變量對(duì)因變量有顯著的負(fù)向影響。由表8數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化的回歸方程為：浸泡60 s吸膠量=-0.105-0.154×主成分1-0.255×主成分2-0.213×主成分3+0.350×主成分4+0.687×主成分6。

表8 浸泡60s吸膠量試驗(yàn)的系數(shù)表

2.2.3 浸泡180 s吸膠量相關(guān)性分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，本次分析的回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表9)，F(xiàn)(1,8)=4.125，P=0.048<0.05，所以因變量和自變量間存在線性關(guān)系；F=4.125>Fa(6,9)=0.243 9，F(xiàn)值顯著大于Fa(k,n-k-1)，所以自變量對(duì)因變量有顯著影響。

表9 浸泡180 s吸膠量試驗(yàn)的方差分析表

由表10數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化的回歸方程為：浸泡180 s吸膠量=-0.574-0.744×主成分1+0.470×主成分3+1.012×主成分5。

表10 浸泡180 s吸膠量試驗(yàn)的系數(shù)表

2.2.4 浸泡300 s吸膠量相關(guān)性分析

結(jié)果顯示，本次分析的回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表11)，F(xiàn)(1,8)=5.661，P=0.022<0.05，所以因變量和自變量間存在線性關(guān)系；F=5.661>Fa(6,9)=0.243 9，F(xiàn)值顯著大于Fa(k,n-k-1)，所以自變量對(duì)因變量有顯著影響。

表11 浸泡300 s吸膠量試驗(yàn)的方差分析表

由表12數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)化的回歸方程為：浸泡300 s吸膠量=-0.238-0.728×主成分1-0.488×主成分2+0.474×主成分5。

表12 浸泡300 s吸膠量試驗(yàn)的系數(shù)表

2.3 膠條寬度、膠線強(qiáng)度相關(guān)性分析

在涂膠工序中，節(jié)點(diǎn)膠通過(guò)涂膠輥轉(zhuǎn)移到PCF芳綸紙上，經(jīng)過(guò)高溫壓制，節(jié)點(diǎn)膠固化，形成蜂窩節(jié)點(diǎn)，固化后膠條的寬度即為蜂窩孔格邊長(zhǎng)。蜂窩節(jié)點(diǎn)是是蜂窩拉伸成型的基礎(chǔ)，是決定蜂窩孔格形成的關(guān)鍵因素。膠條寬度和膠條線分離強(qiáng)度是衡量蜂窩節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)主要指標(biāo)。

通過(guò)SPSS對(duì)膠條寬度和膠條線分離強(qiáng)度與芳綸紙性能的相關(guān)性進(jìn)行了分析，見(jiàn)表13。

表13 膠條寬度和膠條線分離強(qiáng)度與芳綸紙性能的相關(guān)性分析

分析結(jié)果表明，膠線寬度與浸泡60 s吸膠量和第6主成分顯著負(fù)相關(guān)，吸膠量大，膠線寬度下降，透氣度是主要影響因素。

膠線強(qiáng)度與膠線寬度為正相關(guān)，膠線寬度越大，膠線強(qiáng)度越高。膠線強(qiáng)度與吸膠度呈負(fù)相關(guān)，吸膠時(shí)間加長(zhǎng)，負(fù)作用上升。同時(shí)，膠線強(qiáng)度與第二主要成分也為負(fù)相關(guān)。

2.3.1 膠條寬度與芳綸紙性能相關(guān)性分析

結(jié)果顯示，本次分析的回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表15)，F(xiàn)(1,5)=7.13，P=0.034<0.05，所以因變量和自變量間存在線性關(guān)系；F=7.13>Fa(6,9)=0.243 9，F(xiàn)值顯著大于Fa(k,n-k-1)，所以自變量對(duì)因變量有顯著影響。

表14 膠條寬度與主成分線性回歸的方差分析表

由表15數(shù)據(jù)，膠條寬度與芳綸紙主成分線性回歸方程為：膠條寬度=1.725+0.026×主成分1-0.056×主成分6。

表15 膠條寬度與主成分線性回歸的系數(shù)表

2.3.2 膠條線分離強(qiáng)度與芳綸紙性能相關(guān)性分析

結(jié)果顯示，本次分析的回歸模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表16)，F(xiàn)(1,4)=6.608，P=0.05，所以因變量和自變量間存在線性關(guān)系；F=7.13>Fa(6,9)=0.243 9，F(xiàn)值顯著大于Fa(k,n-k-1)，所以自變量對(duì)因變量有顯著影響。

表16 膠條線分離強(qiáng)度與主成分線性回歸的方差分析表

由表17數(shù)據(jù)，膠條線分離強(qiáng)度與芳綸紙主成分線性回歸方程為：膠條線分離強(qiáng)度=0.259+0.007×主成分1-0.017×主成分2-0.011×主成分4。

表17 膠條線分離強(qiáng)度與主成分線性回歸的系數(shù)表

2.4 芳綸紙工藝適用性評(píng)價(jià)

2.4.1 膠條線分離強(qiáng)度評(píng)價(jià)

(1)將芳綸紙數(shù)據(jù)與本文原16批使用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，得出待評(píng)價(jià)芳綸紙各個(gè)變量的主成分值。

(2)將計(jì)算出的主成分值帶入膠條線分離強(qiáng)度與芳綸紙主成分線性回歸方程，得出膠條線分離強(qiáng)度值，按如下公式進(jìn)行打分：

芳綸紙工藝適用性評(píng)分=100+(膠條線分離強(qiáng)度-0.4)×20

其中，當(dāng)實(shí)測(cè)膠條線分離強(qiáng)度≥0.4 N/m時(shí)，蜂窩在拉伸定型等生產(chǎn)工序中不會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)開裂現(xiàn)象，芳綸紙膠條線分離強(qiáng)度工藝適用性評(píng)分為100分。

2.4.2 膠條寬度評(píng)價(jià)

(1)將芳綸紙數(shù)據(jù)與本文原16批使用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析，得出待評(píng)價(jià)芳綸紙各個(gè)變量的主成分值。

(2)將計(jì)算出的主成分值帶入膠條寬度與芳綸紙主成分線性回歸方程，得出膠條寬度值，按如下公式進(jìn)行打分：

芳綸紙工藝適用性評(píng)分=100+(膠條寬度-1.83)×20

其中，當(dāng)實(shí)測(cè)膠條寬度越接近標(biāo)準(zhǔn)孔格尺寸(1.83 mm)，芳綸紙膠條寬度工藝適用性評(píng)分越高；偏離標(biāo)準(zhǔn)孔格尺寸越大，得分越低。

3 結(jié)論

(1)蜂窩浸膠過(guò)程中芳綸紙的吸膠量與第六主成分呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

(2)蜂窩涂膠過(guò)程中膠線寬度與第六主成分呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)膠條線分離強(qiáng)度與膠條寬度為正相關(guān)。

(4)膠條線分離強(qiáng)度與主成分1正相關(guān)，與主成分2、主成分4呈負(fù)相關(guān)。

(5)按照本文方法建立了芳綸紙的工藝適應(yīng)性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)提供了理論支持。