實驗條件對碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分含量的影響

左 洋，謝玉萍，孫 書，孔 靜，楊耀東

（1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094；2.國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心，北京 102206）

實驗條件對碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分含量的影響

左 洋1，謝玉萍2，孫 書1，孔 靜1，楊耀東1

（1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094；2.國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心，北京 102206）

揮發(fā)分含量反映著基體材料的黏性和流動性，是評定碳纖維預(yù)浸料質(zhì)量的一個重量指標(biāo)，揮發(fā)分測試至關(guān)重要，制約著復(fù)合材料的工藝成型過程和制品最終的使用性能。研究了兩種實驗條件對揮發(fā)分含量的影響。在烘箱內(nèi)鼓風(fēng)和不鼓風(fēng)的情況下分別測定了不同氰酸酯體系碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分；并選用了不同直徑收集器對氰酸酯體系預(yù)浸料揮發(fā)分進(jìn)行測試，結(jié)果表明，兩種測試條件對揮發(fā)分含量測試結(jié)果均有一定的影響，烘箱內(nèi)鼓風(fēng)開啟時測得的揮發(fā)分含量較大；采用直徑較大的收集器測得的揮發(fā)分含量比直徑較小的收集器測得的數(shù)據(jù)小，為碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分含量的準(zhǔn)確測定提供了參考數(shù)據(jù)。

碳纖維；預(yù)浸料；復(fù)合材料；揮發(fā)分；實驗條件

0 引言

預(yù)浸料是制造復(fù)合材料及其制件的中間材料，構(gòu)成了復(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)。樹脂基復(fù)合材料（RMC）的高比強度和比剛度，可設(shè)計性能好，能有效減輕航天器的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，是當(dāng)今宇航材料的發(fā)展重點，正逐漸取代傳統(tǒng)的金屬材料[1-2]。然而，隨著宇航技術(shù)的新發(fā)展，環(huán)氧樹脂（EP）由于其介電性能、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性和耐濕性不佳而使用率逐漸減小。而聚酰亞胺（PI）、雙馬來酰亞胺（BMI）和聚醚醚酮（PEEK）等新材料，雖然耐熱性、介電性能有了很大提高，但卻又存在著溶解性差、成型溫度高等工藝上的缺陷，有待進(jìn)一步改進(jìn)。近年來，氰酸酯樹脂（CE）因其性能綜合了BMI等的耐高溫和EP的良好工藝性，且介電性能極佳，具有極廣泛的應(yīng)用前景，成為繼PI和BMI之后的又一高性能宇航復(fù)合材料基體樹脂。近年來，衛(wèi)星、飛船等空間飛行器上碳纖維復(fù)合材料的使用量逐年增加，尤其是碳纖維預(yù)浸料復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星的中心承力筒、基板、連接架等主體結(jié)構(gòu)中，滿足了航天器的多項功能性需求[3-17]。

揮發(fā)分含量反映著基體材料的黏性和流動性，是評定碳纖維預(yù)浸料質(zhì)量的一個重量指標(biāo)，應(yīng)該嚴(yán)格控制，一般要求低于2%[3]。因此碳纖維預(yù)浸料的揮發(fā)分測試至關(guān)重要，其揮發(fā)分含量實驗方法（GB6056-1985）中規(guī)定了不同類別預(yù)浸料的揮發(fā)分實驗通則和推薦實驗條件，尤其是氰酸酯大量應(yīng)用后，其流動性對揮發(fā)分測試結(jié)果的影響較大。結(jié)合基體類型的差異，需要深入研究實驗條件對氰酸酯類碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分含量的影響。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與材料

實驗中使用的儀器主要包括HT4023P型高溫實驗箱，控溫范圍為20℃至350℃；AL104型分析天平，感量為0.1 mg。實驗材料為不同固化工藝條件下氰酸酯體系碳纖維預(yù)浸料。

1.2 方法原理

碳纖維預(yù)浸料的揮發(fā)分測試原理為：將規(guī)定量的預(yù)浸料試樣放入鼓風(fēng)干燥箱中，加熱至規(guī)定的溫度，恒溫一定時間以去除揮發(fā)物，根據(jù)加熱前后試樣的質(zhì)量變化計算出揮發(fā)物質(zhì)量百分含量。

1.3 樣品處理方法

預(yù)浸料按模板尺寸取100 mm×100 mm的試樣。預(yù)浸料的取樣部位：在布幅的寬度方向按左、中、右三個部位各取一片（距邊緣至少20 mm）。取樣應(yīng)在溫度為23±2℃時，濕度為50%±10%的實驗間進(jìn)行，試樣數(shù)量不少于三個[3]。

1.4 實驗方法

碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分測試過程為：（1）取樣后，將碳纖維預(yù)浸料試樣放入已知質(zhì)量的金屬網(wǎng)和收集器上，立即稱量，精確至0.000 1 g，記作M1；（2）將試樣、金屬網(wǎng)和收集器放入已恒溫在180±2℃的干燥箱中，實驗條件按照預(yù)浸料技術(shù)條件的規(guī)定。恒溫時間結(jié)束，取出試樣，放入干燥器中，冷卻至室溫；（3）迅速稱量，精確至0.000 1 g，記作M2。

1.5 結(jié)果計算

揮發(fā)物含量測試結(jié)果按式（1）計算：

式中：Vc為揮發(fā)分含量，%；M0為金屬網(wǎng)和收集器質(zhì)量，g；M1為干燥前試樣、金屬網(wǎng)和收集器的質(zhì)量，g；M2為干燥后試樣、金屬網(wǎng)和收集器的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 烘箱鼓風(fēng)對揮發(fā)分測試結(jié)果的影響

預(yù)浸料揮發(fā)分含量實驗方法（GB6056-1985）能夠準(zhǔn)確測試出環(huán)氧樹脂體系碳纖維預(yù)浸料的揮發(fā)分，但由于氰酸酯在高溫下良好的流動性，當(dāng)試樣放入高溫烘箱后，預(yù)浸料中樹脂類物質(zhì)隨著氰酸酯開始游動，在碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分測試實驗時，需要考慮烘箱鼓風(fēng)對揮發(fā)分測試結(jié)果的影響。

分別采用烘箱在鼓風(fēng)和不鼓風(fēng)的情況下測定氰酸酯體系碳纖維預(yù)浸料的揮發(fā)分，實驗結(jié)果如表1和圖1。可以明顯看出，烘箱內(nèi)是否開啟鼓風(fēng)揮發(fā)分含量測量結(jié)果存在影響，多數(shù)樣品開啟鼓風(fēng)時揮發(fā)分測試結(jié)果高于沒有開通鼓風(fēng)時的測量結(jié)果。這是由于氰酸酯流動性較好，高溫加熱時呈現(xiàn)流動性的濕態(tài)，開啟鼓風(fēng)時，碳纖維預(yù)浸料在濕態(tài)下受熱比較均勻，溶劑和小分子低聚物能夠較徹底的揮發(fā)。

表1 氰酸酯體系碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)Table1 Volatile component of different cyanate ester resin carbon fiber prepreg samples

圖1 鼓風(fēng)是否開啟對氰酸酯體系碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分的影響曲線Fig.1 Effects of volatile component of different cyanate ester resin carbon fiber prepreg samples in ovens with the blower on or off

2.2 收集器尺寸對揮發(fā)分測試結(jié)果的影響

基于氰酸酯高溫下的流動性能，測試過程中需要在金屬網(wǎng)的下面加入一個恒重后的收集器，這樣在試樣烘焙過程中，部分損失的溶質(zhì)會回落到收集器上，不影響測試的最后結(jié)果。為此，在金屬網(wǎng)尺寸為100 mm×100 mm的前提下，選擇了直徑分別為70 mm、80 mm、100 mm、110 mm的收集器，研究其尺寸對揮發(fā)分測試結(jié)果的影響，烘焙溫度為180℃，烘焙時間為1 h。實驗數(shù)據(jù)如表2和圖2。

表2 不同收集器條件下氰酸酯體系碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)Table 2 Volatile component of different cyanate ester resin carbon fiber prepreg samples with weighing dishes of different diameters

圖2 收集器尺寸對氰酸酯體系碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分的影響曲線Fig.2 Effects of volatile component of different cyanate ester resin carbon fiber prepreg samples in ovens with weighing dishes of different diameters

從圖2、表2可以明顯看出，收集器尺寸對氰酸酯體系碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分含量影響較大，不同尺寸收集器測試得到的揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)存在差異，呈現(xiàn)出隨著收集器尺寸逐漸變大，揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)緩慢下降的趨勢，尺寸為100 mm時，數(shù)據(jù)已經(jīng)較為穩(wěn)定。采用直徑較小的收集器測試時，由于氰酸酯體系預(yù)浸料中因為氰酸酯的流動性強，在烘焙時碳纖維預(yù)浸料呈現(xiàn)出流動性的濕態(tài)，在相同堆積厚度和鋪展面積的前提下，一些樣品流動到收集器之外損失掉，造成測試結(jié)果偏大，收集器直徑達(dá)到100 mm時，揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)基本達(dá)到穩(wěn)定值，此時受熱揮發(fā)出的溶劑和小分子低聚物可以有效擴(kuò)散，同時收集器也能較好的收集回落溶質(zhì)。

3 結(jié)論

將規(guī)定量的碳纖維預(yù)浸料試樣放入鼓風(fēng)干燥箱中，加熱至規(guī)定的溫度，恒溫一定時間以去除揮發(fā)物，根據(jù)加熱前后試樣的質(zhì)量變化計算出揮發(fā)分含量。揮發(fā)分含量與試樣堆積厚度、鋪展面積、收集器尺寸等因素有關(guān)。試樣堆積厚度小、鋪展面積大時，受熱揮發(fā)出的溶劑和小分子低聚物較容易揮發(fā)，在收集器能夠較好收集回落的溶質(zhì)前提下，揮發(fā)分測試結(jié)果較為準(zhǔn)確。文章考察了鼓風(fēng)和收集器尺寸對碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分的影響，可以得到結(jié)論：

（1）烘箱內(nèi)開啟鼓風(fēng)時測得氰酸酯體系碳纖維預(yù)浸料的揮發(fā)分含量較大，碳纖維預(yù)浸料在濕態(tài)下受熱比較均勻，溶劑和小分子低聚物能夠較徹底的揮發(fā)；

（2）采用直徑較大的收集器測得的揮發(fā)分含量比直徑較小的收集器測得的數(shù)據(jù)小，在相同堆積厚度和鋪展面積的前提下，收集器尺寸較小時，一些樣品流動到收集器之外損失掉，造成測試結(jié)果偏大；收集器直徑達(dá)到100 mm時，揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)基本達(dá)到穩(wěn)定值，此時受熱揮發(fā)出的溶劑和小分子低聚物可以有效擴(kuò)散，同時收集器也能較好地收集回落的溶質(zhì)；

氰酸酯基體碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分含量的準(zhǔn)確測試，不僅能夠監(jiān)測著碳纖維預(yù)浸料的質(zhì)量好壞，而且控制著復(fù)合材料的成型工藝，使基體材料具有一定的黏性和流動性，便于鋪疊，以降低復(fù)合材料的孔隙含量。不同實驗條件對揮發(fā)分含量的影響規(guī)律能夠為碳纖維預(yù)浸料揮發(fā)分含量的準(zhǔn)確測定提供依據(jù)。

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EFFECTS OF MEASUREMENT ON VOLATILE COMPONENT OF CARBON FIBER PREPREG

ZUO Yang1，XIE Yu-ping2，SUN Shu1，KONG Jin1，YANG Yao-dong1
（1.Beijing Spacecrafts Beijing 100094，China；2.National Center for Protein Sciences Beijing 102206，China）

Volatile component can reflect viscosity and fluidity of matrix material，which is an important quality index of carbon fiber prepreg samples.And the measurement of the content of volatile component is critical，which confines the moulding process of composite and the end use of product.Volatile component of different carbon fiber prepreg samples were determined on different conditions.Tests were performed in ovens with the blower on or off and with weighing dishes of different diameters.According to the results of tests，effects of measurement on determination of volatile component in cyanate ester resin prepreg samples are investigated.Volatile component of carbon fiber prepreg samples is more in ovens with the blower on than with the blower off，and what’s more the less volatile component，the bigger weighing dishes of different diameters.

carbon fiber；prepreg；composite；volatile component；measurement

TQ342.742

A

1006-7086（2017）05-0301-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.010

2017-05-19

左洋（1985-），男，北京人，碩士，高級工程師，主要從事復(fù)合材料、膠粘劑、涂料的研制與檢測。E-mail：zuoyangsky@163.com。