树脂传递模塑工艺中工艺参数对树脂_纤维界面的影响

树脂传递模塑工艺中工艺参数对树脂-纤维界面的影响

邱桂杰(武汉理工大学󰀁430070)摘要:󰀁本文系统研究了工艺参数对由树脂传递模塑成型的复合材料的拉伸强度和树脂-纤维界面的影响。这些参数包括注射压力和模腔/纤维毡的温度。在较低的注射压力和较高的成型温度下,纤维得到良好的浸润和粘结,成型复合材料的拉伸强度也较高。关键词:󰀁RTM󰀁注射压力󰀁温度󰀁界面1󰀁概󰀁述从产品的经济性和用途的广泛性来看,树脂传递模塑(RTM)是生产高性能复合材料很有发展潜力的成型工艺。推动RTM迅速发展的一个主要因素是近年来汽车工业的发展。汽车工业看准了RTM工艺过程的低能耗和低合模压力。RTM成型工艺在航空及相关行业中得到应用,取代了以往的手糊预浸料和高压釜成型,以节约成本、改善产品的一致性、缩短生产周期。同时对苯乙烯和其他化学试剂释放量的限制使手糊和喷射成型工艺逐渐向闭模成型工艺转变[1]。作为新兴工艺,RTM工艺中还存在着许多尚未解决的问题。有关成型工艺参数和材料选择方面的技术资料比较少,一般是根据经验或根据相似的工艺,如传统的反应注射模塑成型工艺作出选择。在复合材料成型工艺中,树脂的流动和固化对最终产品的微观结构有很重要的影响,从而影响到复合材料构件的性能。众多的传统工艺中,如注射模塑,手糊预成型和片状模塑料(SMC)的模压成型工艺,树脂和纤维都预混很长一段时间,这就使得树脂和纤维能够得到密切接触,形成良好的结合界面。因此,了解成型工艺中树脂的流动对于确定纤维类型和铺层方向是很有必要的。在RTM工艺中所用的增强材料都是未浸润的,此类工艺的关键就是对这些网状结构的完全浸润。在这些材料中同时发生两种流动[2,3],一种是充模过程,即树脂充满整个模腔的过程(宏观流动);另外一种就是浸润流动,即树脂向纤维束内渗透的过程(微观流动)。宏观流动发生在纤维束周围,而微观流动发生在纤维丝周围。树脂注入模腔的过程中,树脂必须迅速地充满模腔并在化学反应发生之前浸透所有的单根纤维丝。增强材料与树脂接触的时间短,容易形成不良的树脂-纤维结合界面。如果纤维未得到完全浸润,复合材料构件的强度不高。浸润不完全容易引起界面处产生气泡,这些气泡导致应力集中,使复合材料性能下降。浸润流动主要是与树脂和纤维表面张力的差异有关。如果树脂的表面张力低于增强材料的表面张力,则浸润得以进行。在RTM工艺中,除了树脂固化,树脂和纤维的物理/化学结合也是很重要的。工艺过程中,树脂和纤维在树脂基体固化之前迅速而准确的结合。树脂固化(例如凝胶或玻璃化)只需几分钟,所以树脂-纤维界面要在较短的浸润时间内形成。由于RTM工艺中浸润时间短,界面结合主要取决于化学反应而不是物理反应。纤维浸润剂以薄的固体薄膜的形式附着在纤维表面上,可以改善界面处的化学和物理行为,因此必须与树脂相容以利于树脂的渗透以及化学反应的发生。纤维增强聚合物复合材料最终的机械性能在很大程度上取决于树脂对纤维的浸润程度以及粘着效果[4]。因此,理解和控制RTM充模流动(充模和纤维浸润)以及固化过程中发生的反应(树脂基体的固化和树脂/浸润剂的反应)是很重要的。本文的工作是研究RTM工艺中树脂-纤维的浸润与结合情况,并进行了两类实验:󰀂成型实验,分析工艺条件对树脂-纤维界面上的浸润以及结合的影响; 流动观察实验,研究流动速率和温度对充模和浸润过程相互作用的影响。2󰀁实󰀁验2.1原材料实验中选用E玻璃纤维连续毡和编织的单向玻璃纤维毡-为增强材料,并经过一定的表面处理。实验中所应用的两种基体树脂是聚氨酯(PU)和聚242002年3月树脂传递模塑工艺中工艺参数对树脂-纤维界面的影响FRP/CM󰀁2002󰀁No.2氨酯与不饱和聚酯树脂(PU󰀂UPE)的混合物。2.2流动观察实验实验中所使用的透明模具是由PMMA制成的,模腔的尺寸为400!244!3mm,使用简易注射装置将树脂注入模具中。显微镜在放大20倍下观察流动前沿。实验分别在两种不同流动速率下和两种不同树脂温度下进行。为了研究树脂注射过程中浸润和充模之间的相互作用,消除粘接的影响是很有必要的(这就是保证没有化学反应发生)。本文使用一种非反应性的树脂-DOP油来做流动观察实验。

图1󰀁室温下流动速率对流动前沿形态的影响󰀁󰀁图1给出了流动速率对流动前沿形态的影响。在较高流速下,纤维束间的流动(宏观流动)要超前于纤维束内的流动(微观流动)。因为每束纤维含有大量的纤维丝,纤维束内的空间比纤维束间的空间要小得多,因此纤维丝的渗透率远比纤维毡的渗透率小。在较高流速下,流动前沿形态受流动方向上压力梯度的影响较大,而受毛细作用力的影响较小。当流动前沿遇到纤维束时,树脂胶液将绕其流动。流动前沿绕过之后,树脂才在毛细作用力下缓慢地浸润纤维束。在较低流速下,由于毛细作用力的影响,纤维束内的流动前沿领先于纤维束间的流动前沿。流动观察实验中无法控制模具的温度。为了研究温度的影响,实验在两个不同的温度下进行(60∀和5∀下的胶液,模具处于环境温度下),控制树脂的流速在较低的范围内,结果见图2。从图中可以看出,在两种情况下纤维束内的流动前沿都要超前于纤维束间的流动前沿,这是流速比较低的原因。然而,两种情形下超前和滞后的程度却大不相同。在较高温度下微观流动和宏观流动的速率差比较低温度下要大。这是因为在较高温度下树脂的粘度小,所以树脂流动要比低温下顺畅得多。微观流动速度的提高改善了树脂对纤维的浸润。也就是说,较高温度有利于浸润。

图2󰀁温度对流动前沿形态的影响󰀁󰀁2.3󰀁成型实验连续玻璃纤维毡增强PU基和PU-UPE基复合材料的成型实验结果如表1、2所示。表1的结果表明当构件在较高注射压力(0.42MPa)和较低模具/纤维毡温度(室温)下成型时,拉伸强度最小;而在较低注射压力(0.21MPa)和较高模具/纤维毡温度(60∀)下成型时,拉伸强度最大;在同样的注射压力下,纤维温度高,拉伸强度就大。因为温度并不影响固化后树脂的拉伸强度,因此树脂本身对于所观察到的现象并没有什么影响。这就说明了拉伸强度的差异可能起因于树脂-纤维界面的粘接情况。25󰀁2002年3月玻璃钢/复合材料FRP/CM󰀁2002󰀁No.2表1󰀁连续玻璃纤维毡增强PU树脂试样的拉伸强度注射压力/MPa模具/纤维毡温度/∀充模时间/s拉伸强度/MPa0.42室温717.70.4260321.80.21室温1829.80.21601223.4表2󰀁连续玻璃纤维毡增强PU-UPE混合树脂试样的拉伸强度注射压力/MPa模具/纤维毡温度/∀充模时间/s拉伸强度/MPa0.42室温578.50.4260386.50.21室温781.10.2160589.3制品横断面的扫描电镜照片证实了从拉伸强度数据中得出的推断。对于连续和单向玻璃纤维毡增强PU基复合材料,在0.21MPa-60∀条件下界面粘接和浸润效果较0.42MPa室温条件下要好,但树脂与纤维的结合界面仍不是很理想,如图3

。图3󰀁连续玻璃纤维毡增强PU复合材料断面(0.21MPa-60∀)󰀁󰀁表2给出了连续玻璃纤维毡增强PU-UPE混合树脂试样的拉伸强度,得到的结果与从表1中得到的关于PU基复合材料的结果类似。构件在较高注射压力(0.42MPa)和较低模具/纤维毡温度(室温)下成型时,拉伸强度最小;而在较低注射压力(0.21MPa)和较低模具/纤维毡温度(室温)下成型时,拉伸强度有所增加;在较高注射压力(0.42MPa)和较高的模具/纤维毡温度(60∀)下,制品的拉伸强度更大;在较低注射压力(0.21MPa)和较高的模具/纤维毡温度(60∀)下,拉伸强度达到最大。

图4󰀁连续玻璃纤维毡增强PU-UPE复合材料断面(a)󰀁0.42MPa-室温󰀁(b)󰀁0.42MPa-60∀󰀁(c)󰀁0.21MPa-室温󰀁(d)󰀁0.21MPa-60∀262002年3月树脂传递模塑工艺中工艺参数对树脂-纤维界面的影响FRP/CM󰀁2002󰀁No.2󰀁󰀁图4给出了对应于四种不同工艺条件下得到的4组制品的SEM照片,结果与拉伸强度数据相对应。图4d表明了0.21MPa-60∀下制得的复合材料构件浸润程度最大,大量的树脂粘附在纤维丝上,而且铺覆得很均匀。与此相反如图4a所示,0.42MPa-室温下制得的制品浸润效果很差,图中纤维只被一片一片的树脂所覆盖,表面的树脂膜也很薄。图4b和4c中浸润和粘接效果处于中间状态。从图4也可以看出,在同样的模具/纤维毡温度下较低的注射压力,浸润效果要好(a对c,b对d),而在相同的注射压力下较高模具/纤维毡温度时浸润和粘接效果要好(a对b,c对d)。通过比较图3和图4d看出,应用胶料相容树脂可以改善界面的粘接性。3󰀁结󰀁论本文说明了在RTM成型工艺中恰当地选择成型工艺参数的重要性。较低的注射压力有利于单纤维丝的浸润,而较高的成型温度可以得到较好的浸润和粘接效果。树脂对纤维的浸润程度以及树脂与纤维界面粘接的好坏直接影响到复合材料构件的拉伸强度。本文研究结果也表明了对于玻璃纤维增强聚酯系统,应使用合适类型的纤维表面处理剂对纤维进行处理以改善树脂/纤维界面的粘接。参考文献1󰀁J.S.HaywardandB.Harris.SAMPEJ.1990,26(3):39;2󰀁Molnar,J.A.,Trevino,L.,LeeL.J.Liquidflowinmouldswithprelocatedfibremates.PolymerComposites,1989,(6):414-4233󰀁S.G.DamaniandL.J.Lee.Polym.Compos.1990,11:1744󰀁Hayward,J.S.,HarrisB.Processingfactorsaffectingthequalityofresintransfermouldedcomposites.PlasticsandRubberProcessingandApplications,1989,(4):191-198

INFLUENCEOFPROCESSINGANDMATERIALVARIABLESONRESIN-FIBERINTERFACEINLIQUIDCOMPOSITEMOLDINGQiuGuijie(WuhanUniversityofTechnology)Abstract:Inthisstudy,systematicinvestigationoninfluenceofprocessingvariablesonthetensilestrengthandresin󰀂fiberinterfaceofcompositepreparedbyresintransfermouldingprocesswascarriedout.Thevariablesstudiedincludedinjectionpressureandmold/fibermattemperature.Fiberswerebetterwettedandbondedatlowerinjectionpressureandhighermoldingtemperature,whichresultedinahighertensilestrengthofmoldedcomposites.Keywords:RTM󰀁injectionpressure󰀁temperature󰀁interface收稿日期:2002-3-6(上接第31页)󰀁󰀁(2)根据价格性能比,对于工作时间较短(#30s)的喷管用616酚醛树酯与高硅氧玻璃布模压件即可满足要求,而对于工作时间超过30s的喷管,采用碳布增强与高硅氧玻璃布增强的双层模压件作耐热内衬比较合适。参考文献1󰀁罗震.高性能玻璃钢内衬的研制.宇航材料与工艺,1997,32󰀁吕振中,王秉勋.固体发动机喷管烧穿故障的实验分析.宇航材料与工艺,1997,63󰀁方丁酉,夏智勋等.喷喉烧蚀损失计算.推进技术,1998,5HEAT󰀂RESISTANTROCKETNOZZLELINEERMOULDINGWangChunqi󰀁ZengJingcheng󰀁DuGang󰀁ZhangChang∃an󰀁LiuJun(NationalUniversityOfDefenceTechnology)Abstract:Thepaperpresentsthemouldingprocessofsolidpropellantrocketnozzleliner,twotypesofheat󰀂resistantnozzlelinersandenginetesting.Keywords:nozzleliner󰀁heat󰀂resistance收稿日期:2002-1-1527󰀁2002年3月玻璃钢/复合材料FRP/CM󰀁2002󰀁No.2