预浸料——高性能复合材料用原材料.pdf
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1、玻璃钢 2 0 0 3 年 第2 期 预浸料一 高性能复合材料用原材料 丕 扬译王者友校(上海玻璃钢研究所)摘要 对性能、材料鉴定和产品一致性有极高要求的行业,如航空航天、国防、船舶、海上油井、公交交通工具和可再生能源诸部门,预浸料已得到公认。Ge o r g e Ma s h对预浸料的材料和制作 方法做出了评论。木工不想亲 自由纤维(纤维素)和树脂(木质素)组织原材料来作为产品制造过程的 一部分。而事实上复合材料制造商(他们中许多都使用增强塑料连续生产模塑件)却希望 如此。难怪,对高性能复合材料来说,获得要求的稳定的高质量是一个难题。有待控制的 大量变数,如树脂的选择和含量,纤维增强材料的铺
2、放和含量,催化剂和促进剂类添加剂,浸润和避免空气裹人的程度,真空、温度和压力对固化的程度影响、放热和正确填充模具(闭模工艺时)等是很难同时满足的。这就是为什么材料供应商要开发一种更有生命力的。原材料”的原因。“预浸料”织物 成卷筒状并可直接铺进模具内,不需要进一步浸润,而且避免了操作工人与液态树脂的接触。在该系统中,纤维用预催化树脂预浸渍使其处于稳定的等待期或称“B”阶段,因此,只需 在产品模塑阶段将材料提高到引发温度而进行固化即可。随着预浸料的变迁,材料供应商担 负的重任是保证:高的纤维体积含量、最佳树脂,纤维组合、低空隙(通常小于 2)以及高 重复性地达到这些要求。预浸料在对性能、材料评定
3、和产品一致性要求极高的行业中的应用 已得到认可,如航空航天、国防、船舶、海上油井、公共交通工具和可再生能源诸部 门。为了防止在室温下缓慢发生的交联聚合反应,大多数材料必须保存在一 1 8 C 左右的冷藏 库内,所以预浸料的储存便成了一个问题。冷藏的预浸料好几年仍可使用。供应商对其产 品确定的“外放置寿命”是该材料能在冰柜外保持仍可用的累加时间。超过其最大外放置 寿命的材料不可使用,并应该废弃。对各种应用都有相应的预浸料。树脂可以是聚酯(邻苯或间苯二甲酸酯)、乙烯基或氰 酸酯、环氧、酚醛、双马来酰亚胺和聚酰亚胺诸热固性树脂;或热塑性树脂如聚酰亚胺醚 P E I、聚醚砜 P E S、聚醚酮 P E
4、 K和聚醚醚酮 P E E K,而增强材料可以是聚乙烯、玻璃纤维(E、s、R等)、芳纶(K e v l a r、T w a r o n)、碳纤维(沥青、聚丙烯腈,即 P A N或纤维素)、硼和 陶瓷等纤维以单向带、纤维束或带的形式或作为一多向的(双轴的、三轴的)、编织的、针 织的或交织的二维或三维织物。织物可根据所期望的样式(指定的形状)、粘着性以及重量 和机械性能来选择。选择树脂是按照其韧性、玻璃化温度(其耐热性的度量)和固化时的 2 7 维普资讯 http:/ 其它性能如其预固化粘度、聚合所需的温度和放热量(由固化化学反应产生的热)。预浸料 生产商可使用比其相竞争的工艺(例如树脂灌注工艺)
5、所用树脂更粘稠具有增粘功能的树 脂,这样就减少了为了增加流动性而损失机械性能的问题。用这种方法生产预浸料可获得 。+高的纤维体积含量,并可从最终产品的机械性能上得到反映。1 制 造 预浸料可这样制作:用溶剂稀释树脂;使稀释的树脂浸透所指定的纤维;然后蒸发掉 浸渍纤维上的溶剂并使之干燥。这种典型的第一代预浸料溶剂浸渍的生产方法包括:干纤 维通过张力辊到一浸胶槽,然后经过诸辊筒压紧此胶液成等厚度,并从那里进入一溶剂槽(典型的用于环氧树脂的溶剂是丙酮或二氯甲烷)。从溶剂槽出来后把材料拉过一干燥塔(基 本上是一垂直炉),迅速蒸发掉溶剂并使树脂固化到“B”阶段。一定要注意保证不留溶剂,因为溶剂的残留物会
6、使最终制 成品固化时产生空隙。此浸渍材料铺上一涂有脱模剂的纸,然后整个儿被摧成产品,进行储存、冷冻,其储存周期可持续几个月或几年。自 动化溶剂加工工艺在连续生产中可产生一致的结果。但其缺点包括:对溶剂的环境 关注,环保法规 日 益严谨;对敞槽浸胶工艺需提供安全、防爆的车间,以及溶解有些坚韧 的树脂体系而不损害其机械性能的困难(尽管化学配方的进展已改善了后面的问题)。这些 障碍激励了最近采用的另一种替代体系热溶浸渍。在这种方法中,一硅酮脱模纸被涂覆上树脂膜(通常是在两面)。干纤维和双面膜组合 在一起形成预浸渍单元生产出三组分的层板。这时通过加热的压紧辊筒把粘性的树脂压进 纤维以浸透它。然后层合的
7、预浸料通过冷却辊筒并从那里摧上大辊筒供储藏及运输。树脂膜重量、纤维密度、压紧加热和加压压力、冷却速率和其它参数均数控控制以保 证生产重复地达到要求的质量。运行速度高达 1 7 0 r n m i n的精密涂胶机控制树脂膜的重量接 近到可在 1 2 1 2 0 g m 2 之间进行设定。树脂供应商已调整化学成份以使其适应热浸渍的需要,减少了早先对热熔工艺会不象溶剂工艺那样能彻底浸透纤维的担心。包括D 射线测量的尖端 在线监测使树脂的诸参数能迅速调整从而保证质量。把纤维和树脂集合在精确测定的数量 范围内使废料减至最少,并且用少量试验生产即能迅速被优化。因为热熔工艺比溶剂工艺生产速度高(例如 C e
8、 n t u r y D e s i g n公司制造的有些机器高达 3 0 m m i n),所以逐渐降低了成本。热熔工艺的产品首先 瞄准了运动器材和其它需要价格上 可竞争的高纤维体积含量 的领域,但现在正被航空航天和其它高性能领域所采用。在某些 情况下为完成在现有(溶剂)工艺中投资的全部效益的需要抑制了对热熔理解的步伐,可 是主要的供应商 H e x c e l C o m p o s i t e s、S P S y s t e m s、T o r a y 和 C y t e c F i b e r i t e 诸公司已大多在热 熔设备方面进行了投资。2 发展 2 8 新近发展趋势的考虑说明
9、材料供应商正一如继往地扩大预浸料工艺的范围。非常清楚的是,如果其生产、储存和加工的费用能降低的话,预浸料会得到较大的市 维普资讯 http:/ 场认可。对此贡献最大的是固化温度的降低。H e x c e l C o m p o s i t e s 公司的一位预浸料专家 N e i l H o w a r d说,如果温度能降低到足以不需目前在航空航天中通常所用的热压釜固化 它将产 生极大的影响。除了免掉加工管理费用外,能减少模具成本,还在复合材料成品中减少弹 性后效。H e x c e l 的化学家已通过使用 M2 1,朝这一方向迈进了一步。M2 1 是一种第三代韧 性环氧基体,它具有航空航天应
10、用所需的机械强度、刚度和其它性能,但可在 l 3 0 时(而 非通常的 1 8 0 C)固化。M2 1 在湿热老化后在冲击及开孔压缩试验中表现出高的压缩强度。在温度高达 1 3 0 C 还保留湿热性能。此树脂流动性能良好,而且固化简单不需后固化。M2 1 可与单向带和多轴织物一起使用作为适用于大型航空航天结构件的预浸料。M3 6这种空中客车公司认可的材料是另一 1 3 0 时固化的基体配套材料,被作为厚膜 应用。有趣的是,M3 6同样地瞄准树脂灌注工艺,此工艺与“标准的”航空航天用热压釜 预浸料工艺(作为推荐应用单向带和机织织物的预浸料领域)竞争。因为密度比标准 1 8 0 固化基体的约低 1
11、 0,此树脂可节省重量,优于第二代(增韧的)环氧树脂,有着同等 的机械性能(例如 H e x c e l 的 8 5 5 2 和 M7 2,后者在 C y t e c 许可下生产)。其粘度状况和低放 热特征使其可与在“半预浸”方法中树脂膜和干纤维层交错的厚铺层共同使用。通常对预浸料的批评是其生产的难度。铺层法因在层间常需压实使得操作缓慢,这阻 碍了大规模批量生产。预浸料也不大适合复杂的小半径的 3 D 几何形状。在这方面预浸料 跟 S MC和B MC形成了对照,S MC和 B MC因其易于制造而受到汽车工业的青睐。但 S MC 和 B MC因其纤维短及纤维含量低而缺乏预浸料具有的高方向性机械强
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