布带缠绕薄壁长管界面性能改进研究.pdf

　２４　布带缠绕薄壁长管界面性能改进研究　　２０１３年７月　布带缠绕薄壁长管界面性能改进研究　　　史国中，王璐　　　　　　（１．中国人民解放军空军驻安顺地区军事代表室，贵州５６１０１７：　　　　　２．北京玻钢院复合材料有限公司，北京１０２１０１）　摘要：本文介绍了原材料、偶联剂、加压工艺对玻璃纤维氨酚醛平行缠绕薄壁长管界面的影响，并且对其机理进行分析。　　　　关键词：界面；分析；偶联剂　　中图分类号：ＴＢ３３２　　　文献标识码：Ａ　———　文章编号：１００３０９９９（２０１３）０４００２４０４　　　　　１日ｌＪ舌　布带缠绕成型工艺是缠绕成型工艺中重要的成　　型方法之一，这种成型工艺主要用于制造功能复合　　　　材料。在生产较长管时，一般采用平行缠绕，其工艺　　　　　操作简便，多采用机械化、自动化，生产效率高，并且　　　　具有均匀、耐腐蚀，强度高、电绝缘性能好等特点，被　　　　广泛应用在航天、航空、国防工业、绝缘基材等领域。　　　平行缠绕制品布层平行于气流方向，因此其抗冲刷　　　　　能力较差，在气动力作用下容易产生纤维分层、剥　　　层、脱粘等现象。形成这些现象的原因是多种多样　　　的，如树脂与纤维浸润性差、含胶量过低、缠绕件相　　　邻缠绕层间隔时间长、固化工艺加压时机控制不合　　　　　理、缠绕过程中混入夹杂物等等。所以对界面的研　究成为近年研究的主要方向。　本文以玻璃布氨酚醛体系平行缠绕薄壁长管为　　　　　例，比较固化加压、添加偶联剂等方法对界面的影　响，分析其产生机理。　　２工艺设计　　　２．１材料、设备　　　玻璃纤维ＥＷ１００Ａ型后处理布、ＥＷ．１００型前　　　　　　　处理布；氨酚醛树脂；偶联剂、酒精、尼龙热收缩带；　　立式浸胶机；缠绕机等。　　　２．２工艺流程　　浸润后的预浸布取样，进行分析测量，计算含胶　　　量、挥发分、不溶性树脂含量三项指标。采用平行缠　　　　　绕，固化成型后，按照层问剪切强度、拉伸强度、弯曲　　强度的国标要求加工试体送国家玻璃钢制品质量监　　　督检验中心测试性能。操作流程图如图１所示。　区一　　　　　　　　图１工艺流程图　　３结果与讨论　　３．１原材料对界面的影响　　　使用后处理布ＥＷ１００Ａ（下文表内简：０后）和前　　处理布ＥＷ１００（下文表内简：０前）浸润相同组分氨酚　　　　醛树脂，从预浸布两侧及中间共取样三组进行成分　　　　分析，汇总数据见表１；从ＥＷｌＯＯＡ、ＥＷ１００两种预　　浸布经相同工艺成型薄壁长管上取拉伸强度试体５　　　　个（母线方向）、弯曲强度试体５个（母线方向）。测　　　　试后数据汇总，见表２、表３。　　３．１．１浸润性分析　　　表１预浸布指标　　　　　注：挥发份、不溶性固体含量单值相近、离散小，以均值代表。　　预浸布的质量不仅影响后续成型工艺，也影响　　　产品的机械性能和界面情况。综合原材料情况、含　　　　　胶量、挥发份、不溶性固体等多方面，基本上可以判　　　　　　　　　　　　　　断预浸布的质量。根据表１数据，后处理布　　　ＥＷ１００Ａ含胶量平均值略低于前处理布ＥＷＩＯ０。左、　　中、右每个取样点测得单值间比较也呈现相同趋势。　　两种预浸布同组三个取样点，两侧取样含胶量均高　于中间的含胶量。挥发份平均值前处理布高于于后　　　　处理布，三个单值相近、离散小。不溶性固体含量比　　　较后两组平均值相近，后处理布ＥＷ１００Ａ的数值略　　　收稿日期：２０１３４３２－２６　　　　　　　　　作者简介：史国中（１９６６一），男，硕士，高级工程师，主要从事航空机械和飞机制造方面的研究。　　　　　Ｐ，Ｃ２０１３２ｏ．４　　　２０１３年第４期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　２５　　　高。一般而言，含胶量较高的预浸布相对于含胶量　　　　较低的预浸布，在平行缠绕过程中层间粘接更有利，　　主要表现在布带与芯模更贴服、布带与布带搭接平　　　　整均匀。然而由于复合材料成型工艺的复杂性，如　　　　　　果预热温度、缠绕速度、加压时机、保温时间等环节　　　控制不当，含胶量较高的布带也会出现局部固化过　　　　　度、聚胶、贫胶、褶皱等现象，影响界面性能。挥发份　　和不溶性固体含量也有相似情况。　　　综合三项指标前处理布ＥＷ１００的预浸布略优　　　于后处理布ＥＷ１００Ａ，这主要是由于玻璃纤维前处　　　　理布、后处理布不同生产工艺所产生的产品特性。　　　　后处理布由于工艺所致表面附着蜡和碱性残留等，　　这些都对玻璃纤维与各种基体树脂的浸透性和结合　　力有一定的影响。因此在工程化生产过程中，后处　理布在浸润工艺前需要添加高温脱蜡环节，并且对　脱蜡后布残留成为进行取样检测。而就含胶量单值　　　　左、右两侧数值高于中间，导致差异的可能性则比较　　　　多，情况比较复杂，如通过刮胶辊是否均匀、张力、浸　润角度等等。　　３．１．２力学性能分析　　　　拉伸失效是一种复合材料常见的失效行为，其　　　　特征之一就是界面失效，拉伸强度是反应复合材料　　　　　　　纤维与基体之间界面的重要参数。综合表２、表３　　　　内数据，前处理布ＥＷ１００拉伸强度和弯曲强度的５　　个单值和平均值都大于后处理布ＥＷ１００Ａ，比较两　　个离散系数前处理布较小。其拉伸强度５个单值之　　　　　　间比较，存在不规律起伏，数值不平稳，并且弯曲强　　度相对比较平稳。　　　弯曲失效也是典型的复合材料失效行为之一，　　表现形式很多：发生明显的断裂失效，也可能产生明　　　　　显开裂等。弯曲失效的裂纹特征可能具有拉断特　　征、剪切特征或复合特征。　　　　后处理布的拉伸强度、弯曲强度明显小于前处　　　理布这一现象，原因主要来自前处理布和后处理布　　　　两种原材料存在差异。后处理布经过高温脱蜡处　　理，温度对复合材料力学强度降低也有直接影响。　　　表２拉伸强度（母线方向）　　　　力学性能编号１　２　３　４　　　　５平均值离散　０　１２５　１４７　１５２　ｌ４４　１５６　１４５８．　３　拉伸强度　０前　　　　　１７４１７６１５７　　　１８ｏ１６４　　１７ｏ５．　６　　　表３弯曲强度（母线方向）　　３．２偶联剂对界面的影响　　　使用含偶联剂０．５％溶液对前处理布ＥＷ１００表　　面进行处理（下文表内简：１前）后重复上文工艺。浸　　润相同组分氨酚醛树脂，从预浸布两侧及中间共取　样三组进行成分分析。从成型管上取拉伸强度试体　　　５个（母线方向）、弯曲强度试体５个（母线方向）、层　　间剪切强度试体５个。所得预浸布三项指标和力学　　　　性能与不做偶联剂表面处理的前处理布进行比较，　　　具体见表４～表７。　　３．２．１浸润性分析　　　表４预浸布指标　　　　　根据表４，前处理布ＥＷ１００含胶量平均值明显　　低于偶联剂处理过的含胶量，中间取样点测得单值　　　　相比也呈现相同趋势，有明显差别，左、右两侧取样　　点测得数值相近。两种预浸布带同组三个取样点，　两侧取样含胶量均高于中间的含胶量。挥发份和不　溶性固体含量也发生了比较显著的变化。使用偶联　剂表面处理过的前处理布挥发份平均值高于未处理　　过的，不溶性固体含量减小一半。图２是根据含胶　量数值绘制的示意图。　３９一一　　一：～～～～～～一　３８　３７’　＼　　　／、、、、、．　３６　　　　、、，／／　＼　／　３５　左　中　右　均值　　　一１　　图２两种预浸布含胶量示意图　　　图２中靠上方，起伏不大，整体趋势比较平稳的　折线是经偶联剂表面处理过的前处理布含胶量的变　ｌ　　簿¨　ｌ　２６　布带缠绕薄壁长管界面性能改进研究　２０１３年７月　化。靠下方另一条起伏较大的折线则是未经处理过　　的前处理布的含胶量变化趋势。浸润过程中影响含　　　　胶量的因素有很多，比如车速，角度，温度等等，由于　　设计浸润流程相同，在这里忽略其他因素，经偶联剂　　处理过的玻璃纤维布与基体结合力有显著的提升，　　且上胶比较均匀。　　３．２．２力学性能分析　　　　　对０前及１前测试力学性能如表５～表７所示。　　　　　　表５拉伸强度（母线方向）　Ｏ　　　　　　　　　　　　　２１．９１３．３１４．９１３．１１５．７１５．８２３　　　…　层剪强度１前　　　　　　　　　　　　　２０．３２０．６１７．１２０．１１７．５１９．１７．８　不难看出经偶联剂处理过的前处理布的力学性　　　　能全部平均值高于未经处理过的，单值比较大多数　也是相同规律。　　为了更加直观的体现出偶联剂的使用所造成的　　　　差别，根据拉伸、弯曲、层剪强度平均值绘制示意图，　　　　如图３所示。口０　＿ｌ　　拉伸　弯曲　层剪　　图３力学性能变化示意图　　　结合上文中对后处理布ＥＷＩＯＯＡ和前处理布　　　　ＥＷＩＯ０的浸润性、力学性能上差别的分析，可以推　　　　　ＲＣ２０ｉ３ｉＮｏ．４　　　断图３显示出的差异，主要是受偶联剂的影响所致。　偶联剂利用其分子结构中含有化学性质不同的两个　　　　　基团这一特点，成为无机物和有机物之间的桥梁。　　　　在不影响原有性能的前提下，从改善界面人手，进一　步提高复合材料的性能。经偶联剂处理过的前处理　　　　布ＥＷ１００的拉伸和弯曲强度虽然相比未处理的前　　　处理布有所改善但从数值上观察，并不显著；但其层　　间强度的变化却比较明显。这主要是拉伸和弯曲强　　　度受纤维材料本身强度的影响比较大，而当纤维本　　　身不发生变化，只是纤维与树脂间的界面性能变化　　　时，这种变化所导致的影响在层问强度上的反应优　于拉伸和弯曲强度。　　３．３加压对界面的影响　　　使用前处理布ＥＷＩＯ０经过浸润相同组分氨酚　　　醛树脂，预浸布状态可视与０前相近。加压方式采用　通过在预浸布平行缠绕成管后再使用尼龙热收缩带　　在外层继续缠绕加压层，通过尼龙的热收缩在固化　　过程中加压（下文图内简：２前）。因其预浸布状态与　　前处理布ＥＷｌ００相近故不再重述分析。成型管上　　　　　取拉伸强度试体５个（母线方向）、弯曲强度试体５　　　　个（母线方向）、层间剪切强度试体５个，与０前进行　　　　比较，具体见表８～表１０。　　　表８拉伸强度（母线方向）　Ｏ　　　　　　　　　　　　　２１．９１３．３１４．９１３．１１５．７１５．８２３　　”　层剪强度　２　　　　　　　　　　　１２．８１２．４１４．５１３．８１８．９１４．５　１８　　　０前与２前使用同种ＥＷ－１００型前处理布，与氨酚　　　醛树脂浸胶、相同的平行缠绕过程和固化过程，唯一　　　　　的不同在于２前多了尼龙加压外层。相比未加压０前　瑚　　　２０１３年第４期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　２７　　　　　　管，加压的２前管产品的质量更好应该，使产品致密，　　　固化更充分完全，对产品界面有正面影响，从而改善　——　缠绕成型复合材料的通病层间剪切强度较低。　　　　　　但实际情况对比表８～表ｌ０没有加压的０前和尼龙　　　加压的２前拉伸强度、层间剪切强度和弯曲强度平均　　　　值和离散，不难看出并未达到我们预期的效果。　　　对于这一现象的原因，本文分析认为：尼龙材料　　　热收缩加压效果与尼龙热收缩带外层缠绕的厚度，　　　　层数，使用的张力大小控制、尼龙收缩起始温度，以　及收缩效果等等均有一定的关系。从层间剪切强度　　　　　分析，同样的材料，加压会促进固化，产品的流胶量　也会受到影响，所以在使用加压方式时，应充分考虑　　　各方面情况，对生产工艺，预浸布指标都要做出相应　　　的调整。这是下一步将要系统研究的内容。　　　４结论　　　　从目前的研究工作可以初步得出以下结论：　　（１）原材料会对界面造成影响。同种玻璃纤维　　生产出的前处理布和后处理布，与同组分氨酚醛树　　　脂的浸润效果前处理布较之更稳定、含胶量有提升，　　　　并且在力学性能也有１５％～２０％左右的提升；　（２）相同的前处理布，表面进行偶联剂处理的，　　　浸润效果明显不同，相对未经处理过的前处理布浸　　　　润更加均匀、各项数据更加稳定。层间剪切强度提　　升明显。预浸布的质量，对复合材料的界面性能尤　　　　为关键。在批量生产中可以通过对含胶量、挥发份、　　　不溶性固体含量等参数持续积累、研究，总结偶联剂　　　　　　　　　　　　　的比例和使用方式与产品界面性能改善之间的　　规律；　（３）调整工艺使用尼龙热收缩带在长管外层缠　　　绕，利用尼龙热收缩性质加压未收到预期的效果，无　　　法判断其对界面性能是否存在影响，还需要进行更　　多研究。　参考文献　　　　　［１］范金娟，程小全，陶春虎编著．《聚合物基复合材料构件失效分　　　析基础》［Ｍ］．北京：国防工业出版社．　　　　［２］周祖福著．《复合材料学》［Ｍ］．武汉：武汉理工大学出版社．　　　　　　　［３］ｒ・Ｃ・皮萨连科，Ａ・１７・亚科夫列夫，Ｂ・Ｂ・马特维也夫［苏］著．　　　《材料力学手册》『Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社．　　　　　　　　　’　　’　ＲＥＳＥＡＲＣＨＦＯＲＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＩＮＴＥＲＥＡＣＩＡＬＰＲ０ＰＥＲＩｌＥＳ０　　　　　　　　　　　　　ＴＨＥＷＤＤＧｏＦＴＨＷＡＬＬＬｏＮＧＴＵＢＥ　　　　　ＳＨＩＧｕｏ．ｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧＬｕ　　　　　　　　　（１．ＭｉｌｉｔａｒｙＤｅｐｕｔｅＯｆｆｉｃｅｏｆＡｉｒｆｏｒｃｅｉｎＡｎｓｈｕｎＡｒｅａ，Ｇｕｉｚｈｏｕ５６１０１７，Ｃｈｉｎａ；　　　　　２．ＢｅｉｊｉｎｇＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｒａｗｍａｔｅｒｉａｌ，ｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｗｉｎｄｉｎｇｏｆｆｉ－　　　　　　ｂｅｒ－ｇｌａｓｓｗｉｔｈｔｈｉｎｗａｌｌｌｏｎｇｔｕｂｅ．　　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｕｐｌｉｎｇａｇｅｎｔ≈　　：　　｜　　＿　　　　　・Ｃ｜ｊ互一