非织造工艺对天然纤维增强体树脂流动性能的影响.pdf

玻璃钢/复合材料FRMN非织造工艺对天然纤维增强体树脂流动性能的影响薛道顺1,周红涛2,胡红1(1东华大学纺织学院,上海201620;2盐城纺织职业技术学院,盐城224005)摘要:纤维增强体的树脂流动性能是影响树脂传递模塑工艺设计及其复合材料质量的一个重要因素。本文利用单向法测试真空辅助传递模塑工艺中非织造工艺对亚麻纤维增强体对树脂流动性能的影响。结果表明,相同压力条件下,由平行铺网工艺制作的纤维增强体比交叉铺网工艺增强体树脂渗透率低,流动各项异性大;随着层数的增加及压力的增大,两种铺网工艺增强体的树脂渗透率降低,压力的变化对流动各向异性影响不大。关键词:VARTM;天然纤维;渗透率;流动异性中图分类号:TQ323文献标识码:A文章编号:1003-0999(2011)01-0029-04收稿日期36作者简介薛道顺(),男,主要从事复合材料研究。1引言随着人们对环境保护及可持续发展认识的不断增强,天然纤维增强复合材料的研究已得到持续关注。天然纤维作为复合材料增强体,具有比强度高、重量轻及环境友好性等优点,符合可持续发展的需要。天然纤维不但用于增强热塑性树脂复合材料,也用于增强热固性树脂复合材料。Joshiaeta.l[1]从生命周期评价的观点出发,认为天然纤维增强热固性树脂复合材料比玻璃纤维具有明显的环境相容性。Skrifvars[2]从焚烧回收工艺的角度,认为天然纤维增强热固性树脂复合材料没有降低其生物相容性。亚麻属韧皮纤维,是一年生草本植物,对气候的适应性很强,是一种丰富的、生长周期短的可再生资源。亚麻纤维自身为天然复合材料结构,是可降解的有机纤维,具有价廉、可回收、可降解及可再生的生态环保等优良性能,同时还具有比重较小,比强度和比刚度较高等优点。亚麻纤维可作为环保型复合材料的理想增强材料,在我国资源丰富,作为产业用原材料有利于环境保护和可持续发展。亚麻纤维作为复合材料使用中最有潜力的一种增强材料,用于增强热塑性与热固性复合材料,得到了广泛关注[3~6]。真空辅助树脂传递模塑工艺(VacuumAssistedResinTransferMoulding,VARTM)是一种制作高性能复合材料的液体传递模塑工艺。在此工艺中,热固性树脂在真空压力的作用下,流过并渗透纤维增强体,固化成为复合材料。渗透性能的好坏是决定最终材料性能的重要因素,渗透率是反应纤维渗透性能的物理参数,它对模具设计及加工效率具有重要影响,是数值模拟的关键参数,能够决定流动特性,影响树脂对增强体的浸渍方式,影响产品质量,也是平衡考虑工艺性和力学性能的重要因素[7]。近年来,对于渗透率的研究已日渐深入。研究者对于以玻璃纤维及碳纤维等作为增强体的树脂渗透性能进行了大量的研究[8~10],但对于天然纤维增强体树脂渗透性能的研究相对较少。本文研究了亚麻纤维增强体在VARTM下非织造技术对树脂流动性能的影响。2实验21实验材料亚麻纤维由工厂提供,不经任何化学处理,亚麻纤维的平均直径为2336m,直径分布采用纤维直径光学分析仪测定,亚麻纤维直径分布见图1。图1亚麻纤维直径分布Fig.1DistributionofflaxfiberwidthmeasuredonOFDAinstrumentwithexpandeddiameterrange292011年第1期P/C2011o1:201001:1980非织造工艺对天然纤维增强体树脂流动性能的影响FRMN不饱和聚酯树脂1482从FGI公司购得,作为实验用树脂。22亚麻纤维增强体的制备采用平行铺网与交叉铺网工艺制备亚麻纤维增强体。亚麻纤维被梳理为20~30g/m2的薄网,多层薄网通过交叉铺网和平行铺网工艺制成750g/m2的纤维网,纤维网通过针刺机采用相同的针刺密度制成纤维增强体。23测试与计算231实验装置将250400mm的待测试样铺放在玻璃板上,在试样长度方向的两侧分别放置树脂进口和树脂出口,试样用真空袋覆盖,用密封胶条密封。在确保真空袋密封良好的情况下,保持真空30min后,利用厚度仪测量试样厚度,用来计算增强体孔隙率,然后开始树脂流动测试,记录树脂流动前沿位置与相应的时间。树脂流动测试前,用BrookfieldmodelDV粘度测试仪测试树脂粘度。试样在烘箱中105!的条件下烘干8h。为测试纤维增强体流动异性,以30为间隔,测试试样所有方向上树脂流动性能。每个方向上测试3个试样,取其平均值作为最终测试结果。232渗透率计算方法每个试样测试9个点的厚度,其平均值作为该试样的厚度,用于计算纤维增强体的孔隙率:=1-WAh100%(1)式中,为孔隙率;为亚麻纤维的密度,140g/cm3[11];A为增强体的表面积,mm2;h为增强体厚度,mm。在一维恒压流动的情况下,达西定律可以积分为[12]:xf2=2KPt(2)式中,xf为树脂流动前沿,mm;t为时间,s;为树脂粘度,Pa#S;K为渗透率,mm2;P为真空度,kPa。3实验结果及讨论31非织造工艺对渗透率的影响亚麻纤维增强体的树脂流动特性采用最小二乘法模拟得到[3,]。图显示了在情况下,两图2非织造工艺对树脂渗透性能的影响Fig.2Effectofnonwoventechnologyonresinflowcharacter种铺网工艺对渗透性大小及流动异性的影响。从图2中可以看出,平行铺网增强体在加工方向上(90)渗透率值最大,垂直于机器方向上的渗透率值较小,流动各项异性值为144。交叉铺网纤维增强体各个方向上的渗透性较均匀,树脂流动具有较低的各向异性(111)。这可能是由于两种铺网方式下,纤维取向不同造成的。图3平行铺网与交叉铺网增强体中纤维取向分布Fig.3Orientationdistributionoffibersinparallellaidandcrosslaidnonwovenfabric图3所示为由快速傅里叶转换法[15]测得的两种铺网工艺下纤维取向分布。从图3可以看出,平行铺网纤维增强体在90左右有明显的纤维分布峰,表明纤维在平行铺网增强体中具有明显的取向分布。交叉铺网增强体中的纤维取向分布相对较均匀,没有明显的纤维分布峰。这是由于交叉铺网过程中,纤维网中的取向被改变,杂乱罗拉的使用使得纤维毡中的纤维取向更加均匀。可以认为,纤维增强体中纤维的取向分布与树脂流动各向异性具有一定的相关性。302011年1月P/C2011o1114280kPa玻璃钢/复合材料FRMN图4平行铺网与交叉铺网压缩性能比较Fig.4Compressibilitycomparisonbetweenparallellaidandcrosslaidnonwovenfabric从图2中还可以看出,平行铺网纤维增强体的平均渗透率低于交叉铺网增强体,其原因可能是由于在相同压力条件下,交叉铺网和平行铺网增强体孔隙率不同造成的。虽然由相同的纤维组成,但交叉铺网增强体与平行铺网增强体分别表现出明显不同的压缩特性,见图4。从图4可以看出,在相同压力条件下,平行铺网增强体的纤维体积分数大于交叉铺网纤维增强体,即具有较低的孔隙率,增大了树脂流动过程中的流动阻力,从而导致了较低的树脂渗透率。这是由于交叉铺网增强体中,各层纤维网中纤维相互交叉,压缩过程中,纤维不易进入纤维之间的空隙;而平行铺网增强体中,各层纤维网中纤维取向较好,在压缩过程中,纤维较易被嵌入纤维之间的空隙,导致压缩后的增强体具有较高的纤维体积分数。32铺层层数对树脂流动性能的影响图5铺层层数对增强体孔隙率的影响Fig.5Effectofnonwovenlayersonporosity图5显示了铺层层数对增强体孔隙率的影响。从图5中可以看出,对两种铺层方式的纤维增强体,随着层数的增加,纤维增强体孔隙率下降。这是由于在压缩过程中,增强体与刚性接触面之间的相容性低于增强体之间的相容性,随着纤维层数的增加,柔性增强体与刚性压缩面之间的效应所占比重越来越小,导致纤维增强体孔隙率下降。但平行铺网纤维增强体的孔隙率降低程度大于交叉铺网纤维增强体,这是由于平行铺网方式纤维毡具有明显的纤维取向分布,相邻层之间的纤维更容易相互嵌套,纤维增强体之间的相容性优于交叉铺网增强体,导致铺层层数对孔隙率影响更明显。图6铺层层数对渗透率的影响Fig.6Effectofnonwovenlayersonpermeability图6显示了铺层层数对纤维渗透性的影响。从图6中可以看出,随着层数的增加,两种铺层方式的纤维增强体渗透率呈下降趋势。这一方面是由于随着纤维层数的增加,增强体孔隙率下降造成;另一方面,随着纤维层数的增加,增强体厚度增大,树脂流程变长,增强体内压力梯度下降,树脂通过增强体的驱动力变小,流动时间变长,使得渗透率降低。平行铺网增强体渗透率比交叉铺网增强体具有更快的下降速度,这与孔隙率的趋势是一致的。33真空压力对树脂流动性能的影响图7真空压力对渗透率的影响Fig.7Effectofvacuumpressureonpermeability图7显示了真空压力对交叉铺网纤维增强体渗透率的影响。从图可以看出,随着压力增大,纤维增强体的渗透率降低。压力增加,纤维增强体的纤312011年第1期P/C2011o17非织造工艺对天然纤维增强体树脂流动性能的影响FRMN维体积分数增大,对树脂流动的阻力增大,从而降低了树脂渗透性能。纤维增强体树脂流动各项异性没有明显的变化,说明在低压力情况下,压力的变化没有改变纤维增强体内纤维的结构及取向分布。4结论本文主要研究非织造工艺、铺层层数及真空压力对亚麻纤维增强体树脂流动性能的影响,结论如下:(1)相同压力情况下,平行铺网纤维增强体纤维体积分数及树脂渗透率低于交叉铺网纤维增强体。平行铺网纤维增强体具有明显的纤维取向分布,交叉铺网纤维增强体纤维取向分布比较均匀。平行铺网纤维增强体流动各向异性大于交叉铺网纤维增强体,说明纤维取向分布影响树脂流动特性及纤维增强体的压缩性能;(2)随着纤维增强体铺层层数的增加,纤维增强体孔隙率下降,导致树脂渗透性下降。平行铺网纤维增强体渗透性下降幅度大于交叉铺网增强体;(3)随着真空压力的增大,纤维增强体渗透率下降,对树脂流动各向异性没有明显的影响。参考文献[1]JoshiaSV,DrzalbLT,MohantybAK,AroraS.Arenaturalfibercompositesenvironmentallysuperiortoglassfiberreinforcedcomposites[J].Composites:PartA,2004,(35):371376.[2]GoutianosS,PeijsT,NystromB,SkrifvarsM.DevelopmentofFlaxFibrebasedTextileReinforcementsforCompositeApplications[J].AppliedCompositeMaterials,2006,(13):199215.[3]BaiardoM,ZiniE,ScandolaM.Flaxfibrepolyestercomposites[J].Composite:PartA,2004,(35):703710.[4]李红霞,周艳卫,黄故.亚麻针织物增强聚丙烯基热塑性复合材料的制备[J].玻璃钢/复合材料,2007,(6):2934.[5]黄故,刘丽妍.亚麻机织物增强热塑性复合材料的性能[J].纺织学报,2007,28(6):6669.[6]刘丽妍,王瑞.亚麻纤维增强热固性树脂复合材料板材的研究[J].玻璃钢/复合材料,2004,(4):2932.[7]李文晓,薛元德,吴人洁.树脂传递模塑工艺中渗透率的测定[J].建筑材料学报,2000,3(3):258263.[8]周莉莉,李炜,罗永康.LCM增强材料渗透性能研究[J].玻璃钢/复合材料,2009,209(6):2830.[9]高彦涛,李炜,罗永康.VARTM工艺中多层玻纤织物渗透规律研究与工艺优化[J].玻璃钢/复合材料,2009,209(6):5457.[10]梁晓宁,李炜,罗永康,张锦南.厚铺层结构纤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