復合材料模具用苯并噁嗪預浸料制備工藝研究

李易紅

(四川省新萬興碳纖維復合材料有限公司，四川 夾江 614100)

0 引言

傳統復合材料成型模具主要由金屬材料制作，主要原因是金屬材料具有高強度、高剛度、尺寸穩定性好、加工性好，以及適用于大批量生產等優點。隨著對復合材料構件外形準確性和尺寸精度要求不斷提高，原有金屬模具材料的性能已經不能很好地滿足高精度成型模具的需要。在這種背景下，復合材料模具應運而生，并且得到了迅速發展。目前，在歐美發達國家復合材料模具的使用已經相當普遍。在國內，復合材料模具也在航空主機廠逐步擴大使用，但相比國外還是用得比較少。隨著高性能復合材料航空航天結構件的大量應用，各有關研究院所和企業積極研究和試驗使用復合材料模具，復合材料模具也很快會成為國內復合材料構件的主要成型模具。

苯并噁嗪是一種從傳統酚醛樹脂基礎上發展起來的新型熱固性樹脂，其耐高溫性能好，Tg超過250 ℃；固化前后體積收縮很小，甚至零收縮；固化過程放熱量低；模量高，不易變形；加工性能好；常溫下化學穩定性好等，因此特別適合作為復合材料模具的基體材料。但這類樹脂作為基體材料也有其缺點，主要是其表面能較低，用其制備的預浸料往往黏性比較差，影響后續使用，因此預浸料的制造工藝以及增黏技術直接決定了該預浸料的質量及使用性能。本文利用新萬興公司與四川大學共同研制的苯并噁嗪樹脂體系和碳纖維，采用熱熔兩步法研究了T3200T/BZ101預浸料制備工藝，并對影響預浸料質量的主要因素進行了探討，為同類預浸料的制備提供了技術參考。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

(1)樹脂：BZ101苯并噁嗪樹脂體系，自制。

(2)碳纖維：T3200T斜紋碳纖維布，國產。

1.2 主要設備及儀器

(1)預浸料生產線，CAVITEC。

(2)電子天平，METTLER TOLEDO。

(3)熱壓罐，ASC。

(4)材料試驗機，INSTRON。

(5)烘箱，GaIainer。

1.3 試驗方法

(1)預浸料理化性能測試。纖維面密度測試按HB 7736.3進行，樹脂含量測試按HB 7736.5進行，凝膠時間測試按HB 7736.7進行，黏性測試按HB 7736.8進行。

(2)層壓板力學性能測試。拉伸性能測試按ASTM D 3039進行，壓縮性能測試按ASTM D 6641進行，彎曲性能測試按ASTM D 7264進行。

(3)預浸料制備工藝。

①膠膜制備。將規定形狀的BZ101樹脂放在提前預熱的導帶上，其溫度足以使樹脂軟化。通過導帶將樹脂熔體導入涂膠輥和計量輥之間，調整工藝參數，將樹脂按(59±2)g/m2均勻的涂在離型紙上，通過β儀檢測控制涂膠量精度，合格后收卷待用，膠膜制備工藝流程如圖1所示。

圖1 膠膜制備工藝流程

②預浸料制備。預浸料制備是膠膜上的BZ101樹脂基體和碳纖維布T3200T的結合，形成規定的尺寸和質量，樹脂充分浸漬碳纖維布的過程，關鍵是在保證預浸料物理化學性能的前提下，樹脂浸透增強纖維，形成的預浸料樹脂含量為37%±3%，碳纖維布單位面積質量為(200±5)g/m2，預浸料制備工藝流程如圖2所示。

圖2 預浸料制備工藝流程

(4)力學性能試驗件固化工藝。按ASTM有關要求制備力學性能試驗件。其層壓板熱壓罐固化工藝如圖3所示。

圖3 層壓板熱壓罐固化工藝

2 結果與討論

2.1 輥筒間隙對預浸料浸潤性的影響

輥筒間隙既關系到纖維的浸透性，也與預浸料的厚度和外觀質量有關。通常浸膠輥輥筒間隙設置按以下經驗公式：

D=(P1+P2+d)-α

其中D為輥筒間隙，P1為上離型紙厚度，P2為下離型紙厚度，d為預浸料單層厚度，α為系數(0.01～0.05 mm)。

輥筒間隙不能太大，否則樹脂不易浸透纖維，預浸料有干紗，樹脂分布不均，產生貧、富樹脂區。輥筒間隙也不能太小，過小的間隙會壓傷碳纖維，形成斷絲，造成大量毛絲或毛球，嚴重影響預浸料外觀和力學性能。在其他工藝參數不變的情況下，考察了輥筒間隙變化對預浸料浸潤性及表觀質量的影響，結果見表1。

表1 輥筒間隙對預浸料浸潤性及表觀質量的影響

從表1可以看出，浸膠輥筒間隙太小，雖然有利于樹脂浸透碳纖維布，但會造成樹脂流失和纖維損傷；而輥筒間隙太大，則會導致纖維和樹脂就不能充分浸潤。

2.2 溫度對預浸料浸潤性的影響

溫度和樹脂基體的黏度密切相關，溫度高樹脂基體黏度低，樹脂基體流動性好，容易浸透纖維，但過低的黏度會造成樹脂基體流失，影響樹脂含量；溫度低樹脂基體黏度大，流動性差，不易浸透纖維，生產厚的預浸料時這種現象尤為嚴重。在其他工藝參數不變的條件下，考察了浸膠溫度變化對T3200T/BZ101預浸料浸潤性的影響，實驗結果見表2。

表2 溫度對T3200T/BZ101預浸料浸潤性的影響

試驗表明，當溫度較低時，樹脂黏度較大，難以浸入碳纖維布；而當溫度太高時，樹脂黏度又太小，盡管碳纖維不完全浸透，但會造成樹脂從兩側被擠出流失，影響預浸料性能。從表2可以看出，當浸膠溫度為(80±2)℃，樹脂黏度保持在26～30 P。此時樹脂黏度適中，碳纖維布能被完全浸透，且制成的預浸料表觀質量優良。

2.3 生產速度對預浸料浸潤性及表觀質量的影響

生產速度直接影響預浸料浸潤性，生產速度較慢時，樹脂受熱時間相對較長，有利于樹脂吸熱并充分熔融，反之亦然。在其他工藝參數不變的條件下，考察了生產速度快慢對T3200T/BZ101預浸料浸潤性的影響，實驗結果見表3。

表3 生產速度對T3200T/BZ101預浸料浸潤性的影響

從表3可以看出：浸膠速度為1.5 m/min時，浸膠速度較慢，樹脂容易充分吸熱黏度降低，同時浸潤時間也比較長，此時樹脂更容易完全浸透纖維，但同時樹脂黏度太低也很容易從兩側擠出流失，不利于保證預浸料樹脂含量；當浸膠速度4.5 m/min時，樹脂往往沒有充足的時間吸熱使得黏度充分降低，此時樹脂難以完全浸透纖維；當浸膠速度在2.5～4 m/min時，樹脂受熱熔融和浸潤時間適中，既有利于纖維充分浸透，樹脂又不至于被擠出流失，生產的預浸料質量優良。

2.4 預浸料黏性的改善

針對苯并噁嗪樹脂表面能很低，其作為基體材料制成的預浸料黏性比較差的特點，預浸生產工藝中增加了二次涂膠工藝，即在常規預浸料完成后，接著在預浸料表面在此進行涂膠，主要目的是提高預浸料黏性。在其他條件不變的情況下，考察了二次涂膠量對預浸料黏性的影響，二次涂膠裝置如圖4所示，試驗結果見表4。

圖4 二次涂膠裝置

表4 二次涂膠量對預浸料黏性的影響

從表4可以看出，沒有二次涂膠或二次涂膠量較少時，T3200T/BZ101預浸料表面黏性差；二次涂膠量達到6～9 g/m2時，預浸料表面黏性又太大；實驗數據表明涂膠量只有控制在3～6 g/m2并均勻分布時，預浸料表面黏性適中，滿足使用要求。

2.5 T3200T/BZ101預浸料性能穩定性

按上述試驗確定的工藝參數進行了5批次T3200T/BZ101預浸料生產并測試了理化性能和室溫干態條件下力學性能，理化性能數據見表5，力學性能數據見表6。

表5 5批次T3200T/BZ101預浸料理化性能

表5為5批次T3200T/BZ101預浸料理化性能，表6為5批次T3200T/BZ101預浸料室溫干態條件下力學性能數據。其性能均明顯優于指標，而且離散系數都小于3%，數據充分表明原材料和預浸工藝都是穩定的，尤其為原材料制造出來的層壓板力學性能也是優良穩定的，滿足于復合材料工裝模具對該預浸料的使用要求。

表6 5批次T3200T/BZ101預浸料層壓板力學性能*

3 結論

本文通過研究得出如下結論。

(1)采用熱熔兩步法，嚴格控制溫度、間隙、速度等工藝參數，可以制備出以苯并噁嗪樹脂為基體材料且質量穩定、性能優良的T3200T/BZ101預浸料，可以滿足于復合材料工裝模具的使用要求。

(2)使用二次涂膠增黏技術，嚴格控制單位面積二次涂膠重量，可以有效地改善預浸料表面黏性，更好地滿足于預浸料使用要求，且制成的復合材料力學性能穩定優良。