賽艇用預浸料的研制

杭州飛鷹船艇有限公司 富陽 311402

近年來，隨著先進復合材料的發展和對賽艇強度、剛度、重量等要求的提高，傳統的手糊工藝不能精確控制樹脂含量、產品強度和剛度低、質量穩定性差、制造過程勞動強度大、勞動條件差、對環境有污染，缺點越來越突出。因此高性能碳纖維、芳綸已經取代部分玻璃纖維[1]，先進的預浸料工藝逐步替代手糊工藝。

1 技術特點及要求

1.1 預浸料特點

1) 制備過程是在嚴格控制條件下浸漬增強材料的，樹脂含量得到精確控制，賽艇重量可以嚴格保證。

2) 具有可設計性，可根據賽艇強度和剛度要求進行設計，充分發揮先進纖維的性能。

3) 是增強材料和樹脂的組合物，可以直接使用，免去了配膠、刷膠等工序，勞動強度減小，工作條件改善。

4) 性能穩定，可以保證賽艇能重復生產，質量穩定。

5) 干式材料，沒有環境污染。

1.2 主要要求

預浸料是復合材料的基礎，它的一些性能基本上原封不動地帶到復合材料和其結構中，復合材料成形時的工藝性能和力學性能取決于預浸料性能，通常對預浸料的主要要求如下。

1) 樹脂基體和增強材料相容，匹配性能好，使復合材料具有優良的層間剪切強度。

2) 樹脂含量(RC)嚴格控制，至少應保證RC±3%，保證復合材料力學性能穩定。

3) 具有合適的粘性和鋪復性，預浸料相互可以粘貼，鋪層有誤可分開，分開后可以繼續使用。

4) 室溫條件下，貯存壽命至少1個月。

5) 固化時有較寬的加壓帶。

6) 優異的力學性能。

7) 適當的流動性，以便在成形時樹脂適當流動，分布均勻。

8) 揮發成分含量低，一般在1.5%以下。

2 試驗

2.1 原材料

樹脂基體：FY-1改性環氧樹脂；

玻璃布：厚度0.20 mm平紋；

芳綸布：平紋布，FAW 92 g/m2,Kevlar 49或性能相當的纖維；

丙酮：工業級，水含量小于1%；

PE薄膜：壓花膜。

2.2 設備和儀器

混合器：具加熱套、攪拌機、容積50 L、自制；

烘箱：4 kW，～200℃±1 ℃；

電子天平：200 g，精度0.001 g；

預浸機自行研制；另外還有樹脂含量測定系統、凝膠時間測定儀和揮發分含量測定系統。

2.3 樹脂溶液的制備

將液態環氧樹脂倒入混合器，升溫至80 ℃，在不斷攪拌的情況下，把經過打碎的固態環氧樹脂慢慢加入其中，保持溫度，使固態樹脂全部溶解并攪拌均勻后，加入改性劑，繼續攪拌，直到看不到白色粉末，把溫度降到70 ℃；不斷攪拌，加入固化劑，迅速攪拌均勻后，再把體系的溫度保持到60 ℃；最后加入促進劑，快速攪拌使其均勻，邊攪拌，邊降溫，至50 ℃以下，加入丙酮，使樹脂溶于丙酮中。測量密度或計算濃度，達到要求后，即可使用。在配備樹脂溶液前，改性劑、固化劑、促進劑都應進行粉碎，對于在丙酮中不溶解的組分，應將其粉碎至粒度10 μm以下，以利在樹脂中分散均勻，不致很快沉淀。

2.4 溶液法制備織物預浸料程序

將待浸膠的織物放在放卷機架上，調節張力，用牽引布將織物依次穿過展平輥、浸膠槽、擠膠輥、烘箱、檢測儀、冷卻板后，把牽引布固定在收卷紙筒上，打開加熱電源，使烘箱達到規定溫度后，將配好的樹脂攪拌均勻后，倒入膠槽中，打開牽引電機和收卷電機，開始收卷，到牽引布全部收卷后，切斷牽引布，迅速換收卷紙筒，繼續收卷，隨機取樣，檢測樹脂含量，符合要求后，開始正式浸膠工作。

3 結果和討論

3.1 立式預浸設備

溶液法立式織物預浸設備外觀，見圖1，設備包括送布裝置、浸膠槽和供膠系統、擠膠部分、烘箱、導向裝置、平臺、冷卻部分、牽引和收卷系統、控制裝置等。

預浸機主要工作參數如下。

浸漬織物最大寬度：1 000 mm；

圖1 立式織物預浸

織物線速度：0.3～5.0 m/min；

烘箱高度5.0 m，最高工作溫度120 ℃，烘箱截面各點溫差±2 ℃；

浸膠槽溶積：60 L；

收放卷紙筒內徑：76 mm，計長100±0.25 m。

3.2 溶液浸膠設備和方式

至今仍在使用的溶液法制備預浸料盡管在技術先進性和產品性能方面趕不上熱熔法工藝，但也有其不可替代的優點：增強材料容易被樹脂浸透，特別是織物搭接處易于浸濕；預浸料樹脂含量均勻，既可以制備超薄預浸料也可以制備厚預浸料；工藝技術相對要求較低；設備造價也不太高。

溶液法設備有立式和臥式，見圖2、3。

圖2 溶液法立式預浸過程示意圖

圖3 溶液法臥式預浸過程示

文中介紹的是立式預浸設備，因為臥式設備占地面積大，否則浸膠速度太低，預浸料通過長距離加熱通道，工藝困難。特別是厚度大的織物預浸料，由于自重，預浸料下垂，為了不粘附設備，通常采用氣浮方法，即用加壓熱空氣使浸膠后的織物懸浮在加熱通道而不致接觸設備，因此，使設備結構復雜，操作不便。立式設備結構簡單，造價相對較低，對操作人員要求也比較低，利用溶液法立式預浸設備研制織物預浸料的程序見圖4。

圖4 溶液法制備預浸料程序

3.3 預浸料樹脂含量控制

熱熔法制備預浸料，通常為兩步法：首先根據計算，在γ儀或β儀監控下，于離型紙上涂復要求重量的樹脂，然后將計算量的樹脂膜和增強材料復合，因此預浸料樹脂含量在設備監控和人為計算下得到控制。溶液法制備預浸料樹脂含量控制就不那么方便，一般根據不同增強材料采用擠膠、改變浸膠線速度或調節膠液濃度來完成。

3.3.1 樹脂濃度對樹脂含量的影響

增強材料用厚度0.20 mm斜紋玻璃布，浸膠速度為0.30 m/min，于不同樹脂濃度下浸膠，預浸料樹脂含量見圖5。

在未擠膠情況下，將增強織物直接從浸膠槽通過，樹脂溶液濃度對預浸料樹含量有明顯影響。在試驗樹脂濃度范圍內，隨著樹脂溶液濃度增加，預浸料樹脂含量呈直線增加。據此，固定浸膠工藝參數，只要改變樹脂溶液濃度，就可制備不同樹脂含量的預浸料，在生產過程中，嚴格控制樹脂溶液濃度，就能保證預浸料的樹脂含量。

圖5 樹脂濃度與預浸料樹脂含量的關

3.3.2 影響樹脂溶液濃度的因素

由于樹脂溶液大都以低沸點的溶劑配制而成，常用的溶劑為丙酮，沸點較低，僅為56 ℃，在使用中一直在揮發(且隨環境溫度不同，揮發量有異)，樹脂溶液濃度相應增大，預浸料樹脂含量增加。為了減少乃至消除丙酮揮發對預浸料樹脂含量的影響，措施之一是控制環境溫度，并不斷向膠槽中補充新鮮樹脂溶液或用大量的樹脂打循環，將丙酮揮發對樹脂溶液濃度的影響降至最低限度。當然，根本的方法是建立樹脂溶液濃度自動控制機構。

3.3.3 預浸料的線速度

預浸料制備時的線速度受各種因素的制約。

1) 預浸料的揮發成分含量。溶液法制備預浸料希望揮發成分含量盡可能低，這樣復合材料有較高的力學性能，在其它條件不變的情況下只有降低速度，才能減小預浸料揮發成分含量。

2) 烘箱長度或高度。烘箱長度(或高度)增加，即增長了預浸料在溫度下的滯流時間，可以降低揮發成分含量，與降低速度有同樣的效果。

3) 預浸織物厚度或單位面積纖維重量(AFW)。織物厚度越大，預浸料的樹脂含量越高，內部的溶劑很難逸出，揮發分降低至3%以下需要較長的時間，也需要降低浸膠速度。

4) 預浸料的樹脂含量。預浸料的樹脂含量隨線速度的增大而增加，因此，控制線速度也是改變樹脂含量的條件之一，樹脂溶液濃度不變，改變浸膠速度也可調節預浸料樹脂含量，在其工藝參數不變的情況下，線速度分別為0.3和0.5 m/min。預浸料的樹脂含量從46%增加到48%。

3.4 烘箱溫度

烘箱溫度高，預浸料揮發成分含量降低，但烘箱溫度不能太高，否則會加速樹脂固化過程，使B階段程度加深，預浸料粘性變差，貯存期縮短，烘箱溫度低，揮發成分含量偏高，成形的復合材料氣孔多，性能降低，烘箱溫度的高低和預浸料通過烘箱的時間直接有關，為了得到揮發成分含量符合要求的預浸料，烘箱溫度低必須時間長，烘箱溫度高，可以適當縮短預浸料在烘箱的時間，表1為厚度2 mm的玻璃布/環氧預浸料不同溫度和通過烘箱時間預浸料性能，浸膠速度0.5 m/min。

表1 烘箱溫度和通過烘箱時對預浸料性能影響

3.5 樹脂基體中含有不溶組分的浸漬方法

樹脂基體中往往有部分組成如固化劑、促進劑或改性劑不溶于低沸點溶劑，處理不當會產生沉淀，使樹脂基體各組分不能均勻分布，影響固化過程，為了浸膠均勻，通常采用以下方法。

1) 將樹脂基體中的固體不溶組分粉碎到粒度小于10 μm，以便分散并懸浮于樹脂溶液中，利于均勻浸漬。

2) 在膠槽中增加攪拌系統，機械攪拌或超聲波攪拌，使固體粉末不致沉淀。

3) 用泵送的方法，使樹脂基體在膠槽和貯罐之間一直處于循環流動狀態。

采用上述方法，沒有出現因樹脂基體組分分布不均勻而影響固化過程的現象。

3.6 芳綸布預浸料的制備

使用材料為FAW 92 g/m2,FY-1環氧樹脂，50%丙酮溶液。

浸漬條件：線速度1.2 m/min，烘箱溫度90～100 ℃，用泵送方式使樹脂溶液在膠槽和貯罐之間循環。

制得芳綸布/FY-1環氧樹脂預浸料的性能見表2。

表2 芳綸布/FY-1樹脂預浸料性能

4 結論

1) 建立了立式織物預浸裝置，可以制備寬度1 000 mm不同規格碳布、玻璃布和芳綸布預浸料。

2) 控制樹脂基體溶液濃度(或密度)和浸膠線速度，可以制出樹脂含量RC±3%的預浸料。

3) 合理地控制烘箱溫度和浸膠線速度，能使預浸料的揮發成分含量達到小于1.5%。

4) 研制的織物預浸裝置滿足了賽艇制造對預浸料的要求。

[1] 張風翻.復合材料用預浸料[J]，高科技纖維應用，2000，25(1)：30-32.