平流層飛艇蒙皮材料制備工藝研究

張士強，王 寵，紀雪梅，馮銘竹

（中國樂凱集團有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

以飛艇為代表的臨近空間低速飛行器由于在軍事偵察、空間預警、通信中繼和空間探測等領域的應用優勢，近些年來日益受到人們的關注。蒙皮材料作為飛艇的主體結構材料，其性能的高低直接影響飛艇的應用效能，如浮空高度、持續飛行時間、有效載荷、服役壽命等[1，2]。

平流層飛艇的工作特點和工作環境決定了蒙皮材料的性能指標要比低空飛艇高得多，研制難度較大[3]。隨著新型飛艇研究和應用的發展，對飛艇蒙皮的性能要求也不斷提高。美國、日本等國家均對蒙皮材料給予了大量研究，制備的蒙皮材料性能大幅度提高，有力促進了新型飛艇的設計和研制[4，5]。

對于工作在平流層以氦氣為浮升氣體的飛艇，要求采用的蒙皮材料具有較低的面密度、優異的氦氣阻隔性能及耐環境性能，另外其在服役過程中蒙皮內外存在壓差，因此蒙皮材料必須具有足夠的力學性能。由于任何單一材料均無法實現這些要求，因此高性能蒙皮材料一般采用多層復合結構[6]。

平流層飛艇蒙皮材料由耐候層、阻氦層、承力層，粘接層和焊接層組成，各層材料通過粘接形成層壓復合材料[7]，其結構如圖1所示。

由于各層材料性能各異，把多層材料復合在一起也不是一件容易的事。耐候薄膜與阻氦薄膜的復合是膜材與膜材的復合，相對容易一些。阻氦耐候膜材與承力層纖維布的復合卻沒那么容易。既要保證表觀平整又要保證粘接牢固，所以制備出表觀合格的長卷材產品是不容易的。本文將重點研究膜材與纖維布之間的復合，以纖維布作為承力層，耐候薄膜與阻氦薄膜的復合膜作為阻氦耐候層，探索這兩層通過粘合劑復合在一起的工藝條件。

2 實驗部分

2.1 原材料

承力層纖維布（進口）；耐候薄膜（國產）與阻氦薄膜（國產）復合而成的阻氦耐候膜；粘合劑（進口）；稀釋粘合劑的溶劑乙酸乙酯（國產）。

2.2 復合設備

飛艇蒙皮材料中試生產設備采用BGF干式氣壓復合機，簡稱干式復合機。其結構如圖2所示。干式復合機是通過干式復合工藝將不同的薄膜粘到一起形成復合薄膜的設備。干式復合工藝，指涂膠后將膠液中的溶劑通過加熱排氣的方法使其充分干燥，然后在“干的”狀況下進行復合的工藝。鑒于干式復合機設計基于不同的塑料薄膜，鋁箔甚至是紙張進行復合，因此應用干式復合機制備平流層飛艇蒙皮材料，對工藝參數調整有較高的難度。

2.3 復合操作步驟

本文所研究的阻氦耐候膜與纖維布復合操作步驟：

（1）把阻氦耐候膜放在第一（涂膠）放卷處，纖維布放在第二（復合）放卷處。

（2）配制好的粘合劑倒入膠盤。

（3）調節干式復合機參數：第一放卷張力，第二放卷張力，收卷張力，干燥道溫度，復合壓輥溫度等。

（4）開車，調整車速，勻速涂布、復合。

（5）復合收卷后，常溫放置熟化，或80℃加速熟化。

蒙皮材料的原材料和結構都有前人做過不同程度的研究，但是成功制作出卷材產品的比較少，其中長卷材產品的表觀問題是一個難點，褶皺和氣泡是比較常見的復合弊病。本研究通過大量的實驗調整設備參數，制備出表觀和性能合格的長卷材產品。

本研究剝離強度的測試按照GB/T 8808-1988標準執行。

3 結果與分析

3.1 工藝調整及分析

3.1.1 張力的調整 在基材運行平穩的前提下，張力控制要適當，以基材平整、同時復合制品不產生卷曲為佳。張力對復合制品的影響非常大，張力過大容易產生縱向張力線，過小容易產生橫向褶皺。第一放卷基材和第二放卷基材的張力設置要匹配，否則極易使復合制品產生卷曲。收卷張力要適中，過大過小都會影響成品卷材的平整度。

由于纖維布不容易保持平整，所以先調整纖維布平整過輥，再固定纖維布張力調整膜材張力。其他工藝參數固定情況下，調整張力對剝離強度和復合表觀的影響如表1所示。

表1 張力對剝離強度和復合表觀的影響Table 1 Effect of tension control on peel strength and composite apparent

把纖維布放在第二放卷處，通過調整張力值到50N時能平整過復合壓輥，并平整收卷。然后固定第二放卷張力，把阻氦耐候膜放在第一放卷處，調整張力從55N到95N都能平整過涂膠壓輥。但是兩層復合在一起收卷后，由于兩種基材的線膨脹系數差異比較大，有時會出現橫向褶皺條紋，通過調整第一放卷張力大小，層間剝離強度和復合表觀隨之變化。通過表1看出纖維布固定在50N，調整阻氦耐候膜在85N時，剝離強度和表觀是最好的。

3.1.2 溫度的調整 干燥道溫度的設定，與溶劑種類、粘合劑種類、涂膠厚度、車速直接相關。不同的溶劑，其蒸發點（沸點）差異很大，不同的粘合劑，其溶劑釋放性也是不同的；不同的涂膠厚度對溫度及干燥道長度的要求也不一樣。干燥溫度的設定，既要保證溶劑充分揮發，又要考慮基材的耐溫特性，不能使基材產生變形卷曲，進行合理的設置。干燥溫度應按梯度逐漸升高的規律設定，目的是加速后區膠層溶劑的擴散揮發，減少薄膜內的溶劑殘留。

復合部位的熱壓鋼輥采用電阻絲加熱或油加熱。其主要作用是激活施膠薄膜從干燥道出來后的膠膜分子，從而獲得更高的粘接力。一般復合鋼輥溫度設定為30～80℃。

按照12m/min車速（通過干燥道時間為1min），張力85N（一放）和50N（二放），其他工藝參數固定情況下，干燥溫度調整如表2所示。

表2 干燥溫度對剝離強度和復合表觀的影響Table 2 Effect of drying temperature on peel strength and composite apparent

由于采用的阻氦耐候膜是由兩種薄膜復合而成，兩種材料的熱伸縮率存在差異，受熱容易向阻氦薄膜一側卷曲，因此溫度不能太高。通過表2可以看出阻氦耐候膜不卷曲的最高溫度為55℃，此時粘接表觀及性能也比較好。同時實驗發現環境溫度與干燥道溫度的差異越大，阻氦薄膜進入干燥道后越容易卷曲。環境溫度低時要求對復合鋼輥進行加熱，設置30℃左右，否則粘接牢度不好。

3.1.3 涂膠量的調整 干式復合機涂膠部分由網紋輥、涂膠壓輥、刮刀、膠盤組成，通過網紋輥將粘合劑均勻、連續轉移到涂膠基材上。上膠量主要由網紋輥的線數和膠液固含量決定，涂膠壓輥的壓力和刮刀壓力也會影響上膠量，需要保持壓力的穩定。膠液固含量控制要合適，粘度過大流平性不好，膠液不能很好轉移到基材上，膠量控制不準確。

網紋輥調節上膠量幅度比較大，固含量調節不明顯的情況下需要更換網紋輥。按照12m/min車速（通過干燥道時間為1min），張力85N（一放）和50N（二放），干燥道溫度55℃，其他工藝參數固定情況下，選用20目網紋輥，通過粘合劑固含量調整涂膠量如表3所示。

表3 涂膠量對剝離強度和復合表觀的影響Table 3 Effect of adhesive coating amount on peel strength and composite apparent

通過表3發現，涂膠量太少時兩層材料粘接不牢，也會影響表觀平整度。涂膠量太多時，膠的流平性不好，導致厚度不均勻，層間容易出現氣泡弊病，粘接牢度受影響。綜合膠液流平性，涂膠膠量，層間粘接牢度，復合表觀，最終確定合適的膠液固含量為50%。

3.1.4 開車停車及車速控制 復合機運行要求速度平穩，車速由慢到快至正常勻速涂布。綜合涂膠量和干燥道干燥時間確定涂布車速，本研究選用的車速為12m/min（通過干燥道時間1min）。要求平穩起停，以保證收卷復合基材平整。

通過一系列實驗，調整優化工藝參數，最終制備出了表觀良好的卷材產品，最優條件如表4所示，截取部分卷材產品如圖3所示。

表4 干式復合機制備蒙皮材料最優條件Table 4 Optimal conditions for the preparation of envelope materials by dry compound machine

圖3 蒙皮材料卷材產品Fig.3 Envelope material coiled material product

3.2 蒙皮材料綜合性能測試結果分析

用干式復合工藝制備的表觀合格的蒙皮材料性能測試結果如表5所示。

表5 蒙皮材料性能測試結果Table 5 Envelope material performance test results

平流層的環境溫度低（約-55℃），大氣密度僅為地面的1/14（約0.0889kg/m3），紫外輻射和臭氧作用強烈，平流層飛艇若要長期駐空工作，要求蒙皮材料必須具備強度高、質量輕、氦氣滲透率低和耐候性好等特點。一般平流層飛艇（艇長200m量級）蒙皮材料的面密度＜230g/m2，抗拉強度＞1000N/cm，抗撕裂強度＞200N，氦氣滲透率＜0.5L/(m2?24h?0.1MPa)，才有足夠的應用價值[8，9]。

從表5性能測試結果可以看出，采用干式復合工藝調整工藝參數制備的蒙皮材料性能達到了一般平流層飛艇的性能要求。

4 結論

以纖維布作為承力層，耐候薄膜與阻氦薄膜的復合膜作為阻氦耐候層，采用干式復合設備用粘合劑把兩層復合在一起，主要參數調整結果如下：

（1）通過張力調整，纖維布張力為50N平整過輥，固定纖維布張力，調整阻氦耐候膜張力為85N時，復合后表觀平整。

（2）通過調整干燥道溫度為55℃時，阻氦耐候膜能平整過干燥道。

（3）通過膠液固含量調整涂膠量，50%固含量的膠涂布后粘接牢固，表觀平整。

最終制備出了外觀合格粘接牢固的蒙皮材料，通過連續補充膠液，可以生產出長卷材產品。

通過對蒙皮材料進行了面密度、拉伸強度、撕裂強度、剝離強度、氦氣滲透率等測試分析，各性能均能夠滿足一般平流層飛艇對蒙皮材料的性能要求。

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