熱膨脹氈的熱膨脹效應

2021-03-05 02:13:56胡道雄段斌嘉

絕緣材料 2021年2期

胡道雄，段斌嘉

（浙江博菲電氣股份有限公司，浙江海寧 314400）

0 引言

以短切玻璃纖維氈與熱塑性樹脂復合而成的片材（glass mat reinforced thermoplastics，GMT）具備成型性好、保存期長、密度小、制品沖擊強度高等特點，在汽車行業得到了廣泛應用[1-2]。當GMT片材被加熱到樹脂的熔點以上時，被壓縮的Z向纖維會試圖掙脫樹脂的束縛，在基體中伸展，致使片材尺寸在厚度方向增長[3]。Azdel Inc、Owens-Corning等公司利用該原理通過在模具內對GMT加熱、冷卻定型制造了輕質熱塑性復合板材[4]，其厚度一般在4.0～6.5 mm，可經沖壓加工制成板材。劉研等[5]對以PP為基體的GMT片材制備汽車襯頂時的膨化溫度、加熱時間和模具溫度進行了研究。D M BIGG等[6]研究了不同基體樹脂的GMT片材可熱沖壓加工的溫度范圍。

GMT片材的熱膨脹效應可以作為一種絕緣技術用于電機制造，例如將GMT片材加工成窄條安裝在定子線圈的槽內，或切割成墊塊用于繞組端部之間的隔離[7-8]。在結構預烘過程中GMT片材受熱膨脹，把間隙填實，膨脹后的GMT又能與絕緣樹脂形成剛性復合材料。在絕緣材料行業，該類GMT材料被稱為熱膨脹氈。

關于復合材料在基體樹脂玻璃化轉變溫度以下的熱膨脹系數的預測，已經形成了比較系統的理論，根據各組分的物理性能預測復合材料的物理性能[9]，用纖維和樹脂的熱膨脹系數、彈性模量、泊松比、體積分數來預測復合材料的熱膨脹系數。常用的方法有SHAPERY R A方法[10]、FISCHER G和EY‐ERER P方法[11]、ROSEN B W和HASHIN Z方法[12]、細觀力學有限元方法[13]等，不同的方法對材料性能的預測與實際情況的匹配程度受到復合材料結構的影響，實踐中可以結合實驗驗證進行修正[14-17]。經典層板理論對復合材料厚度方向應變能的計算方法為：單層應變為應力-應變和溫度變化產生的應變之和，通過把單層應力的力矩沿層板厚度積分得到與外力矩平衡的層板內力矩[18]。上述對復合材料熱膨脹系數的研究成果使得在工程中有效控制復合材料的熱變形成為可能，以避免結構失效[19]。

玻璃纖維氈的制造工藝主要為熔融浸漬法和造紙法兩種[20-21]。由于纖維無規則取向，當樹脂處于熔融態時，纖維應力釋放產生的形變在平面內無法累積，引起平面尺寸變化，主要是邊沿纖維的形變；而纖維形變引起玻璃氈在厚度方向的尺寸變化值則可能是厚度的數倍。

本文通過實驗對熱膨脹氈的熱膨脹率與單纖維直徑、樹脂含量和密度之間的關系進行研究，并對其熱膨脹效應的動力和阻力進行探究，以期對推廣熱膨脹氈的應用有所幫助。

1 實驗

1.1 主要原材料

粉劑型無堿玻璃纖維短切氈EMC200（巨石集團有限公司）：①G1：表面質量為200 g/m2，纖維長度為50 mm，單纖維直徑為9 μm；②G2：表面質量為200 g/m2，纖維長度為50 mm，單纖維直徑為12 μm。熱熔膠膜（蘇州惠洋熱熔膠有限公司）：PA熱熔膠膜，表面質量為8 g/m2，DSC測試熔化溫度為120℃。

1.2 主要設備與儀器

300T平板硫化機（湖州雙力機械有限公司）；SC101-2B型恒溫烘箱（嘉興市新塍鎮東興電熱儀器廠）；Q2000型DSC測試儀（TA儀器有限公司）；AI‐GO GE-5型數碼觀測顯微鏡（深圳市漢普檢測儀器有限）；FA2004型分析天平，感量為0.1 mg（上海平衡儀器儀表廠）；SX2-4-10型馬弗爐（嘉興新塍鎮馮樂烘箱電爐廠）；坩堝，直尺，游標卡尺。

1.3 熱膨脹氈的制備

把玻璃纖維短切氈（G1、G2）與PA熱熔膠膜切成300 mm×300 mm的尺寸，將G1/PA和G2/PA按照不同的比例和總數交替層疊，在平板硫化機上進行熱壓。熱壓溫度為130℃，壓力為2～5 MPa，保溫2 h后維持壓力冷卻（水冷）到50℃，再保持壓力10 min后開模取出片材。

1.4 性能測試

1.4.1 熱膨脹率的測試

熱膨脹率表征熱膨脹氈在受熱膨脹后，厚度方向的尺寸變化程度，計算公式如式（1）所示。

熱膨脹率測試樣品的尺寸為30 mm×30 mm。將試樣在自由狀態下水平放在恒溫烘箱中，在130℃下加熱20 min，取出樣品測試膨脹后的厚度。

1.4.2 密度的測試

密度表征熱膨脹氈的壓實程度，其計算公式如式（2）所示。

用于密度測試的試樣尺寸為30 mm×30 mm；試樣的質量用分析天平稱量，長度、寬度用直尺測量，厚度用游標卡尺測量。

1.4.3 樹脂含量的測試

樹脂含量表征熱膨脹氈中熱熔性樹脂的質量分數，按照GB/T 1446—2005《纖維增強塑料實驗方法總則》進行測試[22]。

2 結果與討論

2.1 實驗溫度的選擇

圖1為短切氈G1的升溫DSC曲線，可以看出其膠黏劑的熔程在45～55℃，對G2試樣進行升溫DSC測試得到相同的結果。圖2為熱熔膠膜的升溫DSC曲線，可以看出，PA熱熔膠膜的升溫DSC曲線有兩個熔融峰，高溫峰在100～120℃，所以本研究選擇130℃為熱膨脹氈的成型溫度和熱膨脹溫度。

圖1 玻璃纖維短切氈G1試樣的升溫DSC曲線Fig.1 DSC curve of glass mat G1

圖2 PA熱熔膠膜的升溫DSC曲線Fig.2 DSC curve of PA hot-melt film

2.2 熱膨脹率與單纖維直徑的關系

表1和表2記錄了不同單纖維直徑和相同短切氈層數的兩組熱膨脹氈的熱膨脹率。從表1和表2可以看出，在不同樹脂含量下，單纖維直徑為12 μm的熱膨脹氈整體比單纖維直徑為9 μm的熱膨脹氈有更大的熱膨脹率。

表1 單纖維直徑為9 μm的熱膨脹氈熱膨脹率與樹脂含量的關系Tab.1 Thermal expansion ratio of thermo-expandable sheets with 9 μm of fiber diameter

表2 單纖維直徑為12 μm的熱膨脹氈熱膨脹率與樹脂含量的關系Tab.2 Thermal expansion ratio of thermo-expandable sheets with 12 μm of fiber diameter

熱膨脹氈的熱膨脹效應動力是其內部纖維的彈性勢能。造成不同單纖維直徑的兩種熱膨脹氈熱膨脹率不同的原因是兩種熱膨脹氈內部纖維的彈性勢能不相等，所以在樹脂熔化后纖維彈性勢能做的功也不相等，宏觀表現為熱膨脹氈在厚度方向的運動距離不相等。

根據最小勢能原理[23-24]，處于平衡態的彈性體在外力作用下產生形變，假定彈性體在受力過程中始終保持平衡，因而沒有動能的改變，則一定體積的彈性體的形變勢能計算公式如式（3）所示。

式（3）中：σij為應力場在體積元處的二階分量；εij為應變場在體積元處的二階分量。

假設不同單纖維直徑的兩類短切氈中纖維的分布相同，相同密度的熱膨脹氈內部纖維的彎曲程度也相同，并且忽略樹脂對纖維運動的影響，則熱膨脹氈內部的彈性勢能可由體積元形變能的積分轉換為單纖維彈性勢能的和，如式（4）所示。

式（4）中：uk為單纖維的彈性勢能；n為單纖維的數量。uk可以近似為單纖維受到的彎矩，計算公式如式（5）所示。

式（5）中：εk為單纖維受到的最大彎曲應變；E為單纖維的彈性模量；D為單纖維的纖維直徑；為單纖維截面的彎曲慣性矩。則式（4）轉變為式（6）。

由于熱膨脹氈內單纖維的數量n與其截面積成反比，即n與D2成反比，所以熱膨脹氈的彈性勢能與單纖維的直徑成正比。

2.3 熱膨脹率與樹脂含量的關系

表1和表2的熱膨脹率與樹脂含量的關系表明，在一定的密度范圍內，熱膨脹氈的熱膨脹率隨著樹脂含量的增加呈先增大后減小的趨勢。如果把樹脂含量的拐點（如圖3所示）稱為臨界樹脂含量，則單纖維直徑為9 μm和12 μm的熱膨脹氈的臨界樹脂含量分別約為11.42%和9.47%。單纖維直徑小的熱膨脹氈具有更高的臨界樹脂含量，是由于纖維的比表面積較大，吸附樹脂的能力更強。

圖3 不同單纖維直徑熱膨脹氈的樹脂含量拐點Fig.3 Inflection point of resin content of thermal expandable sheets with different fiber diameter

樹脂對纖維形變的固定使得熱膨脹氈內部的勢能得到儲存。Z向纖維在解除樹脂約束后的運動方式可能有3種：①以纖維之間的交叉點為支點的旋轉；②以纖維一端為支點的回彈；③纖維的伸直。

旋轉運動的支點可能是多根纖維的交叉點，也可能是兩根纖維的交叉點，纖維交叉越多，支點數也越多；Z向纖維之間的樹脂粘接被解除后，纖維的不同部分會以最近的支點為旋轉中心，向著回彈方向旋轉；Z向交叉點的數量隨著纖維的旋轉而減少，進而以纖維一端為支點的回彈運動增加。

樹脂能夠固定纖維之間的交叉點，在臨界樹脂含量以下，被粘結的Z向纖維交叉點數量隨著樹脂含量的增加而增多。當樹脂含量超過臨界值時，Z向纖維的交叉點數量不再隨著樹脂含量的增加而增加，而且纖維之間的粘結由點變為面，樹脂的黏性使得纖維Z向運動的阻力增加。王潔[25]把GMT材料作為黏彈性體，對其應力-應變關系進行了研究，認為吸附了樹脂的纖維由于液體承擔動態應力，使其應變的反應滯后于應力。

圖4為熱膨脹氈在膨脹后的Z向截面形貌，分別對應1#、3#、7#試樣（單纖維直徑為12 μm）。從圖4可以看出，隨著樹脂含量的增加，熱膨脹氈的透亮程度增加。膨脹率高的試樣（3#），樹脂在纖維中的浸透度高而在纖維空隙內的積聚少。可見，樹脂熔融后的黏性阻力是熱膨脹氈熱膨脹效應的阻力。由于樹脂也是纖維交叉點粘結力的提供者，樹脂含量會影響熱膨脹氈內部纖維勢能的儲存，所以要得到最佳的熱膨脹率需要一定的樹脂含量。

圖4 熱膨脹氈膨脹后的Z向截面形貌Fig.4 Photo of Z section of thermo-expandable sheets after expansion

除了纖維彈性勢能的釋放，在纖維彎曲段液柱的毛細現象也能促進纖維的伸直。在臨界樹脂含量以下，樹脂在受熱后流動，纖維孔隙內部出現間斷的液體柱，形成間斷的液-氣界面，并產生毛細現象。根據Young-Laplace方程，液-氣曲面上液體內外的壓力差如式（7）所示。

式（7）中：δ為樹脂的表面張力；R1、R2為曲面不同部位的曲率半徑。Z向纖維中液體柱兩端界面上的壓力差可以引起纖維的伸直，樹脂含量過低，毛細現象不顯著；樹脂含量過高，則纖維浸漬在樹脂中，毛細現象消失。

如果把纖維內液體柱兩端的曲面近似為球面，則Young-Laplace方程可以近似為式（8）。

式（8）中，R為纖維空隙的直徑。纖維空隙的直徑越小，壓力差越大，越利于纖維的伸直。而實驗表明，單纖維直徑越小，熱膨脹氈的熱膨脹率越小，所以纖維的伸直只是引起熱膨脹氈受熱膨脹的次要因素。

2.4 熱膨脹率與密度的關系

分別以14層G1、9層PA熱熔膠膜和14層G2、9層PA熱熔膠膜壓制熱膨脹氈，借助不同厚度的模框制備不同密度的熱膨脹氈，并對試樣的熱膨脹率進行測試，結果如表3所示。從表3可以看出，隨著熱膨脹氈的增大熱膨脹率整體上逐漸增大。

表3 不同密度熱膨脹氈的熱膨脹率Tab.3 Thermal expansion rate of thermo-expandable sheets with different density

由式（6）可知，熱膨脹氈內部的彈性勢能與單纖維的最大彎曲應變成正比，在密度較大的熱膨脹氈內，纖維被壓縮的程度較大，單纖維的彎曲應變也較大，所以纖維在解除樹脂束縛后做功更多，宏觀表現為片材的熱膨脹率更高。

3 產品實例

以浙江博菲電氣股份有限公司生產的熱膨脹氈YD2459-2為例，其主要技術參數如表4所示。其中，抗壓強度的測試方法為：①將熱膨脹氈切成尺寸為120 mm×10 mm×3 mm的樣條，并加熱使其膨脹；②將膨脹后的樣條放入工裝，在真空條件下浸漬絕緣樹脂，并加熱使絕緣樹脂固化；③將絕緣樹脂固化后的樣條切成10 mm×10 mm的方塊，把上、下表面打磨平整；④按照GB/T 1041—2008的規定測試方塊的壓縮強度。絕緣樹脂的類型不同，氈塊的抗壓強度會有所不同，在環氧型絕緣樹脂中氈塊的抗壓強度一般可以達到350 MPa以上。