PMI泡沫真空輔助熱成型工藝及其生產(chǎn)應(yīng)用研究

賈思宜　 王瑩　成艷娜

摘? ?要：針對生產(chǎn)常用的PMI泡沫，設(shè)計泡沫真空輔助熱成型參數(shù)實(shí)驗(yàn)，探索熱成型合理參數(shù)。進(jìn)行泡沫熱成型厚度及拼接實(shí)驗(yàn)，給出合適的生產(chǎn)預(yù)留余量及拼接方案，指導(dǎo)真空輔助熱成型工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。本文主要對PMI泡沫真空輔助熱成型工藝及其生產(chǎn)應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：PMI泡沫? 真空輔助熱成型? 泡沫夾層結(jié)構(gòu)

中圖分類號：V25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0118-03

1? 引言

聚甲基丙烯酰亞胺即PMI（polymethacrylimide）泡沫是一種性能優(yōu)異的閉孔硬質(zhì)泡沫[1]，其具有優(yōu)良的絕熱性能和耐高低溫性能。PMI泡沫芯具有力學(xué)性能上各向同性，便于機(jī)械加工，與各類型樹脂兼容性好的特點(diǎn)，近年在高性能夾層結(jié)構(gòu)芯材上得到大量應(yīng)用。PMI泡沫主要有機(jī)械加工及熱成型兩種成型方式。大曲率PMI泡沫采用機(jī)械加工會造成原材料的極大浪費(fèi)，泡沫熱成型工藝則較好地避免了此問題。本文主要對PMI泡沫真空輔助熱成型工藝及其生產(chǎn)應(yīng)用進(jìn)行研究。

2? 正文

PMI泡沫真空輔助熱成型工藝，是將PMI泡沫以真空袋密封封裝在成型模具上，在加熱設(shè)備中升溫至其熱變形溫度后，施加真空壓力使泡沫與模具型面貼合，冷卻后得到所需型面泡沫的工藝[2]。

2.1 真空輔助熱成型參數(shù)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)一：材料：泡沫ROHACELL 110WF-HTδ15mm。成型模具：轉(zhuǎn)角35°曲面。加熱設(shè)備：烘箱。成型溫度： 175℃，185℃，195℃。保溫時間：15min。

實(shí)驗(yàn)二：材料：泡沫ROHACELL 110WF-HTδ20mm。成型模具：轉(zhuǎn)角67°曲面。加熱設(shè)備：烘箱。成型溫度：195℃。保溫時間：15min，25min，60min。

實(shí)驗(yàn)三：材料：泡沫ROHACELL 110WF-HTδ20mm。成型模具：轉(zhuǎn)角67°曲面。加熱設(shè)備：熱壓罐。成型溫度：205℃。保溫時間：60min。

補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)：材料：泡沫ROHACELL 110WF-HTδ24mm，δ30mm;Cascell 75WH-HT δ20mm，δ24mm。成型模具：轉(zhuǎn)角46°，71°曲面。加熱設(shè)備：熱壓罐。成型溫度：205℃。保溫時間：60min。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)流程

將裁剪并干燥完畢的PMI泡沫板置于成型模具待成型區(qū)域，使用隔離膜、透氣織物、真空袋、密封膠帶將泡沫板封裝在模具上，與模具共同放入加熱設(shè)備中升溫至泡沫熱變形溫度后，保溫使泡沫均勻受熱并抽真空令泡沫貼合模具型面，降溫冷卻后脫模。

2.1.3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)一結(jié)果分析：

實(shí)驗(yàn)一中，泡沫熱成型溫度為實(shí)驗(yàn)變量，分別在175℃，185℃，195℃下進(jìn)行泡沫熱成型，由表2結(jié)果可知在175℃及185℃下泡沫斷裂，195℃下實(shí)驗(yàn)成功。

實(shí)驗(yàn)二結(jié)果分析：

依據(jù)實(shí)驗(yàn)一的成功結(jié)果，實(shí)驗(yàn)二增加泡沫厚度至δ20mm，增加型面彎曲程度至67°，在195℃下進(jìn)行熱成型。由表3結(jié)果可知195℃下保溫15min后成型，泡沫斷裂。考慮到泡沫厚度增加后，泡沫內(nèi)外部溫差問題，增加熱成型保溫時間至25min及60min，結(jié)果仍為泡沫斷裂。結(jié)合其余零星實(shí)驗(yàn)推斷，實(shí)驗(yàn)失敗的原因可能有以下兩種：（1）加熱設(shè)備烘箱監(jiān)控溫度為烘箱內(nèi)部溫度，沒有設(shè)置泡沫溫度監(jiān)控偶，熱成型時泡沫溫度與烘箱溫度存在較大差異，泡沫內(nèi)部未到達(dá)熱變形溫度。（2）閉孔泡沫材料熱導(dǎo)率差[3]，當(dāng)泡沫厚度增加時，需要更高溫度來使泡沫內(nèi)部到達(dá)其熱變形溫度。

實(shí)驗(yàn)三結(jié)果分析：

實(shí)驗(yàn)三增加熱成型溫度至205℃，增加保溫時間至60min。選取熱壓罐作為加熱設(shè)備，泡沫成功成型。補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)為表中2～6組，不同牌號，厚度，尺寸的泡沫配合不同彎曲程度的模具，在熱壓罐中205℃下保溫60min實(shí)驗(yàn)結(jié)果均成功。

從上述真空輔助熱成型參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在熱壓罐中205℃下保溫60min進(jìn)行泡沫熱成型結(jié)果理想，該參數(shù)可用于實(shí)際生產(chǎn)。

2.2 泡沫熱成型厚度實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)選取泡沫ROHACELL 110WF-HT δ20mm，δ24mm， Cascell 75WH-HTδ20mm，δ24mm熱壓罐中205℃下保溫60min進(jìn)行真空輔助熱成型，隨機(jī)取點(diǎn)分別測量記錄泡沫熱成型前后厚度。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

PMI泡沫在高溫受壓環(huán)境下會發(fā)生壓縮蠕變[3]，熱成型后存在厚度方向上的減薄。其中泡沫邊緣10mm范圍內(nèi)較其余位置減薄明顯（邊緣位置數(shù)據(jù)未出現(xiàn)在上表中），可能是由于泡沫邊緣位置不僅受到來自厚度方向上的壓力，還受到真空袋給予的側(cè)向拉力[4]。表5中泡沫厚度方向最大收縮率處于8.3%以內(nèi)，平均收縮率處于2.6%～6.5%。泡沫Cascell 75WH-HTδ24mm熱成型時其表面受輔助材料牽拉，牽拉部位泡沫表層發(fā)生橫向滑移減薄，因此該組厚度壓縮量數(shù)據(jù)有所上升。而泡沫ROHACELL 110WF-HT δ30mm厚度方向減薄小于其他組可能與其較大的厚度存在聯(lián)系。

2.3 泡沫熱成型拼接實(shí)驗(yàn)

2.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

大曲率PMI泡沫受模具開口限制需要進(jìn)行分塊熱成型后拼接形成完整曲面。拼縫質(zhì)量，拼縫預(yù)留余量以及拼接前后泡沫厚度變化是需要研究的問題。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)選取ROHACELL 110WH-HT δ20mm泡沫，熱成型前記錄泡沫厚度。泡沫錯位放置在單曲率工裝上，205℃下熱壓罐中保溫60min成型。成型后劃線標(biāo)出拼縫位置，測量記錄泡沫厚度，并按線切除多余部分及邊緣減薄區(qū)。使用發(fā)泡膠拼接分塊后檢查拼縫質(zhì)量與拼縫寬度，記錄泡沫拼接前后厚度變化。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6結(jié)果可知，泡沫厚度方向的壓縮主要由熱成型過程導(dǎo)致。泡沫拼接溫度未到達(dá)泡沫熱變形溫度，拼接采用的真空壓力小，故泡沫拼接前后厚度基本無變化。拼接縫均勻存在局部少量溢膠，拼縫寬度接近泡沫膠理論厚度，拼縫處未產(chǎn)生明顯凹陷。

2.5 生產(chǎn)應(yīng)用

泡沫夾層進(jìn)氣道零件夾芯擬采用真空輔助熱成型工藝制造。泡沫芯尺寸2400mm×650mm，牌號Cascell 75WH-HT，厚度δ20mm。泡沫夾芯依據(jù)弧面曲率均分為3塊（單塊型面轉(zhuǎn)角約55°），加放余量后單塊尺寸約1100mm×750mm。為保證泡沫熱成型厚度方向收縮后滿足型面銑切要求，選取δ24mm泡沫進(jìn)行熱成型。

2.5.1 生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

經(jīng)驗(yàn)一：泡沫水平放置熱成型，泡沫兩端會沿彎曲方向均勻下移直至貼合型面，泡沫板沿彎曲方向兩端需預(yù)留足夠余量，單側(cè)余量=（成型段弧長-弦長）/2+泡沫邊緣減薄區(qū)30mm。

經(jīng)驗(yàn)二：泡沫側(cè)立放置進(jìn)行熱成型，成型過程中泡沫在重力作用下向工裝底部滑移，建議采用工裝底部設(shè)置擋板的方式控制泡沫滑移。若采用頂部包裹牽拉的方式控制滑移，可能導(dǎo)致牽拉部位表層滑移減薄。

經(jīng)驗(yàn)三：泡沫熱成型應(yīng)采用帶有固定真空嘴的成型模具。由于泡沫熱成型制袋后無法直接施加真空壓力，后期在加熱設(shè)備中抽真空時，活動真空嘴易翻倒，真空袋會堵塞真空管路導(dǎo)致泡沫無法受壓成型。

經(jīng)驗(yàn)四：熱成型后泡沫與工裝貼合良好，無明顯回彈。

經(jīng)驗(yàn)五：泡沫熱成型過程中，導(dǎo)氣用輔助材料應(yīng)固定在成型型面周邊，防止輔助材料竄入懸空的泡沫底部，造成壓痕缺陷。

經(jīng)驗(yàn)六：小曲率泡沫熱成型前后位移小，可考慮在厚度方向預(yù)留壓縮余量，將泡沫外形加工后進(jìn)行熱成型。大曲率泡沫建議在外形及厚度方向預(yù)留余量，待泡沫成型后機(jī)械加工去除余量保證外形及型面。

3? 結(jié)語

（1）采用真空輔助泡沫熱型工藝，依托成型模具，在加熱設(shè)備中205℃下可進(jìn)行不同厚度、密度ROHACELL 及Cascell 泡沫的熱成型。

（2）泡沫熱成型后厚度方向存在壓縮，需預(yù)留足夠壓縮余量。

（3）大曲率泡沫可分段熱成型后使用發(fā)泡膠拼接形成整個曲面，拼縫預(yù)留余量基本與發(fā)泡膠理論厚度一致。

（4）通過在成型模上設(shè)置擋條，固定真空嘴，固定輔助材料等方式可提高泡沫真空輔助熱成型成功率。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊洋，劉軍，盧鑫.固化壓力對PMI泡沫/高溫固化環(huán)氧碳纖維夾層復(fù)合材料膠接性能影響的研究[J].高科技纖維與應(yīng)用，2012（1）：14-21.

[2] 郭書良，趙龍，黃峰，等.復(fù)雜曲面泡沫夾芯復(fù)合材料成型工藝研究[A].第17屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議（復(fù)合材料制造技術(shù)與設(shè)備分論壇）論文集[C].2012.

[3] 聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）結(jié)構(gòu)泡沫芯材Cascell技術(shù)手冊[Z].浙江中科恒泰新材料科技有限公司，2016.

[4] 蘇航，王翀，段正才，等.PMI泡沫的熱成型工藝研究及其應(yīng)用分析[J].安徽化工，2018（1）：66-68.