纖維復(fù)合材料管分層固化界面前處理方法探究

田忠恩 婁小杰

摘 要 針對纖維復(fù)合材料分層固化界面質(zhì)量差異大、不易控制、難處理等問題，本文通過對樹脂與脫模布浸潤原理的分析及多種工藝處理方法對界面質(zhì)量影響的對比分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際比較了各工藝處理方法的實(shí)用性和可靠性，最終獲得可有效控制分層固化界面質(zhì)量、減少打磨工作量、提升工作效率的前處理方法。為復(fù)合材料分層固化界面處理提供參考。

關(guān)鍵詞 纖維纏繞；復(fù)合材料管；分層固化；界面質(zhì)量

ABSTRACT Aiming at the interfacial quality problems which big difference， difficult to control and handle in the layered curing process of fiber composite materials， this paper analyzes the wetting principle of resin and demoulding cloth， the influence of various processing methods on the interfacial quality， and compares the practicability and reliability of each process method combined with the production practice. Finally， the pre-treatment method can control the interfacial quality effectively， reduce the grinding workload and improve the working efficiency. It also can provide a reference for the interfacial treatment of composite layered curing.

KEYWORDS filament winding; composite pipe; layered curing; interfacial quality

1 引言

復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便、耐化學(xué)腐蝕、耐候性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，正逐步取代傳統(tǒng)金屬等材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑、健身器材等領(lǐng)域，在近幾年得到飛速發(fā)展[1]。纏繞成型是復(fù)合材料成型使用最廣泛的工藝方法之一。纏繞工藝過程主要包括纖維纏繞和固化兩大部分，其中固化制度的選擇直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。對于厚壁產(chǎn)品成型，分層固化制度是比較常用的工藝方法，從力學(xué)的角度，分層固化提高了纖維初始張力，從而避免了對整個(gè)管體的強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響；從工藝學(xué)角度，濕法纏繞由于纏繞張力的作用，膠液將由內(nèi)層向外層遷移，使樹脂含量沿壁厚方向分布不均勻，內(nèi)層膠液溶劑向外揮發(fā)困難，易形成氣泡，影響產(chǎn)品質(zhì)量，采用分層固化，既及時(shí)固定了纖維纏繞位置，減緩了樹脂沿壁厚方向的不均勻性，又利于溶劑揮發(fā)，消除氣泡，提高制品內(nèi)外質(zhì)量的均勻性[2]。

鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，分層固化被廣泛應(yīng)用于厚壁產(chǎn)品成型過程中。分層固化界面的粘接性能不僅與樹脂和纖維自身性能有關(guān)，而且與界面質(zhì)量的優(yōu)劣有關(guān)。界面質(zhì)量受多種隨機(jī)性因素的影響，很難達(dá)到理想的狀態(tài)，因此界面的處理就變得尤為關(guān)鍵，直接影響界面粘接性能和產(chǎn)品質(zhì)量。不同的固化前處理方法使界面質(zhì)量存在一定差別，所以找到一種可靠的界面處理工藝方法是非常必要的。

本文對樹脂與脫模布浸潤原理進(jìn)行了分析，對不同處理方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析，旨在獲得一種可靠實(shí)用的工藝處理方法，保證分層固化界面質(zhì)量的優(yōu)異性和穩(wěn)定性。

2 界面處理方法分析

對于濕法纏繞現(xiàn)階段分層固化制度界面處理采用的方式是：固化前在產(chǎn)品外層卷纏脫模布，固化完成后扒掉脫模布，對界面光亮處進(jìn)行打磨，使之達(dá)到一定粗糙度，將表面清理干凈，刮涂一層界面樹脂，然后按工藝要求進(jìn)行下一階段纏繞。如果界面前處理不當(dāng)，界面將會產(chǎn)生較大亮面，如圖1所示，影響表面粘接性能，而且界面在打磨過程中，勢必產(chǎn)生灰塵、對纖維造成傷害，灰塵的存在會給粘接性能帶來負(fù)面影響，甚至可能造成產(chǎn)品缺陷，而且在打磨過程中對車間生產(chǎn)環(huán)境造成污染，所以在界面處理時(shí)應(yīng)盡量不打磨或少量打磨。

固化后界面光亮處的存在與固化前處理方法直接相關(guān)，即與脫模布和樹脂的浸潤程度和卷纏狀態(tài)有關(guān)。環(huán)氧樹脂固化過程主要分三個(gè)階段：液體-操作時(shí)間、凝膠-進(jìn)入固化、固體-最終固化，其中液體-操作時(shí)間階段，由于稀釋劑的作用，樹脂黏度較低，具有一定流動性，是纏繞成型工藝的操作期，同時(shí)也是界面前處理的最佳時(shí)期[3]。

濕法纏繞過程中，隨著纏繞的逐層進(jìn)行，在纏纖維張力的作用下，伴隨著逐層刮膠，樹脂通過纖維間的空隙由內(nèi)層向外層流動，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，樹脂不再流動。固化過程中，固化初始階段纖維可看成懸浮在粘流樹脂內(nèi)的單絲或絲束，隨著爐內(nèi)溫度的升高，分子鏈活動增強(qiáng)，樹脂黏度隨溫度單調(diào)降低，樹脂仍然要通過纖維間的空隙由內(nèi)層向外層流動，最外層成為富樹脂層，隨著溫度進(jìn)一步的升高，樹脂黏度升高，逐漸失去流動性，進(jìn)入下一反應(yīng)階段[3-5]。樹脂流動過程如圖2所示。

基于上述樹脂在纏繞和固化過程中的流動特點(diǎn)，樹脂對脫模布的浸潤原理為：卷纏脫模布過程中外層樹脂對脫模布產(chǎn)生一定的浸潤作用，在預(yù)緊力和樹脂的共同作用下脫模布與外層纖維緊密貼合，固化過程中內(nèi)層樹脂繼續(xù)向外層流動，達(dá)到一定量后將脫模布浸透，隨著溫度進(jìn)一步升高，固化進(jìn)入凝膠階段，此時(shí)脫模布相當(dāng)于鑲嵌在樹脂層內(nèi)，待固化最終結(jié)束后，脫模布的布紋使界面形成與布紋相當(dāng)大小的凹凸不平的紋路，扒掉脫模布后，界面具有一定的粗糙度，且無光亮堅(jiān)硬面存在，其界面狀態(tài)如圖3所示，該狀態(tài)無需打磨，只需簡單的處理就可進(jìn)行下一階段的纏繞工作。

3 界面質(zhì)量對比試驗(yàn)與分析

根據(jù)上述樹脂對脫模布的浸潤作用原理的分析，將幾種界面前處理方法進(jìn)行試驗(yàn)對比，目的是對界面質(zhì)量進(jìn)行比較，找到一種適用且可靠的前處理方法，最終獲得亮面少，粗糙度滿足粘接要求的界面。

結(jié)合界面前處理方法的特點(diǎn)，按纖維外層和脫模布外層樹脂不同的存在狀態(tài)進(jìn)行組合。試驗(yàn)方案如表1所示。

試驗(yàn)材料及設(shè)備：碳纖維、環(huán)氧樹脂、脫模布（尼龍）、滾刷、模具、自動纏繞機(jī)、加熱型固化爐。

依照成型工藝完成第一階段纏繞后，將試驗(yàn)件沿軸向分4段，分別標(biāo)記為A、B、C、D。A區(qū)域纖維外層樹脂刮掉，卷纏脫模布后用滾刷在脫模布外側(cè)滾涂樹脂，直到脫模布被浸透。B區(qū)域纖維外層樹脂刮掉，卷纏脫模布，不再進(jìn)行其他操作；C區(qū)域纖維外層樹脂保留，卷纏脫模布后用滾刷在脫模布外側(cè)滾涂樹脂，直到脫模布被浸透。D區(qū)域纖維外層樹脂保留，卷纏脫模布，不再進(jìn)行其他操作。處理后各區(qū)域狀態(tài)如圖4所示。

前處理完成后將試驗(yàn)件放入固化爐，按照固化制度進(jìn)行升溫固化。固化完成后將脫模布扒掉，各區(qū)域界面狀態(tài)如圖5所示。從圖5可知各區(qū)域界面質(zhì)量優(yōu)劣順序依次為：D、C、B、A。A區(qū)域亮面較多，脫模布搭接位置和非搭接位置均有較多亮面，主要原因是在脫模布外表面滾涂樹脂過程中導(dǎo)致脫模布局部松弛，出現(xiàn)外層纖維與脫模布分離現(xiàn)象，隨著反應(yīng)的進(jìn)行溶劑等低分子物質(zhì)會通過脫模布松弛位置逸出，導(dǎo)致脫模布不能與外層纖維完全貼合，固化完成后松弛位置出現(xiàn)亮面。B區(qū)域界面質(zhì)量優(yōu)于A區(qū)域，亮面主要出現(xiàn)在脫模布搭接處和圓弧界面凹點(diǎn)處，主要原因是搭接處樹脂對脫模布浸潤不夠，高點(diǎn)的支撐使圓弧面凹點(diǎn)位置脫模布與外層纖維貼合不完全，除此之外，固化過程中脫模布與外層纖維貼合較緊處由于脫模布預(yù)緊力的作用樹脂會向預(yù)緊力相對小的位置流動，導(dǎo)致該處樹脂含量偏低，固化完成后界面出現(xiàn)纖維裸露現(xiàn)象。C區(qū)域亮面較少，亮面主要出現(xiàn)在脫模布搭接位置，原因是脫模布外表面滾涂樹脂過程中使脫模布變松弛，脫模布與外層纖維發(fā)生分離。D區(qū)域亮面最少，主要在脫模布搭接位置出現(xiàn)亮面。通過上述各區(qū)域界面質(zhì)量對比試驗(yàn)可知：滾涂樹脂過程中會造成脫模布松弛；脫模布搭接位置樹脂浸潤困難，需滾刷滾壓；單一的依靠固化過程中的樹脂流動不能保證脫模布被完全浸透；樹脂從內(nèi)側(cè)向外側(cè)流動可更好的浸潤脫模布；卷纏脫模布施加較大預(yù)緊力可使脫模布被浸潤的更均勻。

通過不同處理方法的界面質(zhì)量比較，認(rèn)為C、D區(qū)域界面質(zhì)量符合要求，只需簡單打磨方可進(jìn)行下一階段的纏繞。然而在固化前處理過程中由于C區(qū)域需要在脫模布外側(cè)滾涂樹脂，導(dǎo)致固化完成后包裹脫模布的樹脂層較厚，扒掉脫模布較困難，因此從經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率方面考慮，D區(qū)域的處理方法更加適合。

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，卷纏脫模布后，放置一段時(shí)間再進(jìn)行固化界面質(zhì)量更優(yōu)，主要原因是脫模布被浸潤的更加充分，進(jìn)而使脫模布與外層纖維貼合更加緊密。為了獲得高質(zhì)量界面可延長浸漬時(shí)間，即適當(dāng)增加纏繞完成后到進(jìn)入固化爐固化之前這段時(shí)間，一般以不超過凝膠時(shí)間為宜[6]，然后再進(jìn)行升溫固化，既有利于浸透脫模布，又有助于纖維進(jìn)一步浸潤。根據(jù)各區(qū)域亮面產(chǎn)生的原因及出現(xiàn)的位置，結(jié)合多次試驗(yàn)界面前處理過程中各操作環(huán)節(jié)，最終確定前處理方法為：保留纖維最外層樹脂，卷纏脫模布時(shí)施加預(yù)緊力，預(yù)緊力盡量大，以接近最外層纖維纏繞張力為宜，相鄰脫模布搭接20mm～40mm，滾刷浸透樹脂后跟涂搭接位置，直到卷纏完成，對表面泛白處繼續(xù)用毛輥滾壓，注

意滾壓方向應(yīng)與卷纏方向一致，禁止反復(fù)多方向 滾壓，盡量保持脫模布的繃緊狀態(tài)，然后放置一定時(shí)間后進(jìn)入固化爐升溫固化。固化完成后，扒掉脫模布，待后續(xù)處理后進(jìn)行下一階段的纏繞。按照上述方法重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，界面狀態(tài)如圖6所示，與上述D區(qū)域界面質(zhì)量相近，幾次試驗(yàn)界面質(zhì)量無明顯差異，說明該前處理方法適用且可靠，能夠滿足分層固化界面質(zhì)量要求。

樹脂可常溫放置時(shí)間的長短不僅與樹脂配方有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、濕度、纖維上漿劑等因素息息相關(guān)[7]，放置時(shí)間并不是一成不變。常溫放置如果達(dá)到或超過一定時(shí)間，樹脂將會進(jìn)入熟化階段，失去粘性，局部將會變成硬橡膠似的軟凝膠物，如果此時(shí)升溫固化，界面狀態(tài)將如何變化，能否與圖5中D區(qū)域界面質(zhì)量相近，由此，按照相應(yīng)條件進(jìn)行試驗(yàn)，探究界面質(zhì)量變化情況。依照上述確定的前處理方法處理試驗(yàn)件，完成后放置一定時(shí)間，使樹脂達(dá)到熟化狀態(tài)，然后進(jìn)入固化爐升溫固化，固化后界面狀態(tài)如圖7所示。

圖7中界面出現(xiàn)較多樹脂疙瘩，大小不一，分布無規(guī)律，且樹脂疙瘩中心位置存在氣泡形成的凹坑亮面，界面處理相當(dāng)麻煩，顯然該界面狀態(tài)不滿足粘接要求。結(jié)合固化過程中樹脂的流動和低分子物排出的特點(diǎn)，分析出現(xiàn)樹脂疙瘩的主要原因?yàn)槌胤胖眠^程中，樹脂混合物已經(jīng)開始反應(yīng)，并伴有溶劑等低分子物質(zhì)釋放，隨著時(shí)間的延長，樹脂粘度逐漸升高，局部進(jìn)入熟化階段，內(nèi)層反應(yīng)產(chǎn)生的氣體向外釋放變得困難，將從脫模布松弛位置或浸潤不充分處逸出，進(jìn)而導(dǎo)致該位置脫模布與纖維分離，該狀態(tài)進(jìn)入固化爐后，局部熟化的樹脂隨溫度的升高，樹脂粘度降低，但不會回到最初的流動狀態(tài)，在脫模布和纖維預(yù)緊力的作用下內(nèi)層樹脂和氣體向外層流動，由于外層樹脂粘度較大，脫模布被浸潤變得困難，而且此時(shí)脫模布本身的孔隙已經(jīng)被樹脂密封，流動到纖維最外層的樹脂及氣體將沿壓力相對較小的方向流動，即向脫模布松弛位置或浸潤不充分處流動，最終導(dǎo)致氣體和樹脂集中流入上述位置，隨著溫度的進(jìn)一步升高，樹脂進(jìn)入固化階段，待固化完成后，則出現(xiàn)如圖7所示的樹脂疙瘩。

鑒于上述試驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，如果設(shè)備等出現(xiàn)問題，成型后不得不放置較長時(shí)間，則在前處理過程中可將纖維最外層樹脂刮掉，待可入爐固化前，在纖維外層滾涂一層樹脂，此時(shí)樹脂只是局部熟化，新加入的樹脂仍然能與其化學(xué)鏈接，表面仍然可以進(jìn)行粘接或反應(yīng)，然后卷纏脫模布，放置一定時(shí)間后升溫固化。固化后界面狀態(tài)如圖8所示，界面無樹脂疙瘩產(chǎn)生，亮面較少，其主要原因是重新涂刷樹脂卷纏脫模布后，脫模布浸潤狀態(tài)良好，固化反應(yīng)釋放的氣體可通過脫模布本身孔隙排出，避免了樹脂和氣體集中流入一處問題的發(fā)生。按同樣處理方法重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，各界面與圖8界面狀態(tài)相近，通過簡單的打磨處理便可進(jìn)行下一階段纏繞。

4 結(jié)語

本文闡述了纖維復(fù)合材料管分層固化界面前處理方法，通過對比試驗(yàn)比較了不同處理方法對固化后界面質(zhì)量的影響，最終確定一種可靠穩(wěn)定的前處理方法：纏繞完成后保留纖維最外層樹脂，卷纏脫模布，施加預(yù)緊力，以接近最外層纖維纏繞張力為宜。滾刷浸透樹脂后跟涂脫模布搭接位置，滾壓方向應(yīng)與卷纏方向一致，禁止多方向滾壓，直到脫模布被浸透，無泛白面為止，旋轉(zhuǎn)放置一定時(shí)間后進(jìn)入固化爐升溫固化。經(jīng)過上述方法處理后，固化界面無明顯亮面出現(xiàn)，滿足分層固化界面質(zhì)量要求，經(jīng)過簡單處理方可進(jìn)行下一階段成型。

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