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真空导入工艺和手糊工艺的比较 返回行业资讯

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引言
  “真空树脂导入工艺”(VRIP),又称为“真空辅助树脂扩散模塑工艺”(VARIM),或“真空辅助树脂转移模塑工艺”(VARTM)。该工艺原理为借助真空的驱动,把树脂注入预制成形的增强材料中,模具由柔性膜和刚性半模组成。由于增强材料为真空所压紧,树脂的渗透速度一般较慢,要依靠导流介质(导流布或导流管)的帮助,这就是Seemann发明的专利技术SCRIMP。SCRIMP的基本原理是利用导流介质,在部件表面形成高流速的渗透区,使树脂迅速达到产品的整个表面,浸渍主要是通过厚度方向来实现,从而大大缩短了树脂的渗透途径和时间,依靠高真空度,制品的孔隙率可达到1%一1.5%,纤维体积含量在50%以上。SCRIMP的另一种工艺是在芯材上开槽,织物放在芯材的上方,树脂在槽内流动,其速度快于在导流介质中的流动。

机舱罩是风电设备的重要部件,由于风机总是在较为恶劣的气象环境中工作,风电机舱罩要满足如下技术要求:
(1)空气动力学负载:承担风速达70m/s的空气动力负载。
(2)人员站立负载:为安装和维修要求,机罩上的任何点都能承担一个人站立,设计要求在每5X103mm2的面积上,受力80Kg时材料弯曲变形不超过0.5cm。
(3)疲劳负载:承受相当20年的疲劳损害。
(4)在下述环境中工作20年,材料性能不发生明显变化。

紫外照射:幅射强度:1000W/M2..,耐油脂:尤其是要耐机内所用的油脂;•工作湿度:达95%..,工作温度:-10℃-+40℃,极端情况可达-20℃~+50℃。

真空导入工艺和手糊工艺的比较

由此作为机舱罩的复合材料要求具有:
(1)使用寿命20年;(2)适合于机舱罩的工作环境,如耐油、耐湿、耐紫外照射等;(3)材料容易买到;(4)价格可以接受;(5)可维修,这是大型产品所必须的;(6)材料力学性能满足设计要求,尤其是刚性要好;(7)抗疲劳性能好;(8)有一定的阻燃性能。

1、真空树脂导入工艺和手糊工艺的比较
目前用于风电机舱罩制造的材料主要为聚酯玻璃纤维复合材料,成型工艺主要为手糊工艺和真空树脂导入工艺,两者的优缺点比较如下:

手糊工艺(Hand lay-up)是一种开模工艺,目前在玻璃纤维增强的聚酯复合材料中占65%。他的优点是在模具的形状改变上有很大的自由度,模具价格低,适应性强、产品性能得到市场认可和投资少等。所以特别适合于小公司,也适合于船舶航空航天产业,这儿通常是一次性的大部件。但该工艺也存在一系列问题,如可挥发有机物(VOC)排放超标、对操作人员的健康影响大、人员易流失、许用材料限制多、产品性能低,树脂浪费并且用量大等,尤其是产品质量不稳定,产品的玻纤和树脂比例、部件厚度、层材制造速率、层材的均匀性等都受操作人员的影响,要求操作人员有较好的技术、经验和素质。手糊产品的树脂含量一般在50%-70%左右。开模工艺的VOC排放超过500PPm,苯乙烯的挥发量高达使用量的35%-45%。而各国规定都在50-100PPm。目前国外大都改用环戊二烯(DCPD)或其它低苯乙烯释放树脂,但苯乙烯作为单体还没有好的替代品。

真空树脂导入工艺是近20年来发展的低成本制造工艺,尤适合于大型产品的制造。其优点如下:
(1)产品性能优良,成品率高。在同样原材料的情况下,与手糊构件相比,真空树脂导入工艺成型构件的强度、刚度及其它的物理特性可提高30%-50%以上(表1)。工艺稳定后成品率可接近100%。

表1 典型聚酯玻璃钢性能比较

真空导入工艺和手糊工艺的比较

(2)产品质量稳定,重复性好。产品质量受操作人员影响小,不论是同一构件还是各构件间都存在高度的一致性。产品的纤维用量在注入树脂前已按规定的量放入模具中,构件有相对恒定的树脂比,一般在30%-45%,因此产品性能的均匀性和重复性比手糊工艺产品好得多,缺陷也少得多。
(3)抗疲劳性能提高,可减轻结构重量。由于制品纤维含量高、孔隙率低、产品性能高,尤其是层间强度的提高,大大提高了产品的抗疲劳性能。在强度或刚度要求相同的情况下,采用真空导入工艺制作的产品可减轻结构重量。
(4)环境友善。真空树脂导入工艺是一种闭模工艺,挥发性有机物和有毒空气污染物均被局限于真空袋中。仅在真空泵排气(可过滤)和打开树脂桶时有微量的挥发物。VOC排放不超过5PPm的标准。这也大大改善了操作人员的工作环境,稳定了劳动人员的队伍,也扩大了可用材料的范围。
(5)产品整体性好。真空树脂导入工艺可同时成形加强筋、夹芯结构及其它嵌件,提高了产品的整体性,因此可制造风机机罩、船体和上层建筑等大型制品。
(6)减少原材料使用,减少用工。在同样铺层时,树脂用量减少30%。浪费少,树脂损耗率低于5%。劳动生产率高,比手糊工艺可节约劳动力50%以上。尤其在成型大型复杂几何形状的夹芯和加筋结构件时,材料和人工的节省更为可观。如在航空工业的垂直舵制造中,使紧固件减少365个价格比传统方法减少75%,产品重量不变,性能更好。
(7)制品精度好。真空树脂导入工艺产品的尺寸精度(厚度)优于手糊制品。在同样的铺层下,一般真空树脂扩散技术产品的厚度为手糊制品的2/3 。产品厚度偏差约为士10%,而手糊工艺一般为士20% 。产品表面的平整度优于手糊产品。真空树脂导入工艺的机罩产品内壁光滑,表面自然形成富树脂层,不需要另外加涂面漆(Top coat)。减少了打磨和涂漆工序的人工和材料。

当然目前真空树脂导入工艺也有一定的缺点:
(1)准备工序时间较长而且较为复杂。需要正确的铺层、铺设导流介质、导流管、有效的真空密封等。因此对于小尺寸产品,其工艺时间反而超过手糊工艺。
(2)生产成本较高,并产生较多的废料。如真空袋膜、导流介质、脱模布及导流管等辅助材料都是一次性使用,而且目前相当多的要依赖进口,故生产成本比手糊工艺高。但产品越大,这个差别越小。随着辅助材料的国产化,这一成本差别也越来越小。当前研究可多次使用的辅助材料是本工艺的一个发展方向。
(3)工艺制造有一定的风险。尤其是大型复杂结构产品,一旦在树脂灌注中失败,产品易报废。
因此要有较好的前期研究,严格的工艺控制和有效的补救措施,以保证工艺的成功。

2、真空树脂导入工艺对原材料的要求
作为以真空导入工艺生产的机舱罩中使用的树脂要求:
(1)低粘度。一般在100-400mPa.s左右。最好不高于200mPa.s; 
(2)适当的放热峰温度,一般不高于80℃;
(3)在使用温度达到60℃前,玻璃钢层材仍有合适的强度;
(4)长期在潮湿环境下(相对湿度95%),仍与所选玻璃布有很好的结合强度:
(5)可在常温下固化;
(6)有足够长的凝胶时间,保证工艺的完成,而且最后能完全固化;
(7)耐气候性好;
(8)耐油脂性好;
(9)阻燃性好;
(10)价格低;
(11)固化收缩率低等。

对于树脂体系的各种组分,如树脂、固化剂、促进剂、阻聚剂、色浆和填料等都要开展相应的树脂流动性、粘度和固化反应动力学的研究,以保证工艺的可靠性(图3)。其研究手段包括DSC、DTA、动态粘度计等。

一般来说,各种形式的增强材料,如短切毡、长丝毡、无捻粗纱织物(方格布)、加捻织物、缝编织物以及夹芯材料(泡沫、轻木和蜂窝)等都可以应用,应用的织物面密度最大可至87kg/M2。但是要注意到,不同织物对真空导入工艺的影响是很大的,要尽量采用渗透率高、对树脂浸润性好的织物。

在采用芯材时,则需采用GPS芯材。

3、真空树脂导入工艺研究
3.1树脂的流动性研究
在真空树脂导入工艺中,主要是采用达西定律(Darcy's Law)(公式(l))来描述树脂流过预制件的过程。

真空导入工艺和手糊工艺的比较

在达西定律中,树脂被认为是不可压缩的、其粘度不随切变速度影响的牛顿流体。在实验中,也可以用其它液体来代替树脂,如用糖浆、甘油和纤维素水溶液等,这样可大大减少实验成本和提高试验速度。织物预制件被看作多孔介质,其特性可用孔隙率和渗透率表征,他们影响树脂在预制件中的流动方向和速度,因此决定着复合材料成型时需要的真空压力,流动(充模)时间和流动途径等关键参数,进而影响着树脂进口,出口及流道等关键结构的设计,以确保树脂在凝胶化前完成充模过程。

树脂的流动可分为两类:
由压力梯度决定的浸润或宏观流动(纱线束间)的流速。(Macroscopic flow)。
由纤维毛细管压力和表面张力决定的浸透或微观流动(纱线束内)的流速。(Microcosmic flow)

影响流速和流道的因素包括:原材料、导流介质、铺层和真空度等。两种速度必须相当,如果流动前锋一旦汇合,就很难排出所包裹的气体,在微观层次上排除气体要受到树脂粘度和纤维束周围表面张力的影响。

研究发现,高渗透率导流介质的应用,大大缩短了充模时间,树脂在导流介质中流动大大快于在预制件中的流动,但二者的差距保持一个恒定值,充模时间只是导流介质渗透率的函数,受预制件渗透率的影响很小。导流介质的应用使充模时间减少50-80%。

在工艺中要防止由于不合理铺层等导致的“短路效应(cutline)”,在这些低阻力区,树脂流动速度会增加10-100倍,从而使工艺不能在预想的情况下进行。
目前有相当多的软件可模拟真空导入工艺中的流动过程,包括树脂流动前锋的位置和图样,可预先发现工艺中潜在的问题,并使工艺达到最佳化。

3. 2预制件的压缩行为研究
在真空导入工艺中,还要知道最终产品的厚度和纤维含量。由于真空袋是柔性的,不能直接控制产品的厚度,产品厚度及纤维含量和预制件的压缩行为有关,包括纤维在压力下的压缩和松驰行为,以及纤维和树脂间的相互作用。

试验表明,产品厚度是随着树脂的流动方向改变的,离真空源越远,树脂含量越高,相应纤维含量越低(产品越厚)。在VARIM工艺中预制件受到的外压是大气压(Patm) ,这个压力由树脂压力(Pr)和纤维结构支撑(Pf)(公式2)。

Patm=Pr+Pf (2)

树脂在进口处的压力为1个大气压,其流动前锋的压力为零,树脂压力从出口处到进口处,其压力是从零到1个大气压的分布,离开出口处越远树脂压力越大,相应预制件受的压力越小,纤维受压缩也越小,厚度也较大(图4)。在树脂到达出口处后,关闭树脂进口,而继续保持真空出口,使树脂压力稳定地减少,从而使预制件进一步压缩,可减缓厚度不均的现象。

织物在浸润过程中的压缩行为描述:当树脂未到达前,织物处在干态下,织物内的支撑力等于大气压,Pf-Patm,此时织物达到最大的压缩变形。在树脂到达后,开始浸润,这有两个过程,首先是树脂对纤维的润滑作用,引起纤维的重排,使织物进一步压缩,我们称为“浸润压缩效应”(wetting compaction),这时在外力作用下,由于纤维重排引起压缩量的增加。当树脂压力继续升高时,由于外力是不变的,从公式(2)知,纤维承受的压力相应减少,从而发生回弹效应(spring-back)。织物的压缩量减少,预制件厚度的变化取决于这两个效应的综合作用。试验结果也表明,织物的干态和湿态压缩行为有很大的区别,在最大真空压缩下,干态和湿态压缩量分别为53%和58%。试样厚度和树脂粘度都会影响浸渍(充模)时间。当预制件织物厚度增加四倍,浸渍时间从134秒增加到239秒。当树脂粘度从0.27 PaS增加到0.60 PaS时,浸渍时间从239秒增加到510秒,增加了113%。在树脂浸渍过程中,树脂的压力会迅速升高,使试样厚度增加,并导致材料纤维体积含量减少,其范围在45.5%至49.7%。

但要指出的是理论上,影响预制件织物渗透率的因素只和组成织物的纤维材料类型和比例、纤维体积含量、预制件的结构(织物的尺寸和堆积方式)以及空隙率等有关,而和树脂的化学特性无关。但在实际测试中纤维毛细管压力、流动速度、注入压力、不同试验流体等都对渗透率有不同程度的影响。此外如上所述,预制件的渗透率和孔隙率在真空导入工艺中是发生变化的。纤维排列越有序,织物的松驰行为减轻,毡和粗纱布的松驰行为最明显,单向纱的松驰行为就不太明显,在树脂注入前对预制件反复施加压缩一松驰周期,可减少产品中的富树脂区。

3.3 真空导入工艺控制研究
预制件中树脂流动检测装置,包括硬件(数据采集系统)和软件(控制和数据分析系统)。通过此检测平台,可以获得在注塑过程中,树脂所达到的预制件的位置。整个注塑过程中,树脂达到铺层表面和铺层厚度各个方向所需的时间。SCRIMP工艺的特点,即树脂由于高渗透介质的作用,快速沿增强体的表面扩张,然后再沿着增强体的厚度方向渗透。

VARIM工艺控制模型的研究很多,其内容包括:树脂在预制件中的流动模型、预制件在真空压力下的压缩和松驰行为模型及树脂粘度和固化反应动力学模型。其数据处理通常采用有限元法,如有限元/控制值法(FE/CV),把模型分成许多有限元(Finite Element),再围绕节点,把有限元分成更小的单位,构成控制元(Control Volume),用有限元计算树脂在浸润区的压力分布,用达西定律计算流动速率,用控制元和充填因子(Fill Factor)跟纵流动前锋的位置。FE/CV法可以有效地模拟复杂形状的树脂流动情况,减少计算成本。此外把产品看作2D壳体,然后再考虑树脂在厚度方向的“沉积”,也可大大简化计算量,计算结果据说还满意。

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