新型网状导流织物的制备及性能研究_章平.pdf

玻璃纤维2023 年 第 3 期 14技术研究中图法分类号：TQ171.77+7 文献标识码：A新型网状导流织物的制备及性能研究章 平，方梦娇，花东龙，张胜超，张 睿，张玉明，李冬冰（浙江联洋新材料股份有限公司，嘉兴314511）摘 要：利用不同导流介质材料、玻纤织物的层排布结构设计制备了流道型、层间型、复合型新型网状导流织物以及相应的环氧树脂基复合材料，考察了树脂/玻纤的导流速度及复合材料的力学性能。实验结果表明：不同的导流介质材料和结构层设计对树脂/玻纤的导流速度、复合材料的纤维质量分数以及力学性能有较大影响，导流速度由大到小依次为复合型、层间型、流道型织物，复合材料的纤维质量分数和力学性能由大到小依次为流道型、层间型、复合型新型网状 导流织物。关键词：导流织物；流道型；层间型；复合型，力学性能StudyonthePreparationandPropertiesofResinFlowGlassFabricsZhangPing,FangMengjiao,HuaDonglong,ZhangShengchao,ZhangRui,ZhangYuming,LiDongbing(NMGCompositesCo.,Ltd.,Jiaxing314511)Abstrct:Three new types of resin flow glass fabrics,i.e.resin channel type,interlaminar type and combination type,were fabricated by using different flow media and different fabric structure,and the corresponding composites with epoxy matrix were made.Then the resin flow rate and the mechanical properties of the composites were tested.The results showed that the different flow media and different fabric structure had significant influences on the resin flow rate and the mass fraction of the composites.The descending order of fabrics influencing the resin flow rate was combination type,interlaminar type and resin channel type,while the descending order of fabrics influencing the mass fraction was resin channel type,interlaminar type and combination type.Key words:resin flow fabric;resin channel type;interlaminar type;combination type;mechanical properties0 前言玻璃纤维经编织物作为复合材料的增强材料，使得复合材料具有高刚度、高强度、质量轻等优点，被广泛应用于航空、舰船、汽车等工程领域。真空灌注成型工艺是热固性复合材料成型的关键步骤，主要是依靠真空将树脂吸入灌注体系，对增强材料进行浸渍，并在室温的状态下进行固化，从而形成玻璃纤维增强复合材料1-2。目前针对不同缝编方式对复合材料性能方面的影响研究居多，而有关玻纤织物结构设计对复合材料性能影响方面的研究较少。Zheng3等人研究了缝编方式对玻纤织物性能的影响。Xia4等人研究收稿日期：2023-02-03修回日期：2023-04-17作者简介：章平（1986），男，工程师。主要从事玻纤增强复合材料的开发与研究。章平，等：新型网状导流织物的制备及性能研究DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.03.008玻璃纤维2023 年 第 3 期 15技术研究章平，等：新型网状导流织物的制备及性能研究了织物的编织工艺和成型方式等关键制备技术对复合材料的树脂渗透率及复合材料力学性能的影响。本文旨在通过引入玻纤织物的流道设计，导流介质材料的选择以及玻纤织物的层排布结构设计3个方面来制备流道型、层间型及复合型3种类型的新型网状导流织物，同时对3者的复合材料成型过程中的真空灌注速度、环氧树脂基复合材料的纤维质量分数及相关的力学性能进行对比研究。1 实验部分1.1 原材料玻璃纤维纱线（玻璃密度为2.60.1 g/cm3），EDR20-1500-320，EDR17-1200-320，巨石集团，基本技术指标如表1所示。表1 玻璃纤维纱线基本技术指标原材料含水率/%可燃物含量/%密度/gcm-3玻璃纤维纱线EDR20-1500-320 0.100.450.702.60.1玻璃纤维纱线EDR17-1200-320聚酯纤维，DTY-167/48，恒力化纤，基本技术指标如表2所示。表2 聚酯纤维基本技术指标原材料线密度/dtex断裂强度/cNdtex-1断裂伸长率/%聚酯纤维 DTY-167/48167 3.024.5连续毡CFM225-1330和导流网FMK200E2，生产厂商均为正威新材，基本技术指标如表3所示。表3 连续毡、导流网基本技术指标原材料单位面积质量/gm-2热变形温度/厚度/mm连续毡CFM225-1330225/导流网FMK200E2200 1201.150.30环氧树脂，RIMR035C，道生天合，固化剂，RIMH037，基本技术指标如表4所示。表4 环氧树脂基本技术指标原材料两者配比密度/gcm-3环氧树脂/固化剂100 301.150.11.2 设备仪器多轴向经编机，Biax Typ2-S1M2 CH，卡尔迈耶；RUFUS 旋转叶片式真空泵，R0100，苏州莱福士；一体化程控高温炉，SXC-5-13，杭州蓝天仪器；万能材料试验机，5982，INSTRON。1.3 新型网状导流玻纤织物的制备采用线密度2 400 tex的硅烷型玻纤直接无捻粗纱和2 400 tex短切型玻纤无捻粗纱为导流织物的增强材料基材，以连续毡CFM225-1330和导流网FMK200E2为导流织物介质，设计流道型导流织物LTM800/225i、层间型导流织物LTC800/225i，复合型导流织物LTKM800/200/225i，工艺路线 如图1。经纱纬纱铺布设定参数量产检测合格收卷开机生产检测调试连续毡/短切纱/导流网图1 工艺路线玻璃纤维2023 年 第 3 期 16技术研究1.4 织物分析表5为各类型导流织物及对应规格型号，流道型导流织物是指玻纤织物上表面经纱间隔排布，经纱空隙处作为树脂导流通道，如图3所示，层间型导流织物在流道型导流织物基础之上，缝有一层连续毡，复合型导流织物其表面既含有导流通道，又包含一层导流网。通过表5可以看出，流道型和层间型新型网状导流织物的面密度均为1085 g/m2，由于复合型导流织物其结构层中多缝一层导流网，其面密度为1285 g/m2，但三者的0/90层面密度保持 一致。表5 新型网状结构导流织物层结构对照表织物类型规格型号单位面积质量/gm-20/gm-290/gm-2短切层/gm-2连续层/gm-2导流网/gm-2流道型导流织物LTM800/225i1085448400225/层间型导流织物LTC800/225i1085448400/225/复合型导流织物LTKM800/200/225i1285448400225/2001.5 玻纤/树脂导流速度的测定将流道型导流织物LTM800/225i、层间型导流织物LTC800/225i，复合型导流织物LTKM800/200/225i分别裁切成500 mm250 mm的样布，采用单层真空灌注测试。实验室温度：25 2。在真空袋外表面每100 mm距离作一个刻度记号，如图4所示。真空泵提前开启，维持真空袋内真空压力-97525 mbar，且5 min时间内压力表刻度无变化，确认无异常情况下开始打开树脂进口阀门，同时摁下秒表，每当树脂流动前沿抵达100 min刻度线时，在对应刻度线右侧做好时间记录，待树脂抵达出口螺旋管时，将出口处螺旋管封闭，且真空压力降至-60025 mbar保压15 min，直至固化。1.6 纤维质量分数测试参考GB/T 2577-2005玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法5玻璃纤维增强塑料树脂含量实验方法，试样加工按GB/T 1446-2005纤维增强塑料性能试验方法总则6规定进行，试验结果取每组试样的算术平均数。1.7 层合板的力学性能测试参照ISO 527-41997塑料拉伸性 能测试 第4部分：各向同性和正交各向异性纤维 增强复合材料的试验条件制样及测试。采用万能材料试验机测试流道型导流织物LTM800/225i、层间型导流织物LTC800/225i，复合型导流织物LTKM800/200/225i这3种材料层合板的拉伸强度、模量和压缩强度、模量。2 结果与讨论2.1 织物分析将新型网状导流织物的主纱方向上均设计成具有一定间隔的树脂流道如图2，以便于树脂的导流，从而提高树脂导流速度。图3为3种类型新型网状导流织物横截面示意图，其中图3a流道型导流织物横截面示意图、织物上下结构层分别是0经纱层、90纬纱层及短切层；图3b层间型导流织物横截面示意图，织物上下结构层分别是0经纱层、90纬纱层及连续毡层；图3c复合型导流织物的横截面示意章平，等：新型网状导流织物的制备及性能研究图2 新型网状导流织物上表面玻璃纤维2023 年 第 3 期 17技术研究图，织物上下结构层分别是0经纱层、90纬纱层、导流网层及短切层。2.2 真空灌注成型速度对比在真空灌注成型实验中，新型网状导流织物的树脂灌注进程见图4，树脂流动前锋分布均匀，真空灌注效果良好。树脂灌注时间-距离曲线对照图见图5。根据达西定律在玻纤增强树脂基复合材料灌注成型中的应用7可知，树脂流动前沿到起点距离的平方与树脂流动时间成线性比例关系，3种导流织物的渗透率关系可通过图6的拟合直线斜率值表征，结果表明3种类型的新型网状导流织物的树脂灌注推进速度存在明显差异，复合型导流织物LTKM800/200/225i的树脂灌注推进速度快于层间型导流织物LTC800/225i，流道型导流织物LTM800/225i的树脂灌注推进速度最低。2.3 纤维质量分数当后固化完成后脱模得到玻璃钢层压板，在3种类型的玻璃钢层压板上分别取3块小的样块，分别灼烧称重，测得纤维质量分数对照结果见表6。章平，等：新型网状导流织物的制备及性能研究a.流道型导流织物横截面 b.层间型导流织物横截面 c.复合型导流织物横截面图3 导流织物横截面示意图图4 真空灌注成型过程图时间/s距离/cm图5 时间-距离曲线时间/s距离的平方/cm2图6 时间-距离的平方线性拟合关系玻璃纤维2023 年 第 3 期 18技术研究表6 纤维质量分数测试结果织物类型规格型号纤维质量分数/%流道型导流织物LTM800/225i62.87层间型导流织物LTC800/22554.39复合型导流织物LTKM800/200/225i36.02由表6可见，复合型导流织物所制得的玻璃钢层合板纤维质量分数最低，其次层间型，再者流 道型。这种差异主要是由以下2个原因引起的：其一，流道型导流织物相对复合型来讲，两者均拥有树脂流道，但流道型的织物结构层缺少拥有立体网状结构的导流网，导流网存在相对较多的空隙，能够被更多的流动树脂所填充，因而复合型导流织物所制得的玻璃钢层合板树脂质量分数高、纤维质量分数较流道型低。其二，流道型导流织物相比于层间型导流织物，其玻璃钢层压板的纤维质量分数高，是由于连续毡层更易于吸收树脂。2.4 层合板力学性能分析2.4.1 拉伸性能分析表7是3种类型的新型网状导流织物复合材料的0方向和90方向的拉伸性能。从表7可以看出，流道型导流织物复合材料的0方向拉伸性能明显高于层间型和复合型导流织物复合材料，复合型导流织物复合材料力学性能最低，虽然三者在织物铺层结构中各层主纱方向面密度一致，由于3种类型的新型网状导流织物中含有的导流介质类型不同，导致树脂填充含量不同，相应的力学性能高低与表6中三者的纤维质量分数高低相对应。由于新型网状导流织物复合材料的各向同性，90方向的拉伸性能与0方向的拉伸性能接近，且三者之间，90方向拉伸性能对比类似于0方向拉伸性能 对比。2.4.2 压缩性能分析表8是3种类型的新型网状导流织物复合材料的0方向和90方向的压缩性能。从表8可以看出，无论是在0方向压缩性能还是90方向的压缩性能，流道型导流织物复合材料压缩性能高于层间型导流织物复合材料压缩性能，层间型导流织物复合材料压缩性能高于复合型导流织物压缩性能，这一点与拉伸性能对比类似，相应的压缩力学性能高低恰好与表6中三者的纤维质量分数高低相对应。主要是压缩时，大部分的应力由玻璃纱线本身承受，在一定纤维质量分数范围内，纤维质量分数越高，其压缩力学性能越高。表7 0和90方向拉伸性能对比织物类型规格型号090拉伸强度/Mpa 拉伸模量/Gpa 断裂伸长率/%拉伸强度/Mpa 拉伸模量/Gpa 断裂伸长率/%流道型导流织物LTM800/225i352.5620.872.35330.4219.482.44层间型导流织物LTC800/225i297.0317.282.5308.5717.862.49复合型导流织物LTKM800/200/225i195.5212.892.64170.5711.812.80表8 0和90方向压缩性能对比织物类型规格型号090压缩强度/Mpa 压缩模量/Gpa应变/%压缩强度/Mpa 压缩模量/Gpa应变/%流道型导流织物LTM800/225i350.0522.261.33290.8215.921.44层间型导流织物LTC800/225i296.8516.851.91282.3318.741.43复合型导流织物LTKM800/200/225i248.1610.991.56243.6210.631.603 结论本文采用了不同导流介质材料、玻纤织物的层排布结构设计制备了3种类型的新型网状导流织物，对比了不同导流介质材料、玻纤织物的层排布章平，等：新型网状导流织物的制备及性能研究玻璃纤维2023 年 第 3 期 19技术研究结构设计对玻纤/树脂灌注速度及复合材料的力学性能影响，可得出如下结论：（1）采用连续毡、导流网等作为新型网状导流织物的介质，有利于树脂的真空灌注速度，同时提高树脂在复合材料中的质量分数。（2）新型网状导流织物层结构中含有的高渗透率的介质材料层数越多，新型网状导流织物的真空灌注速度越快，复合材料的纤维质量分数 越低。（3）在一定纤维质量分数范围内，纤维质量分数越高，新型网状导流织物复合材料的力学性能 越优。（4）新型网状导流织物在应用过程中，在不影响应用场景力学性能的情况下，复合型新型网状导流织物的真空灌注效率最高，也为复合材料的快速成型提供了最优方案。参考文献：1于然，白龙斌，张彦飞，等.环氧树脂_玻纤复合材料VIPR成型工艺研究 J.工程塑料应用，2015，41（6）：58-61.2RICCIARDI M R，ANTONUCCI V，DURANTE M，et al.A new cost-saving vacuum infusion process for fiber-reinforced composites：pulsed infusionJ.Journal of Composite Materials，2014.48（11）：1365-1373.3郑永宏.编织方式对玻纤织物性能的影响 J.材料开发与应用，2013（4）：70-74.4夏晓林，谢渊博，李辉.高性能玻璃纤维复合毡制备关键技术对复合材料性能的影响 J.丝绸，2018（5）：18-23.5哈尔滨玻璃钢研究院.GB/T 2577-2005玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法 S.北京：中国标准出版社2005.6北京玻璃钢研究院.GB/T 1446-2005纤维增强塑料性能试验方法总则 S.北京：中国标准出版社2005.7章平，蔡正杰，陈国锋，等.浅谈Darcy定律在玻纤增强树脂基复合材料灌注成型中的运用 J.玻璃纤维，2022（5）：37-42.章平，等：新型网状导流织物的制备及性能研究