VAP膜透气性测试及影响因素分析.pdf

第 1 期纤维复合材料No.1 1052024 年 3 月FIBERCOMPOSITESMar.2024VAP 膜透气性测试及影响因素分析郭 帅1,3,李志强1,李广斌1,李 洁2,刘 涛2(1.连云港纤维新材料研究院有限公司,连云港 222000;2.中复连众(连云港)风电叶片有限公司,连云港 222000;3.连云港工投纤维与复合材料检验检测中心有限公司,连云港 222000)摘 要 研究测试了不同批次、不同型号单向透气膜(VAP 膜)的透气性能,并利用扫描电镜对 VAP 膜的微观结构进行扫描分析,测试结果表明,VAP 膜透气性与其成型工艺相关,并且与涂层截面的孔隙相关,涂层截面孔隙率越高,透气性越好;另外,透气性与涂层表面孔洞数量无直接相关性。关键词 防水透气膜;涂层;孔隙率;透气性;湿法涂布VAP Membrane Gas Permeability Testand Influencing Factor AnalysisGUO Shuai1,3,LI Zhiqiang1,LI Guangbin1,LI Jie2,LIU Tao2(1.Lianyungang Industrial Investment Group Fiber and New Materials Test Center Co.,Ltd.,Lianyunga-ng 222000;2.Zhongfu Lianzhong Wind Power Blade(Lianyungang)Co.,Ltd.,Lianyungang 222000;3.Lianyungang Industrial Investment Group Fiber and New Materials Test Center Co.,Ltd.,Lianyungang222000)ABSTRACT The air permeability of different batches and different types of VAP membranes was tested,and the micro-structure of VAP membranes was scanned and analyzed by scanning electron microscope,and the test results showed that theair permeability of VAP membrane was related to its molding process and the porosity of the coating section,and the higherthe porosity of the coating section,the better the air permeability.It is worth mentioning that the air permeability is not di-rectly related to the number of pores on the surface of the coating.KEYWORDS waterproof and breathable;coating;porosity;air permeability;wet coating通讯作者:郭帅,硕士研究生,中级工程师。研究方向为纤维与复合材料工艺性能评估与应用。E-mail:1 引言VAP 膜又称单向透气膜,是一种可以阻挡树脂并允许气体通过的材料。该产品由基布和半透膜涂层两部分组成。风电叶片在真空灌注成型过程中会使用 VAP膜,利用其透气不透胶的特性提供辅助抽气功能并保护真空管路不被树脂进入,避免树脂在流动过程中进入真空管路,造成堵塞。使用过程中,为获得更好的抽气效果,将 VAP 膜涂层面朝向树脂侧,纤维复合材料2024 年 基布面朝向抽气侧。目前市面上 VAP 膜产品质量参差不齐,不合格、不稳定的 VAP 膜产品,对于风电叶片的灌注成型质量有很大影响。一旦出现 VAP 膜透气性不足,风电叶片产品在灌注过程中极易出现因压力不足导致的浸润不良,造成不必要的质量损失。因此,叶片成型过程中的 VAP 膜,对透气性能有较高要求;我国对织物透气性的测试标准为 GB/T5453-1997 纺织品 织物透气性的测定,标准中规定了试样面积为 5 cm2、20 cm2、50 cm2或100 cm2 1,试样两侧压降为 50 Pa、100 Pa、200Pa 或 500 Pa。而根据 VAP 膜在叶片成型过程中的使用环境特点,行业内大型叶片制造公司一般选用的试样面积为 38 cm2,试样两侧压降 2500 Pa。为此,针对这一问题,对目前市面上的不同VAP 膜产品进行透气性测试,织物透气性的测试标准参照 GB/T5453-1997 纺织品 织物透气性的测定 执行2-3,并利用扫描电镜对 VAP 膜的微观结构进行扫描分析,结合 VAP 膜成型工艺,深入分析 VAP 膜透气性机理。2 VAP 膜透气性能影响因素及分析2.1 成型工艺防水透气膜成型工艺一般分为干法涂布与湿法涂布工艺。其中,干法涂布,将 PU 树脂直接涂覆在基布上而成。湿法涂布,先在基布上涂覆 PU 树脂,然后放到 DMF 水溶液中,等到基布上的 PU 树脂中的 DMF(二甲基甲酰胺)析出到水里后,干燥成型。湿法工艺由于加上水的作用,手感较为柔软,且透气性较好,款式也较多4。除此之外,涂布工艺还有静电纺丝等;利用聚合物在高压电场作用下,从喷嘴进行喷射拉伸,从而获得固体纳米级纤维,此种工艺产生的孔隙更大,透气性更好5。2.2 涂层孔隙率VAP 膜工作原理是利用水滴与空气分子/水蒸气分子之间的尺寸差异,空气分子/水蒸气分子尺寸量级为纳米,约为 0.3 0.4 nm。涂层表面存在密集的孔洞,其孔洞尺寸量级为微米,可以满足空气分子/水蒸气分子顺利通过;液态水/水滴因为表面张力的作用(水分子之间互相“拉扯抗衡”),且液态水/水滴的粒径远大于防水透气膜微孔直径的,因此液态水/水滴就不能顺利渗透到另一侧6。流体通过这种特征的多孔介质而流动则叫做渗流。透气性测试原理是在规定压差下,测定一定时间内垂直通过试样给定面积的气流流量,计算出透气率。在此测试条件下,满足气体稳定渗流基本方式,如公式(1)所示。v=-kp(1)式中,v气体流动速度,K渗透率张量,参数,p压降。根据公式(1)可知,VAP 膜透气率与两侧压降应成正比关系(公式中“-”是因为流速与压降方向相反)。2.3 基布规格VAP 膜基布所用材质一般为尼龙 6 或涤纶,对纯纺织织物而言,织物的透气性与其紧度和经密、纬密之间都存在直接的关系。并且,在机织物透气性相关研究中,学者们已取得一定成果,探讨了纤维种类、纱线捻度、纱线纱支、织物密度、织物交织状态、织物厚度以及织物后整理技术对织物透气性的影响,并且得出了一般规律7-10。而涂层织物透气性,基布对整体的透气性影响微乎其微,原因是基布透气性量级一般为 1000mm/s,而涂层织物透气性一般在 10 mm/s 以下,本文中忽略基布对整体的透气性影响。3 VAP 膜透气性试验3.1 主要原材料本文选择 VAP 膜产品共5 款,分别来自不同厂商 A、B、C。A、B 厂商 VAP 膜产品成型工艺是在PA6 的基布上,通过湿法涂布工艺制成。湿法涂布工艺,工艺流程为:基布浸渍涂胶凝固池清洗池烘箱冷却卷曲后贴处理成品检验,即得成型的 VAP 膜。VAP 膜产品参数如表 1所示。表 1 VAP 膜产品信息表样品序号供应商1A2A3A4B5C(国外样品)601 1 期VAP 膜透气性测试及影响因素分析3.2 主要检测设备及标准调湿标准按照 GB/T6529-2008 纺织品 调湿和试验用标准大气 执行;透气量测试标准按照GB/T5453-1997 纺织品 织物透气性的测定 执行;透气试验仪器型号为 FX3300-IV,瑞士 Tex-Test 公司制造;试样面积为 38 cm2;试样压强为2500 Pa;扫描电镜仪器型号为 EVO10,德国 Zeiss制造;试样电压为 15 Kv。4 结果与讨论4.1 透气性测试结果参照 GB/T5453-1997 纺织品 织物透气性的测定 标准测试步骤如下:(1)用标准取样器取所需的 VAP 膜样品三个,检查切口,试样表面需平整无划伤无损坏,边缘没有伤痕及裂缝;(2)按 GB/T 6529-2008 放在标准温湿度环境(温度 20,湿度 65%)进行状态调节,时间不少于 4 小时;(3)将取好的样品放入测试台,选择压盘面积为 38 cm2,测试压强为 2500Pa,完全盖住测试腔表面,然后盖上测试腔上腔,按压手柄压紧试样,等待结果出现,测得各 VAP膜透气性如表 2 所示。表 2 VAP 膜透气性结果表序号正面透气性 m/s10.3420.430.82840.5754.7由表 2 可知,1、2、3 号样品虽然是同一厂商同一规格型号,但是由于批次的不同,其透气性差异较大。VAP 膜本身批次间透气性的不稳定,对于叶片的灌注成型质量影响较大,并且在后期质量问题排查无法追本溯源,给生产过程制造巨大麻烦。各 VAP 膜透气性从小到大依次是:1 号 2 号 4号 3 号 5 号。5 号样品透气性远高于其他样品,推测与其成型工艺相关。4.2 扫描电镜结果4.2.1 涂层表面扫描结果利用扫描电镜,对各 VAP 膜涂层面进行扫描测试,放大倍数 2000 倍和 10000 倍,测试结果分别如表 3 所示。表 3 VAP 膜涂层表面扫描结果序号2000 倍10000 倍12345/由表 3 可以发现,样品 1-4 涂层面微观结构基本一致,涂层表面孔洞大小数量相近,孔径尺寸范围 0.1 1 m,无法与宏观透气性结果对应;而5 号样品则呈现完全不同的状态,在 2000 倍放大下,从正面观测到内部呈现空间网状结构,并且孔洞尺寸已经超过 20 m。表面孔洞与透气性无法看出直接相关性。4.2.2 涂层断面扫描结果利用扫描电镜,对各 VAP 膜涂层断面进行二次扫描测试,放大倍数 4000 倍和 2000 倍,测试结701纤维复合材料2024 年 果分别如表 4 所示。表 4 VAP 膜涂层断面扫描结果序号4000 倍2000 倍12345由表 4 可知,1-4 号样品涂层面微观结构相似,但是涂层断面孔洞大小数量已经可以观测到明显差异,1 号样品断面孔洞数量最少,仅观测到 2-3 个孔洞,并且孔洞近乎闭孔;1-4 号样品涂层断面孔洞数量尺寸从小到大依次为:1 号 2 号 4号 3 号,与透气性宏观测试结果保持一致。而 5 号样品与 1-4 号样品微观结构完全不同,与涂层表面扫描结果保持一致,内部呈现空间网状结构。造成差异的原因是成型工艺的差异,1-4 号样品的成型工艺采用的是湿法涂布工艺,而 5 号样品采用的是静电喷丝工艺,利用静电喷头将液态涂层喷出成丝,在基布表面形成复合网状结构,成型后有更多、更大的孔隙率,所以最终的制品透气性更好。5 结语通过上述试验,测试各 VAP 膜透气量及涂层微观结构,可以得出以下结论:(1)5 号产品透气性达到了 4.7 m/s,而 1-4号产品透气性能均小于 1 m/s,表明 VAP 膜成型工艺对透气性有影响,说明了静电纺丝工艺优于湿法涂布工艺;(2)5 号产品孔洞尺寸为20 m,而1-4 号产品孔洞尺寸为 0.1-1 m,表明 VAP 膜透气性与涂层孔隙有关。另外,在计算分析涂层孔隙时,不能仅考虑涂层表面孔洞,需与涂层断面孔隙结合分析,孔隙越大,透气性越好。参 考 文 献1 吴如妹.试样面积对织物透气性测试结果的影响 J.上海纺织科技,2014(7):22-23.2 GB/T5453-1997.纺织品织物透气性的测定 S.3 李汝勤,宋钧才.纤维和纺织品测试技术 M.上海:东华大学出版社,2009.4 陈一飞.PU 树脂透湿性涂层防水整理湿法加工工艺 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