高性能玻璃纖維復(fù)合氈制備關(guān)鍵技術(shù)對(duì)復(fù)合材料性能的影響

夏曉林， 謝淵博， 李 輝， 余萬(wàn)平， 蔡玉榮， 姚菊明

(1.浙江恒石纖維基業(yè)有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500；2.浙江理工大學(xué) a.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.材料與紡織學(xué)院、絲綢學(xué)院，杭州 310018)

玻璃纖維織物是將玻璃纖維通過(guò)編織方式捆綁而成的制品，由于其增強(qiáng)的復(fù)合材料具有較好的機(jī)械力學(xué)性能和準(zhǔn)各向同性，被廣泛用做風(fēng)力發(fā)電葉片的增強(qiáng)材料[1]。玻璃纖維織物增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料通常的制備方法是采用編織方法固定玻璃纖維形成纖維氈(織物)，然后通過(guò)真空灌注樹(shù)脂的工藝制造而成[2-3]。目前，隨著風(fēng)車(chē)大型化和海上風(fēng)電項(xiàng)目的迅猛發(fā)展，如今的市場(chǎng)對(duì)風(fēng)車(chē)葉片的性能提出了更高的要求。大型葉片可以改善風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，但隨著葉片長(zhǎng)度增加，葉片質(zhì)量的增加速度快于能量的提取速度[4]，要求葉片材料具有更高的強(qiáng)度和剛度；海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)、建設(shè)和運(yùn)行都比陸上復(fù)雜，特別是對(duì)風(fēng)電設(shè)備承受海浪、風(fēng)力的運(yùn)行穩(wěn)定性及設(shè)備的耐腐蝕性等提出了更高的要求。由于海上風(fēng)電有效運(yùn)維時(shí)間有限，并且運(yùn)維成本高，所以要求風(fēng)電葉片具有更高的可利用率[5]。因此，現(xiàn)有的玻璃纖維織物產(chǎn)品在性能上已難于滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，市場(chǎng)對(duì)高性能纖維織物的需求日益強(qiáng)烈，高強(qiáng)度、高模量的玻璃纖維織物已成為風(fēng)電行業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)。

此外，在制備風(fēng)電葉片時(shí)，由于空氣動(dòng)力學(xué)的原因，葉片殼體一般都被設(shè)計(jì)成具有一定的弧度和彎度，因此要求所使用的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的強(qiáng)度呈現(xiàn)各向異性，這個(gè)要求可以通過(guò)調(diào)整玻璃纖維織物的結(jié)構(gòu)、制備工藝等來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。因此，本文從織物的編織工藝和成型方式兩方面出發(fā)，研究其對(duì)樹(shù)脂滲透率和纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。

1 材料及方法

1.1 材料和儀器

材料：密度為2.6 g/cm3玻璃纖維紗線(中國(guó)巨石股份有限公司，基本物性參數(shù)如表1所示)，線密度11.1 tex、斷裂強(qiáng)度4.35 cN/dtex、斷裂伸長(zhǎng)率23.5%的滌綸絲(江蘇恒力化纖股份有限公司)，環(huán)氧樹(shù)脂(上緯風(fēng)電材料有限公司，型號(hào)2511-1A，固化劑2511-1BS，二者的配比比例為100︰30，密度為1.1 g/cm3)。

儀器：GE212型智能化電腦控制高速整經(jīng)機(jī)(常州市第八紡織機(jī)械廠)，Malimo Multiaxial多軸向經(jīng)編機(jī)(卡爾邁耶中國(guó)有限公司)，RUFUS 旋轉(zhuǎn)葉片式真空泵(蘇州萊福士真空設(shè)備有限公司，型號(hào)R0100，進(jìn)口容量100 m3/h(50 Hz)，最大真空度0.5 mbar)，電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和CMT電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(美特斯工業(yè)系統(tǒng)中國(guó)有限公司)等。

1.2 高性能玻璃纖維復(fù)合氈的制備

采用1 200 tex的玻璃纖維紗線作為60°方向的襯墊紗，采用2 400 tex的玻璃纖維紗線作為短切紗，采用68 tex的玻璃纖維細(xì)紗或者11.1 tex的滌綸絲作為捆綁紗，結(jié)合不同的成型方式，設(shè)計(jì)5種不同工藝參數(shù)的經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈，分別簡(jiǎn)記為樣品1、樣品2、樣品3、樣品4和樣品5。5種織物均采用編鏈地組織結(jié)構(gòu)，參數(shù)規(guī)格如表2所示。

表1 不同玻璃纖維紗線的基本物性參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of different glass yarns

表2 5種經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈的參數(shù)規(guī)格Tab.2 Parameter specifications of five kinds of glass fiber mat

針對(duì)以上5種經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈，采用兩種不同的成型方式進(jìn)行制備：即一次成型和二次成型。一次成型指的是采用多軸向經(jīng)編機(jī)將玻璃纖維紗線按照不同的方向和不同的次序疊放在一起，然后在玻璃纖維表面撒上短切紗，最終通過(guò)滌綸絲縫編成整體的織物，即采用一次織造過(guò)程即可制備得到經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈。二次成型主要是指通過(guò)兩道加工工序制備經(jīng)編玻璃纖維織物。首先，利用絞織機(jī)制備基布，然后通過(guò)設(shè)備將絞織基布拉成60°疊放，送入多軸向經(jīng)編機(jī)，利用短切裝置撒上短切紗，最后通過(guò)滌綸絲縫編成經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈。

1.3 織物分析

織物分析包括織物外觀分析和織物的平方米質(zhì)量分析?？椢锏耐庥^分析主要是通過(guò)肉眼觀察織物的正反面形貌和織物主干紗線的完整性、孔隙率的高低和織物組織的完整性。采用稱(chēng)重法對(duì)5種不同產(chǎn)品的平方米質(zhì)量進(jìn)行分析。

1.4 樹(shù)脂滲流動(dòng)性的測(cè)定

將制備的5種不同工藝的經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈分別裁成60 cm×40 cm的樣布，平行鋪成6層。在23 ℃的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行真空灌注試驗(yàn)，布置完畢后在織物上表面放置一把卷尺，以便記錄樹(shù)脂推進(jìn)的進(jìn)度。

灌注開(kāi)始前以-94 kPa壓力保壓5 min，確認(rèn)無(wú)異常后打開(kāi)進(jìn)口閥門(mén)，樹(shù)脂灌注開(kāi)始，每5 min記錄一次樹(shù)脂灌注進(jìn)程；待樹(shù)脂到達(dá)出口螺旋管的時(shí)候?qū)⒄婵諌毫抵?60 kPa，保壓15 min后關(guān)閉進(jìn)口端，記錄灌注時(shí)間；繼續(xù)保持-60 kPa真空直至板材固化。

1.5 復(fù)合氈滲透率的測(cè)定

樹(shù)脂浸漬增強(qiáng)材料預(yù)成型體的過(guò)程可看作不可壓縮流體通過(guò)多孔介質(zhì)的過(guò)程，符合Darcy定律[7-8]。由Darcy定律推導(dǎo)出樹(shù)脂單向流動(dòng)方程：

(1)

1.6 復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)試

將5個(gè)樣品分別裁成40 cm×40 cm的樣布，平行鋪成4層。將平行鋪設(shè)的織物置于RTM模具模腔內(nèi)，然后根據(jù)玻璃纖維含量的要求，選擇合適的墊片，接著鎖緊模具，用壓力從預(yù)設(shè)的注入口將樹(shù)脂注入膜腔。灌注開(kāi)始前以-97 kPa壓力保壓5 min，確認(rèn)無(wú)異常后打開(kāi)進(jìn)口閥門(mén)，樹(shù)脂灌注開(kāi)始。待樹(shù)脂從出口管中溢出時(shí)，停止樹(shù)脂灌注，關(guān)閉真空泵。接著，進(jìn)行固化處理，先將模量置于40 ℃下預(yù)固化5 h，然后再置于干燥箱中80 ℃下后固化10 h，最后脫模得到制品。參照ISO 527-4—1997《塑料——拉伸性能測(cè)試 第4部分：各向同性和正交各向異性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的試驗(yàn)條件》制樣及測(cè)試[9]。采用MTS電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試5種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。夾具間距150 mm，試樣寬度25 mm，厚度2 mm，試驗(yàn)速率2 mm/min。樣條如圖1所示。

圖1 拉伸試驗(yàn)樣條Fig.1 Schematic diagram of drawing test sample

參照ISO 14126—1999《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料平面方向壓縮性的測(cè)定》制樣及測(cè)試。采用CMT電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試5種復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量[10]。夾具間距50 mm，試樣寬度25 mm，厚度2 mm，試驗(yàn)速率1 mm/min。樣條如圖2所示。

圖2 壓縮試驗(yàn)樣條示意Fig.2 Schematic diagram of compressing test sample

在力學(xué)性能測(cè)試過(guò)程中，每個(gè)測(cè)試方案中檢測(cè)10根樣條取平均值，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 織物分析

2.1.1 織物外觀分析

為了滿(mǎn)足風(fēng)力發(fā)電葉片對(duì)基材強(qiáng)度各向異性的要求，將產(chǎn)品中的紗線方向設(shè)計(jì)成60°，并在產(chǎn)品正面鋪上一層短切紗，以便于樹(shù)脂的導(dǎo)流，從而提高樹(shù)脂浸透速度。圖3和圖4是根據(jù)5種不同工藝設(shè)計(jì)制備的±60°結(jié)構(gòu)的經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈的正、反面形貌圖。由于該產(chǎn)品的正面鋪有一層短切紗，因此5種不同工藝產(chǎn)品的正面結(jié)構(gòu)類(lèi)似，故只列出其中一個(gè)樣品的圖片，不再重復(fù)呈現(xiàn)。由圖3可見(jiàn)，樣品的主干紗線以60°交叉編織，紗線排布均勻，主干紗線上覆蓋著一層分布均勻的短切紗。

圖3 樣品4的正面形貌Fig.3 The front morphology of Sample 4

5種產(chǎn)品的反面結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。從產(chǎn)品的外觀角度出發(fā)，樣品1、樣品2和樣品3的主干紗線的完整性較好，且產(chǎn)品的孔隙率較高，均勻地分布于布面中。樣品4的布面較為致密，孔隙率較低，且存在明顯的紗線刺破現(xiàn)象。樣品5的主干紗線的完整性也較好，但是滌綸絲的含量較多，且絞織的滌綸絲有明顯的松弛現(xiàn)象。

圖4 5種產(chǎn)品的反面形貌Fig.4 The back morphologies of five samples

2.1.2 織物平方米質(zhì)量分析

采用稱(chēng)重法對(duì)5種不同產(chǎn)品的平方米質(zhì)量進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可知，產(chǎn)品平行樣間平方米質(zhì)量差距很小，表明生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。對(duì)比5種產(chǎn)品的單位平方米質(zhì)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)樣品5的滌綸絲平方米質(zhì)量明顯大于其他產(chǎn)品，主要是由于在該產(chǎn)品的織造過(guò)程中采用了滌綸絲作為絞織紗和捆綁紗的緣故。

表3 織物平方米質(zhì)量數(shù)據(jù)分析記錄Tab.3 Data analysis records of fabric grams per square meter

2.2 玻璃纖維復(fù)合氈滲透率分析

圖5 樹(shù)脂流動(dòng)前鋒位移與時(shí)間關(guān)系Fig.5 Relationship between resin flow forward displacement and time

在樹(shù)脂真空灌注試驗(yàn)中，5個(gè)樣品的樹(shù)脂灌注進(jìn)程記錄見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，5個(gè)樣品同時(shí)開(kāi)始灌注，樣品1、樣品2和樣品3的樹(shù)脂灌注推進(jìn)速度未存在明顯差異，且明顯快于樣品4和樣品5的樹(shù)脂灌注推進(jìn)速度。樣品1、樣品2和樣品3的平方米質(zhì)量和織物結(jié)構(gòu)基本相同，只是針腳長(zhǎng)度存在一定的差異，說(shuō)明織物的針腳長(zhǎng)度對(duì)樹(shù)脂灌注推進(jìn)速度不會(huì)造成明顯的影響。樣品4和樣品5的樹(shù)脂灌注推進(jìn)速度明顯慢于其他樣品，主要是由于樣品4和樣品5的孔隙率較低，不利于樹(shù)脂在織物內(nèi)的流動(dòng)。造成樣品4樹(shù)脂灌注推進(jìn)速度較慢的原因主要是由于采用一次成型制備產(chǎn)品，紗線堆積較為致密，不利于樹(shù)脂的導(dǎo)流。對(duì)比分析樣品5可知，雖然樣品5采用二次成型工藝，但是樣品5中采用滌綸絲作為細(xì)紗，滌綸絲在機(jī)械外力的作用下會(huì)發(fā)生線圈偏移，因此未能形成組織規(guī)律明顯而且穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不利于樹(shù)脂的流動(dòng)。

2.3 復(fù)合材料力學(xué)性能分析

2.3.1 拉伸性能分析

表4是5種不同工藝的經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈增強(qiáng)的復(fù)合材料的0°方向和90°方向的拉伸性能。從表4可以明顯看出，樣品1、樣品2和樣品3的0°方向拉伸性能明顯高于樣品4和樣品5，均達(dá)到160 MPa拉伸強(qiáng)度和15 GPa拉伸模量。樣品1、樣品2和樣品3的90°方向拉伸性能也明顯高于樣品4和樣品5，均達(dá)到320 MPa拉伸強(qiáng)度和17 GPa拉伸模量。造成這種差異的主要原因是由于0°方向拉伸時(shí)，織物的增強(qiáng)纖維方向與拉伸方向存在30°的夾角，因此主要受力的是固定主紗的穩(wěn)定紗(即0°細(xì)紗)，從而使采用玻璃細(xì)紗作為穩(wěn)定紗的樣品1、樣品2和樣品3表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和模量。對(duì)比分析樣品1、樣品2和樣品3可知，由于針腳長(zhǎng)度的不斷增加，單位長(zhǎng)度內(nèi)的滌綸絲的含量有所減小，因此復(fù)合材料的強(qiáng)度不斷提高，主要是由于滌綸絲不能與樹(shù)脂之間形成相互結(jié)合的作用力。換言之，滌綸絲在復(fù)合材料中充當(dāng)雜質(zhì)的角色，不利于力學(xué)性能的提高，因此滌綸絲含量越高，力學(xué)性能越差。

2.3.2 壓縮性能分析

表5是5種不同工藝的經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈增強(qiáng)的復(fù)合材料的0°方向和90°方向的壓縮性能。從表5可以明顯看出，樣品1、樣品2和樣品3的模量稍高于樣品4和樣品5，主要是由于樣品1、樣品2和樣品3采用二次成型的方式，由于細(xì)紗的穩(wěn)定作用，織物內(nèi)部形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不易破壞所造成的。但是，5種不同工藝的經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈增強(qiáng)的復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度沒(méi)有顯著的差異，主要是由于玻璃紗線本身的性質(zhì)沒(méi)有發(fā)生改變。從表5還可以明顯看出，5種不同工藝的經(jīng)編玻璃纖維復(fù)合氈增強(qiáng)的復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和模量沒(méi)有顯著的差異，主要是90°壓縮時(shí)，大部分的應(yīng)力由玻璃紗線本身承受，且玻璃紗線本身的性質(zhì)沒(méi)有發(fā)生改變。

表4 樣品0°和90°方向拉伸性能對(duì)比Tab.4 0° and 90° tensile performance of samples

表5 樣品0°和90°方向壓縮性能對(duì)比Tab.5 0° and 90° compression performance of samples

3 結(jié) 論

本文利用不同的方法將不同規(guī)格的玻璃纖維紗線和滌綸絲制備了5種玻璃纖維織物，研究了織物的編織工藝和成型方式等關(guān)鍵制備技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的樹(shù)脂滲透率及復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，得出如下結(jié)論：

1)采用二次成型和0°玻璃纖維細(xì)紗作為絞織紗有利于提高織物的孔隙率，且有助于保持規(guī)整的織物結(jié)構(gòu)。

2)針腳長(zhǎng)度對(duì)織物的滲透率不會(huì)造成顯著影響，而二次成型有利于提高織物的滲透能力。

3)針腳長(zhǎng)度的減小不利于織物力學(xué)性能的提高，但采用二次成型和0°玻璃纖維細(xì)紗作為絞織紗有助于織物的力學(xué)性能的提高。

4)經(jīng)過(guò)二次成型且采用玻璃細(xì)紗作為基布0°穩(wěn)定紗的樣品，能顯著提高織物的強(qiáng)度和模量，所制得織物0°拉伸強(qiáng)度≥160 MPa，0°拉伸模量≥15 GPa；90°拉伸強(qiáng)度≥320 MPa，90°拉伸模量≥17 GPa，預(yù)測(cè)其將具有更加廣泛的工程應(yīng)用。

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