芯條膠、芳綸紙對芳綸蜂窩涂膠工藝和性能的影響研究

杜永華 許光群 周慧慧 孫達(dá)

蕪湖創(chuàng)聯(lián)新材料科技有限公司 安徽 蕪湖 241199

引言

芳綸蜂窩成型過程包括芳綸紙涂膠、鋪疊、疊層板壓制、切割、拉伸展開、定型、浸膠、凈化、固化、去余料、片切、檢測等步驟[1-2]。芳綸紙涂膠、疊合過程是芳綸蜂窩芯材成型的第一步也是關(guān)鍵一步[3]。相比其他工序，涂膠過程工藝參數(shù)復(fù)雜、控制難度大，芳綸紙涂膠結(jié)果的情況直接影響芳綸蜂窩性能。

芯條膠和芳綸紙是涂膠過程原材料，也是蜂窩成型過程的重要原材料。對芯條膠和芳綸紙性能、質(zhì)量進(jìn)行把控可以有效避免蜂窩芯材的節(jié)點(diǎn)黏結(jié)力差、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度低、蜂窩孔格不規(guī)整、質(zhì)量不均勻等缺陷[4]。

1 芯條膠

芯條膠就是節(jié)點(diǎn)膠，在蜂窩成型過程中起到將相鄰芳綸紙黏結(jié)在一起的作用。芯條膠的黏度、雜質(zhì)和所選型號(hào)等都會(huì)對涂膠工藝產(chǎn)生影響，國內(nèi)專家學(xué)者針對芳綸蜂窩芯條膠進(jìn)行了廣泛的研究。

羅玉清等人研究了SY13-2高溫固化芯條膠的黏度對蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響。當(dāng)黏度范圍為20-25s時(shí)，制作的蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度較高，工藝性較好。對芯條膠黏度進(jìn)行合理調(diào)控有利于提高蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，芯條膠黏度過大，容易出現(xiàn)拉絲的現(xiàn)象，絲狀的芯條膠容易散布在本不應(yīng)該涂膠的空白區(qū)域，出現(xiàn)孔格變形、制成的蜂窩不規(guī)整的現(xiàn)象。而芯條膠黏度太小也會(huì)出現(xiàn)黏結(jié)力差，蜂窩規(guī)整性不好的現(xiàn)象。芯條膠的固化性能、化學(xué)組成等參數(shù)也會(huì)對節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，這些參數(shù)主要取決于芯條膠廠家。針對芯條膠型號(hào)，羅玉清等人對SY13-2B型號(hào)的芯條膠和SY13-2A型號(hào)芯條膠進(jìn)行了進(jìn)一步的對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用SY13-2B型號(hào)的芯條膠比使用SY13-2A型號(hào)芯條膠制造的蜂窩具有更高的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。

鄭付來等人[5]針對芯條膠黏度對蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和其他力學(xué)性能的影響展開了研究，使用國產(chǎn)J80芯條膠和YT822芳綸紙制備了芳綸蜂窩，發(fā)現(xiàn)隨著J80芯條膠膠液黏度的升高，其對國產(chǎn)YT822芳綸紙的浸潤性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)J80膠液黏度為25s時(shí)對YT822具有最好的浸潤性，蜂窩具有最高的剪切強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。

中航復(fù)材劉文品等人[6]展開了蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與芳綸紙透氣度、涂膠速度和芯條膠膠液黏度三者關(guān)系的研究。針對國產(chǎn)芳綸紙的特點(diǎn)，建立了紙張透氣度/涂膠速度/芯條膠黏度與蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度關(guān)系的模型并進(jìn)行了驗(yàn)證。當(dāng)其他條件一定時(shí)，蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與芯條膠黏度成正比：

其中：為蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度；η為芯條膠黏度。

根據(jù)數(shù)值模擬和在生產(chǎn)過程中蜂窩的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度Nb≥4的要求，計(jì)算得出下式結(jié)果：

其中：為芳綸紙透氣度；為涂膠速度；為芯條膠黏度。

劉文品等人通過具體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了這個(gè)結(jié)論的可行性，該公式可為工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

除了芯條膠的黏度和型號(hào)會(huì)影響蜂窩性能和涂膠工藝，芯條膠的雜質(zhì)含量過多也會(huì)對芯條膠黏結(jié)力和蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。雜質(zhì)含量高，黏結(jié)力低，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度低。為減少膠液中雜質(zhì)的含量，涂膠前應(yīng)對芯條膠進(jìn)行過濾操作，保證芯條膠的黏結(jié)力和后續(xù)工序的順利進(jìn)行。

2 芳綸紙

芳綸紙是芳綸蜂窩制造的重要原材料，結(jié)構(gòu)致密，表面平滑，柔韌性好，具有良好的抗張和抗撕裂性能。芳綸紙的分子是由酰胺鍵相互連接的芳基所構(gòu)成的線型大分子。在它的晶體中，由于較強(qiáng)的氫鍵作用，使之結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有優(yōu)良耐化學(xué)性[7-10]。

芳綸紙由芳綸的短切纖維（2～12mm）和沉析纖維（漿粕）（0.2～1mm）為造紙?jiān)现瞥蒣11]。短切纖維提供芳綸紙的機(jī)械強(qiáng)度和力學(xué)性能，漿粕作為基體起到提高短切纖維黏結(jié)力和提高其他性能的作用[12]。按照芳綸纖維分子結(jié)構(gòu)不同芳綸紙也可以分為對位芳綸紙、和間位芳綸紙[13]。目前用于制造芳綸蜂窩的原材料以間位芳綸紙最為普遍[14]。

芳綸紙的性能參數(shù)直接影響了蜂窩芯材的產(chǎn)品性能。芳綸紙的孔隙率和透氣度、芳綸紙強(qiáng)度和芳綸紙定量等都會(huì)對涂膠工藝產(chǎn)生影響，近些年，國內(nèi)學(xué)者針對芳綸紙參數(shù)對涂膠工藝和蜂窩性能的影響進(jìn)行了廣泛的研究。

2.1 芳綸紙孔隙率、透氣度

國內(nèi)外研究學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，相同條件下，選擇浸潤性好的芳綸紙有助于提高紙張浸膠時(shí)的上膠量，而芳綸蜂窩的上膠量增加可以有效提高蜂窩的壓縮模量、剪切模量、接觸力峰值和抗穿透能力。

單獨(dú)從節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度考慮，劉文品等人使用J80芯條膠和國產(chǎn)X612N-2mil芳綸紙進(jìn)行研究，提出理論模型并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，在其他條件不變的情況，紙張透氣度和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度成正比例關(guān)系：

蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度（Nb）與紙張透氣度（T）的關(guān)系：

因此，選擇透氣度較大的芳綸紙制造的蜂窩具有較高的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，蜂窩也具有更高的力學(xué)性能。

同時(shí)，解決芳綸紙孔隙率過大帶來的負(fù)面影響也是國產(chǎn)芳綸紙的應(yīng)用要面臨的較為嚴(yán)峻的問題。

當(dāng)選擇孔隙率、透氣度過大的芳綸紙時(shí)，①在涂膠、壓制時(shí)芯條膠會(huì)浸透芳綸紙，使疊層板紙張之間相互粘連，影響后續(xù)壓制、拉伸工序的順利進(jìn)行，造成芳綸蜂窩報(bào)廢。②孔隙率、透氣度大的芳綸紙?jiān)诮z時(shí)紙張內(nèi)部浸入較多酚醛樹脂，會(huì)造成蜂窩斷裂伸長率低、韌性差、脆性過大的問題。③孔隙率高還會(huì)導(dǎo)致涂膠壓制后白蜂窩密度高，降低成品蜂窩樹脂的增量，影響芳綸蜂窩力學(xué)性能。

因此選擇芳綸紙的孔隙率、透氣度和吸水性時(shí)，要同時(shí)考慮其對蜂窩性能的正面和負(fù)面影響。解決孔隙率和透氣度過大對芳綸蜂窩性能提升和制造工藝產(chǎn)生的影響至關(guān)重要，可以從提高紙張的纖維強(qiáng)度和避免膠液對紙張的完全浸透方面考慮。

2.2 芳綸紙強(qiáng)度

國內(nèi)外研究表明，芳綸紙力學(xué)性能直接影響了芳綸蜂窩的力學(xué)性能，選用抗張強(qiáng)度（縱、橫向）、撕裂強(qiáng)度（縱、橫向）、斷裂伸長率（縱、橫向）、彈性模量（縱、橫向）和表面強(qiáng)度（縱、橫向）高的芳綸紙有利于制造出力學(xué)性能優(yōu)良的芳綸蜂窩。研究表明[15-17]：芳綸紙的抗張強(qiáng)度對蜂窩L向剪切強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度影響明顯；芳綸紙的彈性模量對蜂窩剪切模量影響明顯；芳綸紙的表面強(qiáng)度對蜂窩節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度影響明顯。通過控制芳綸紙基結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能能夠有效保證蜂窩的主要力學(xué)性能，而芳綸紙纖維性能、熱壓工藝、樹脂性能、紙張成型工藝等都是芳綸紙的力學(xué)性能的影響因素。

2.3 芳綸紙定量

芳綸紙定量指的是單位面積芳綸紙的重量。根據(jù)TOM提出的理論模型[18-22]，孔格邊長一定時(shí)，正六邊形白蜂窩密度成正比：

其中：為白蜂窩密度；為芳綸紙定量；為孔格邊長。

劉文品等人研究了X612N芳綸紙定量對白蜂窩密度的影響，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到了不同孔格邊長白蜂窩的密度與芳綸紙定量的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

當(dāng)孔格邊長1.83mm：

其中：為白蜂窩的密度； 為芳綸紙定量。

研究結(jié)果與TOM等人的結(jié)論不一致，原因可能是理論計(jì)算是理想狀態(tài)，忽略了實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的某些因素。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于溫度、涂膠和拉伸的不均勻，造成蜂窩形狀不規(guī)整和不均勻的誤差，使蜂窩的實(shí)際體積和理論體積存在差距。

結(jié)果表明，相同孔格邊長時(shí)，芳綸紙定量與白蜂窩密度呈正比例關(guān)系，而白蜂窩密度直接影響了蜂窩浸膠時(shí)的上膠量，影響蜂窩的力學(xué)性能。芳綸紙的定量越大，白蜂窩密度越大，浸膠時(shí)的上膠量小，蜂窩力學(xué)性能就越差。在不考慮其他方面因素時(shí)，白蜂窩定量過大會(huì)對蜂窩力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.4 其他

除了芳綸紙透氣度、定量、強(qiáng)度會(huì)影響芳綸蜂窩性能外，中航復(fù)材羅玉清等人還對其他因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究和數(shù)值模擬。結(jié)果表明，芳綸紙的緊度、平滑度和伸縮性也會(huì)對芳綸紙的吸膠量產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響芳綸蜂窩的性能。芳綸紙的緊度和平滑度越大，芳綸紙的吸膠量越小；芳綸紙的收縮率越高，吸膠量越大[23]。

3 結(jié)束語

芯條膠用于黏結(jié)相鄰芳綸紙，芯條膠的黏度、雜質(zhì)含量和所選含量都會(huì)影響其黏結(jié)性，進(jìn)而影響白蜂窩和成品蜂窩的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。

芳綸紙的性能對蜂窩力學(xué)性能影響較大，芳綸紙的紙張強(qiáng)度、孔隙率、透氣度、定量等都會(huì)影響蜂窩的力學(xué)性能，其中孔隙率和透氣度對蜂窩浸膠時(shí)的上膠量影響較大。

芳綸紙和芯條膠等原材料性能會(huì)對浸膠時(shí)的上膠量、后續(xù)工藝的正常進(jìn)行以及蜂窩的性能產(chǎn)生影響。通過對原材料參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)可以有效保證后續(xù)工藝的順利進(jìn)行和蜂窩的力學(xué)性能。