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熱壓罐溫度、壓力選型和復合材料樹(shù)脂體系的關(guān)系

2019-10-15


常用樹(shù)脂體系:
       復合材料固化成型,對熱壓罐性能的要求主要取決于使用的樹(shù)脂體系。在現有常用的熱固性樹(shù)脂中,以環(huán)氧樹(shù)脂及酚醛樹(shù)脂應用最為普遍。
       環(huán)氧樹(shù)脂根據不同的配方,從常溫固化到高溫固化,覆蓋較大的范圍。但是,常溫固化和低溫固化樹(shù)脂,其性能不適合使用熱壓罐,較少用于熱壓罐工藝。常用于熱壓罐工藝的環(huán)氧樹(shù)脂固化溫度從120℃~180℃,通常,環(huán)氧樹(shù)脂體系固化是施加0.6MPa的壓力就可以使力學(xué)性能趨于穩定,固化成型后滿(mǎn)足要求。
       酚醛樹(shù)脂體系的使用同樣很廣泛,酚醛樹(shù)脂體系采用烘箱固化的效果可以滿(mǎn)足要求不高的應用場(chǎng)合,但是,當要求比較高的纖維體積含量、較高的致密性、較低的缺陷時(shí),就需要使用熱壓罐。酚醛樹(shù)脂體系根據配方及材料性能要求的不同,固化溫度通常從120℃~170℃,固化施加的壓力從0.4Mpa~2Mpa不等。
       對于產(chǎn)品采用環(huán)氧樹(shù)脂及酚醛樹(shù)脂體系的熱壓罐用戶(hù),采用的固化輔助材料均為市場(chǎng)上供應的常規的尼龍薄膜真空袋、無(wú)紡透氣氈、真空密封膠帶,這些材料的短時(shí)間耐溫上限通常在170℃~200℃之間。因此對于這些用戶(hù),選用熱壓罐的額定工作溫度高于200℃是沒(méi)有意義的。熱壓罐廠(chǎng)家通常按照250℃設計內部耐熱結構,如果用戶(hù)能準確提供最高使用溫度,熱壓罐廠(chǎng)家可以準確計算加熱負載,減小裝機功率,達到節能的效果。
       壓力容器在1.6Mpa分了一級,因此,高于1.6Mpa的熱壓罐,費用會(huì )有比較顯著(zhù)的增加。壓力要求高,熱壓罐容器的重量隨之增加,成本提高。同時(shí),為熱壓罐供氣的空壓機等設施的規格要加大,造成建設費用的提高。因此,對于用戶(hù)而言,合理選擇常用壓力是非常重要的,要建立一個(gè)概念,廠(chǎng)家的設計壓力一定要稍大于常用壓力,設計壓力是出于安全的考慮的設計余量,常用壓力是用戶(hù)工藝中使用的實(shí)際壓力,按照用戶(hù)的常用壓力配套的供氣系統,在使用中才是合理并經(jīng)濟的。
其它樹(shù)脂體系:
       復合材料使用的樹(shù)脂體系種類(lèi)很多,有些高性能的樹(shù)脂的使用范圍較小,如耐高溫的雙馬樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂、高介電性能的氰酸酯樹(shù)脂,以及正在研究開(kāi)發(fā)中的熱熔樹(shù)脂系統。
       最高使用溫度250℃的熱壓罐可以滿(mǎn)足雙馬樹(shù)脂、氰酸酯樹(shù)脂的固化溫度要求,通常0.6Mpa的壓力可以滿(mǎn)足對于力學(xué)性能的要求,如果出于其它性能的需求,壓力可能需要進(jìn)一步提高。但是,對于這兩種復合材料固化中使用的輔助材料,可靠的耐溫性能就約230℃,對工藝的制約很大。
       聚酰亞胺樹(shù)脂是當前可實(shí)用的耐溫等級最高的樹(shù)脂,固化溫度在300~370℃間,并有進(jìn)一步提高的趨勢,同時(shí)固化壓力要求1.5Mpa以上,甚至2Mpa以上。這就需要配備高溫高壓熱壓罐。高溫高壓熱壓罐本身在技術(shù)上有較大的難度,同時(shí),這個(gè)耐溫等級的輔助材料工藝性極差,很難保證真空袋的密封,為此,高溫高壓熱壓罐必須配套氮氣供應系統,以杜絕使用中材料失火。
       熱熔樹(shù)脂系統復合材料正在研究開(kāi)發(fā)中,目前還沒(méi)有得到廣泛的應用,樹(shù)脂正在不斷的創(chuàng )新中,因此,如何配套熱壓罐還沒(méi)有成熟的參數。從材料性能的規律分析,熱熔樹(shù)脂的成型溫度一定要高于使用溫度,熱熔樹(shù)脂的最低粘度不可能做到低于熱固性樹(shù)脂的最低粘度。從上述兩點(diǎn)分析,適用于熱熔樹(shù)脂體系的熱壓罐的溫度壓力要求應稍高于常規熱壓罐。同時(shí),熱熔樹(shù)脂研究的重要目標是實(shí)現高效成型,因此對設備有相應的要求,這需要從事材料及工藝研究人員進(jìn)一步探索。
       熱壓罐相對其它復合材料成型設備,材料的綜合性能最佳,適應性最大,工藝可控性最好,模具成本相對較低,因此在復合材料行業(yè)應用越來(lái)越廣。但是,熱壓罐也存在很大的局限性,如耗能高,成型效率低等。本公司正在開(kāi)發(fā)新設備,以突破其部分局限性,在針對上述特種樹(shù)脂的試驗工作已經(jīng)取得較大進(jìn)展,將擇機推出。
       注:有些復合材料產(chǎn)品,為達到特殊的性能指標,要求很高的成型壓力。雖然就壓力容器而言,并沒(méi)有限制。但是從安全性以及經(jīng)濟性考慮。熱壓罐的設計壓力超過(guò)5Mpa是不適當的,設備制造難度加大,成本大幅提高,可靠性大幅降低。因此,如果復合材料的成型壓力一定要超過(guò)3Mpa,尺寸較大部件建議使用液壓釜,尺寸較小部件建議使用熱壓機。
附件:
1、熱壓罐內復合材料固化工藝中溫度與壓力參數決定的原則:

 

樹(shù)脂名稱(chēng)

固化溫度

工作壓力

1

環(huán)氧樹(shù)脂

120--180

0.6Mpa

2

酚醛樹(shù)脂

120--170

0.4Mpa—2.0Mpa

3

雙馬樹(shù)脂

230

0.6Mpa以下

4

氰酸酯樹(shù)脂

230℃以下

1.0Mpa以下

5

聚酰亞胺樹(shù)脂

300--370

1.5Mpa—2.0Mpa

6

熱熔樹(shù)脂

 

 


2、對于復合材料在固化工藝中采用什么樣的溫度曲線(xiàn),在什么時(shí)候加壓,是決定復合材料最終質(zhì)量的關(guān)鍵。如何決定這兩個(gè)參數,重要的依據是代表樹(shù)脂固化過(guò)程的兩條曲線(xiàn):


上圖示意了兩條曲線(xiàn):(本示意圖不代表真實(shí)的曲線(xiàn)及對應關(guān)系)
樹(shù)脂粘-溫曲線(xiàn),代表了樹(shù)脂黏度隨溫度變化的趨勢,曲線(xiàn)最終粘度快速上升,代表樹(shù)脂開(kāi)始固化。
樹(shù)脂的DSC曲線(xiàn)代表了樹(shù)脂固化過(guò)程的吸熱或放熱過(guò)程,代表了樹(shù)脂在某個(gè)溫度段進(jìn)行了固化反應。
樹(shù)脂的這兩條曲線(xiàn),在不同的升溫速率,不同的溫度保持時(shí)間下表現不同。
復合材料固化過(guò)程中的加壓,最好在粘度最低點(diǎn)進(jìn)行,這時(shí)樹(shù)脂流動(dòng)性最佳,最易保證復合材料質(zhì)量。如果加壓過(guò)早,樹(shù)脂容易從真空管道流出,造成產(chǎn)品樹(shù)脂含量低或貧膠等缺陷。如果加壓過(guò)晚,樹(shù)脂的粘度快速上升,流動(dòng)不足容易形成分層、氣孔等缺陷。未來(lái)達到復合材料的設計性能,工藝人員必須準確了解真實(shí)固化溫度曲線(xiàn)下的這兩條曲線(xiàn),才能準確制定工藝。
對熱壓罐性能的要求:
由上可知,熱壓罐應該有的重要功能:
應控制模具溫度,而非空氣溫度;
加壓的控制必須與溫度關(guān)聯(lián)隨動(dòng),實(shí)現在預定的溫度點(diǎn)加壓;
當熱壓罐內的多件模具的溫度存在差異,需要實(shí)現等待各模具均進(jìn)入加壓窗口再實(shí)施加壓。加壓過(guò)程要快。
★ 絕大部分的樹(shù)脂性能,在升溫速率提高時(shí),最低粘度都呈現降低趨勢,這對于復合材料成型質(zhì)量時(shí)有利的。因此在設計模具時(shí),因設法保證比較容易升溫。我公司正在開(kāi)發(fā)新技術(shù),將有助于實(shí)現復合材料的快速成型。

上一條:熱壓罐的概述
下一條:熱壓罐的基本技術(shù)參數