真空灌注工艺中树脂流动性分析

孙 洲，沈 葛

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300480)

真空灌注工艺中树脂流动性分析

孙 洲，沈 葛

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300480)

通过对真空灌注工艺中影响树脂流动的相关参数如真空压力、预制件渗透率、树脂粘度等的实验研究，分析树脂在预制件中的流动情况，确定它们与树脂流动距离之间的联系，从而达到优化工艺的目的。通过实验研究分析得出的数据和结论，可以为实际生产过程中的材料选择、工艺设计、实际操作、问题检查和处理提供参考和指导。

真空灌注工艺 树脂 流动性

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

实验材料：双酚A型低粘度环氧树脂、胺类固化剂、玻璃纤维布、导流网、导流毡(导流介质)、脱模布和真空袋膜。

实验仪器：电子天平、美国 BROOKFIELD DV-Ⅱ可编程控制式数显粘度计、真空泵、岛津 AG-IC 100,KN万能试验机、树脂收集器、秒表、直尺等。

1.2 实验安排

按照真空灌注工艺布置实验，确定所用玻璃纤维布的类型、尺寸等。在实验之前要根据预制件及其含胶量计算树脂用量，考虑到导流管等有树脂消耗，在计算值上应加上一定的余量，通常为树脂总量的15%～20%。树脂用量(含固化剂)计算公式如下：

其中，a为纤维布长度；b为纤维布宽度；n为纤维布层数；λ为纤维布单位面积质量；ω为含胶量；mresin为树脂用量(含固化剂)。

2 实验结果分析

在实验室进行实验，玻璃纤维布采用四向布。具体实验数据见表1。

将实验所得树脂流动距离和时间的数据用计算机分析拟合，得到如图1所示结果。

表1 实验数据表Tab.1 List of experimental data

图1 树脂在预制件中流动距离与时间曲线及其乘幂趋势线Fig.1 Curve of infiltration advancement distance in preimpregnation fabrics and the time as well as its power trend line

2.1 树脂粘度对流动距离的影响

表 1中实验 1、实验 2、实验 4在真空压力和铺层情况相同的情况下，随着树脂粘度的增加，树脂在预制件中的流动距离减小，流动速度变慢。实验 3中树脂粘度虽然介于实验 2和实验 4中的树脂粘度之间，但由于实验 3采用了两向纤维布，其孔隙率要大于四向布的渗透率和孔隙率。树脂在预制件的流动过程中，随着流动时间的增加，其粘度也在不断变大，直到树脂完全凝胶。这段时间称为树脂的凝胶时间。树脂凝胶时间的长短和树脂本身的固化机理及环境温度有关，即使环境温度控制在一个稳定值，树脂由于本身的固化放热，内部温度也是不稳定的，所以我们测得树脂粘度只是树脂在固化初期的粘度。在实际生产中，树脂和固化剂的比例必须严格控制，固化剂加入比例对树脂最终的性能有很大影响，进而影响复合材料的性能。固化剂加少了，会导致树脂固化不完全；固化剂加多了，树脂内部反应加剧，可能出现暴聚等情况，使树脂的固化情况不能控制。

2.2 纤维铺层厚度对流动距离的影响

在实验中，用铺层厚度来反映预制件的渗透率。当然影响预制件渗透率的因素很多，包括预制件本身的压实特性，树脂对预制件的浸润性，纤维预制件的孔隙率等。由于实验采用相同类型的树脂，相同的真空度，相同类型的玻纤织物，所以通过比较铺层厚度仍然可以宏观反映预制件渗透率对树脂在预制件中流动距离的影响。实验中采用的 4层玻璃纤维布铺层，预制件上下表面的树脂流动距离差距不大，当铺层变为 12层时，这个差距就很大了，而且随着流动距离的加大，树脂在预制件中的流速减慢，差距越来越大。

3 其他因素对树脂流动的影响

3.1 真空度对树脂流动的影响

真空度不够会增大树脂和模腔中空气存在的几率，导致树脂流动速度减慢。树脂固化后包裹气泡留在复合材料中，形成白点、干斑，这是由于该处缺少树脂。在受力情况下，会形成应力集中，所以复合材料中的气泡对制品性能有很大影响。实际生产中对真空度的要求很高，在真空灌注之前必须严格检查气密性，保证真空度在 0.1,MPa，尽量排尽模腔中的空气，以保证制品的质量。

3.2 灌注方式对树脂流动影响

树脂的灌注方式决定着树脂的流动模式，从而影响树脂充模时间。真空灌注工艺常用的灌注方式及相应的流动模式很复杂(见表 2)，包括灌注过程的非等温性、树脂粘度的非恒定性、充模过程的非稳定性，但可以预测理想情况或总的流动趋势。

表2 灌注方式及相应的流动模式Tab.2 Ways of infusion and their infiltration advancement modes

由表 2中可知，相同的充模面积，线型灌注需要的充模时间几倍于中心灌注。实验测得外围灌注树脂的充模时间仅为中心灌注的 1/3，而且充模面积越大，两者充模时间相差越明显，这是由于真空负压恒定时，中心灌注的灌注口周长决定着树脂的最大体积流量，而外围灌注的外围周长形成一个大的灌注口，其周长是中心灌注口的几倍甚至几十倍。因此，任意时刻树脂的最大体积流量都几倍于灌注注射，在充模面积相同的情况下，外围灌注的流动充模时间成倍地减少。综上所述，灌注方式改变时，树脂的流动模式和流动速度发生改变。

3.3 导流介质对树脂流动影响

导流介质一方面影响树脂的流动模式，另一方面影响树脂的流动速度。导流介质的渗透率决定树脂的充模时间，而纤维增强材料的渗透率不起决定作用，高渗透率的导流介质可以提高充模速度。纤维预制件不加导流介质时，树脂在纤维预制件中的流动非常困难，加入导流介质明显提高了树脂的流动速度。

3.4 重力对树脂流动影响

树脂重力对树脂流动有两个方面的作用：阻力和推力。对树脂流动有影响的主要是重力在树脂流动方向上的分力，其大小与树脂流动倾角θ有关，树脂流动倾角是树脂流动方向与水平方向之间的夹角。树脂向上流动时，重力表现为阻力；树脂向下流动时，重力产生推力作用；树脂水平流动时，重力作用可以忽略不计。对树脂流动产生作用的重力可表示为：

式中：G 为已注射树脂的重力；θ为树脂流动方向和水平方向的夹角；sinθ等于1时，重力的阻力作用最大，等于-1时，重力的推力作用最大。这与实验过程和最后的结果相符，树脂流动倾角θ越接近 90,°，充模时间越长，树脂的平均流动速度越小；相反，树脂流动倾角越接近-90,°，充模时间越短，树脂的平均流动速度越快。

4 实验结果

利用真空灌注工艺制作样板，并按照国家标准测试其力学性能。

实验材料：双酚 A型环氧树脂、胺类固化剂、单向玻璃纤维布。

实验条件：室温 23,℃、相对湿度 70%、真空度-0.1,MPa。

测试项目：浇注体力学性能测试、复合材料样条力学性能测试。

测试仪器：岛津AG-IC 100,KN电子万能试验机。

测试结果见表 3。从测试结果来看，树脂浇注体的整体性能偏低，在固化剂用量加入准确的情况下，其原因可能是后固化出现问题。单向玻璃纤维增强复合材料的性能符合标准，说明真空灌注实验过程，从材料准备到工艺控制到后固化处理都做得比较好，实验比较成功。从侧面也可以反应以前所做的实验过程，实验结果真实可信。

表3 树脂浇注体及复合材料力学性能测试Tab.3 Mechanical property test of a resin matrix and a FRP

5 结 论

在真空压力和铺层情况相同时，随着树脂粘度的增加，树脂在预制件中的流动距离减小，流动速度变慢。纤维预制件铺层厚度越大，树脂在厚度方向的渗透越困难，树脂在预制件上下表面流动前沿的距离差距越大。真空度不够会增大树脂和模腔中空气存在的几率，导致树脂流动速度减慢。树脂的注射方式决定着树脂的流动模式，从而影响树脂充模时间。相同的充模面积，线型注射需要的充模时间几倍于中心注射。导流介质的渗透率决定树脂的充模时间，而纤维增强材料的渗透率不起决定作用，高渗透率的导流介质可以提高充模速度。对树脂流动有影响的主要是重力在树脂流动方向上的分力。

Study on Resin Liquidity in the Vacuum Infusion Process

SUN Zhou，SHEN Ge
(TianJin DongQi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD.，Tianjin 300480，China)

Parameters that affect the resin advancement in the vacuum infusion process，such as vacuum pressure，permeability of pre-impregnation fabrics and viscosity of resin were studied. The result showed that adjustment according to the correlation on the relative parameters and distance of resin infiltration advancement can make the process optimized. The study may provide guidance to material selection，process design and on-site operation in practical manufacture processes.

vacuum infusion process；resin；fluidity

O633.13

A

1006-8945(2014)06-0023-03

2014-05-09