多輥軸輔助高黏樹脂熔融浸漬纖維的浸漬式尺寸

多輥軸輔助高黏樹脂熔融浸漬纖維的浸漬式尺寸

高性能熱塑料材料（如聚醚酮pee、聚苯硫基硫s和聚醚酰亞胺pei）是以聚醚酮為基礎的材料。與傳統(tǒng)的熱塑料材料或普通熱塑料相比，具有抗沖擊性強、抗疲勞性強等優(yōu)點。它被用作航空航天裝置的結構。目前,制備這類復合材料的主要困難是熱塑性樹脂的黏度很高(400Pa·s以上),導致難以實現(xiàn)對纖維束的充分浸漬。雖然輥軸浸漬法是實現(xiàn)這種高黏熱塑性樹脂浸漬的一種技術手段,但僅僅依靠單個輥軸并不能實現(xiàn)良好的浸漬效果,還需采用多個輥軸對纖維實現(xiàn)充分展開,從纖維束正反兩面多次浸漬(如圖1(a)所示)。滾軸個數、尺寸、排列方式及間距等對浸漬量、展開量和張力大小等具有綜合的影響作用。但目前關于考慮這些多因素影響下的纖維浸漬工藝設計原則的系統(tǒng)研究很少。Chandler等運用潤滑理論,將纖維浸漬過程中“輥軸-樹脂-纖維”之間的關系分為四個區(qū)域(如圖2所示):Ⅰ區(qū)是浸漬的預備過程,即通過纖維束將聚合物帶入輥軸與纖維束之間,形成聚合物薄膜;Ⅱ區(qū)是浸漬的主要過程,由于纖維束上張力的作用,纖維束與輥軸之間的壓力將聚合物擠入纖維束內;Ⅲ區(qū)內,纖維與輥軸之間基本上沒有聚合物,且該現(xiàn)象已經被相關實驗證實,因此Ⅲ區(qū)對纖維浸漬影響不大;Ⅳ區(qū)為脫開區(qū)。目前,國內外關于熔融浸漬過程之影響因素的文獻較多,但大多局限于定性分析,研究也是以單個因素對整個浸漬過程影響為主。Bates運用無量綱參數來衡量浸漬的質量,但并未明確提出應如何設置工藝參數。Bijsterbosch與Gaymans等通過實驗探究了各個因素對整個浸漬過程的影響,但沒有考慮各因素疊加后可能產生的結果。基于上述問題,本文中分析了考慮多因素影響下,輥軸熔融浸漬的效果,得出多因素影響熔融浸漬方程,并以熱塑性樹脂浸漬玻璃纖維為例,通過編程計算,研究了熔融浸漬過程中的影響因素及其變化規(guī)律。1軸浸泡理論1.1浸漬料的配制熔融浸漬是將無捻度的纖維束從含有熔融體的輥軸盒中拉過(如圖1(a)所示),再通過冷卻等工藝將其制成浸漬料。在此過程中作以下幾個基本假設:(1)纖維絲通過輥軸展開后仍處于平行狀態(tài);(2)樹脂基體沿纖維徑向流動而非軸向流動;(3)纖維束不在輥軸上滾動;(4)纖維絲在軸向不會被拉長;(5)鑒于高性能熱塑性樹脂黏度大,此過程忽略毛細管效應。1.2纖維束張力及耐壓力熔融樹脂對纖維的浸漬過程如圖3所示。其中浸漬深度一般采用達西定律(Darcy-law)來描述:式中:S為浸漬深度;K為滲透系數;Δp為浸漬壓力差;t為浸漬時間;η為熔融樹脂的黏度。滲透系數K依賴纖維束空隙的幾何特征,一般采用Carman-Kozeny方程來描述:式中:Df為纖維絲直徑;k0為Carman-Kozeny常數;?為纖維束孔隙率。在熔融浸漬過程中,纖維束拉過各個輥軸。由于纖維束與輥軸表面存在摩擦,導致纖維束的張力隨著輥軸數的增加而變大。Erickson推導的張力公式:式中:T(φ)為在包裹角為φ時的纖維束張力;T0為纖維束初始張力;μ為摩擦系數;φ為纖維對于輥軸的包裹角。對包裹區(qū)域的纖維束作截面受力平衡分析后,可用Laplace公式對浸漬驅動壓力進行理論估算:式中:ΔP(φ)為在包裹角為φ時的壓力;d為纖維束展開寬度;R為輥軸半徑。1.3纖維展開及升降控制纖維束通過具有高度差的輥軸,會展開一定的寬度(如圖4所示)。Wilson確定了纖維束的展開后寬度:式中:A為纖維束的橫截面積;H為纖維束爬升高度;L為輥間纖維長度;α為纖維束與垂直方向的夾角。得出的纖維展開程度只與其爬升高度有關,與張力無關。該結論已經被Wilson及Weustink實驗所證實。2多段軸侵蝕的影響因素分析2.1纖維梁用于多軸后的張力通過對張力公式(3)及其指數特征進行推導可以得出,纖維通過多輥后,纖維張力為式中,Tn為經過n個輥軸后纖維束的張力。2.2量綱程式量綱模型Wilson推導了纖維束展開厚度的無量綱表達式。為了便于本文分析,將Wilson的纖維展開厚度無量綱式轉化為有量綱式:式中,z為纖維束展開厚度。2.3纖維展開分析2.3.1輥軸間隙對纖維束展開特性的影響首先考慮輥軸間的水平排列情形,即同直徑的輥軸在同一高度上的排列(如圖1(b))。通過幾何推導,得出纖維爬升高度與輥軸間隙2δ的關系:式中:δ為1/2輥軸間隙。將式(9)分別代入式(5)和式(8),得到δ-d和δ-z兩個函數關系,如圖5所示。Bijsterbosch和Gaymans等通過實驗證明輥軸半徑對浸漬過程影響較小,實踐中也多采用10mm直徑輥軸,本文計算和作圖中均采用10mm直徑的圓柱形輥軸,纖維直徑按照玻璃纖維2400-tex的參數計算。玻璃纖維2400-tex參數見表1。由圖5可知,當輥軸水平布置時,改變輥軸間隙并不會持續(xù)增加纖維束展開寬度和減少展開厚度。以2400-tex玻璃纖維為例,當輥軸間隙為30mm時,展開寬度和厚度幾乎不再改變,此時的展開寬度約為5.7mm,展開厚度為0.28mm。由下文分析可知,在此厚度下,纖維束如需完全浸透則需要較多輥軸,浸漬速度也很難提高,因此多輥軸浸漬的水平排列并不可取,應采用錯位排列法。2.3.2輥軸間高度差的影響輥軸錯位等間隙排列(如圖1(c))。為便于推導,任取三個輥軸作為樣本,以分析所有錯位排列的情形。依據式(5)可知,在錯位展開過程中,起決定因素的是軸間高度差,即中間輥軸的位置。假設中間輥軸與兩側輥軸間的水平距離為常量x(賦予x兩個確定的參數40mm及500mm),錯位高度為變量y。以y為變量,得出對應的纖維爬升高度H值,如圖6所示。由此可見,當輥軸間的水平距離取不同值時,纖維束的爬升高度變化很小。在文獻中,已經有確切的數據表明,當第二個輥軸的位置(x,y)=(20,200)時,纖維的展開寬度滿足式(5)與式(9),約為15mm。本文中皆采用此展開寬度。2.4浸漬時間與壓力Chandler等認為,在纖維熔融輥軸浸漬過程中,當熔融體擠入纖維束之后,剪切變稀作用變得不再明顯,因此可以不考慮黏度變化影響。假定在浸漬過程中,孔隙率近似不變,從而由式(2)知,滲透系數也保持不變。Bates測得k0常數為30,孔隙率?為0.4。因此,浸漬時間與壓強就成為影響纖維束浸漬深度的關鍵因素。熔融浸漬時間是通過壓力將聚合物擠入纖維束的時間。從Gaymans等人的實驗和前文分析可知,在浸漬過程中,可以忽略Ⅲ區(qū)的浸漬作用。因此,單個輥軸的浸漬時間式中:v為纖維束拉動速度。對式(1)進行轉化,結果如下:式中:L定義為中間量。由于纖維束張力受到包裹角變化的影響,浸漬深度會隨著包裹角的變化而變化,將壓力方程式(4)和張力方程式(3)代入式(11),在Ⅱ區(qū)θ角處利用微元法,建立微分方程積分得式中:b為包裹角的一半。因此第1～n個輥軸上的纖維浸漬深度:所有輥軸浸漬深度之和:當通過第n個輥軸后,纖維束完全浸透,纖維的展開厚度小于等于所有輥軸浸漬深度之和,即由圖1(a)知,第1個輥軸的作用只是定位,形成高度,并未帶入熔融體,因此忽略其浸漬作用,輥軸數應在式(15)計算結果上加1,取大于結果的最小正整數。在式(15)中有式中T為開始浸漬時的纖維張力。2.5浸漬最佳速度的計算當輥軸間相對位置確定時,由式(15)知,影響浸漬的因素簡化為初始張力、黏度、速度和輥軸個數。由前文分析知,纖維束與輥軸表面之間的壓力是熔融體擠入纖維束內部的驅動力。由式(3)可得,纖維束的張力與包裹角和初始張力有關。若設定恰當的初始張力,纖維束則可在合理范圍內實現(xiàn)充分浸漬。當初始張力為15N時,由式(7)可得出纖維束張力與輥軸數之間的關系,如圖7所示?？梢钥闯?當浸漬輥軸不大于6時,纖維束張力的增加較為平緩,單位長度內纖維張力的增加梯度較小;當輥軸數大于6時,張力增長較快。這是一種普遍規(guī)律,不同的初始張力只是幅度差異,不會影響對輥軸數的判斷。因此,浸漬所用輥軸最好不要超過6個,以3～5個為宜。圖8為由式(15)繪制的黏度20Pa·s時輥軸數及纖維束張力對浸漬速度的影響。在同等速度下,當浸漬完成時,最小初始張力5N對應最多輥軸數,即當速度為0.07m·s-1時就達到5個輥軸,由圖8知,這并不利于浸漬速率的提高。當初始張力為45N時,纖維張力增加較快,但輥軸數增幅較小,使纖維束張力在單位長度上的梯度較大,易造成斷裂。因此初始張力較為合適的取值為15N和25N。本文中初始張力取15N。通過固定浸漬輥軸個數,以假定浸漬完成為條件,根據式(15)計算輥軸熔融法的最佳浸漬速度。文獻是另外一種思路,以固定纖維浸漬速度為條件,通過實驗得出達到最大浸漬的輥軸數。為了對照,本文中采用文獻的實驗條件作為計算條件,即:初始張力15N,浸漬過程纖維束和輥軸間摩擦系數0.2,纖維束的展開寬度為15mm,纖維束采用玻璃纖維2400-tex,單絲直徑17μm,Carman-Kozeny常數為30,孔隙率?為0.4,浸漬輥軸直徑10mm。在不同輥軸數及黏度條件下,計算得出的浸漬最佳速度見圖9。可以得出,當輥軸數為5個時,20Pa·s(如聚酰胺PA材料310℃)的最佳浸漬速度約為0.22m·s-1,與文獻的實驗結果11m/min(0.183m·s-1)的誤差為18%。其誤差可能由以下兩個因素引起:(1)展開過程中忽略了摩擦力所造成的誤差,即理論計算的纖維束展開厚度較實際的偏小;(2)計算中忽略了浸漬過程有少量的軸向流動,導致計算的浸漬速度較實際的偏大。由計算結果與實驗結果對比可以看出誤差較小,因此式(15)可以描述多輥軸熔融浸漬過程。因此,圖9中黏度90Pa·s(PEEK,型號為90G,400℃條件下)使用5個輥軸的最佳浸漬速度約為0.05m·s-1是可信的。3浸漬時間對纖維初始張力的影響(1)綜合考慮了輥軸浸漬過程中的各種影響因素,推導出多輥浸漬的展開寬度、浸漬深度、浸漬時間、張力和輥軸總數等影響因素的計算公式,為多輥軸熔融浸漬工藝設計提供了依據。(2)依據結論(1)得出的公式,以聚醚醚酮PEEK(型號為