真空辅助树脂灌注成型工艺及应用

图1  真空辅助模塑成型(VARIM)工艺示意图

   (1)模具成本低。与RTM工艺需要阴、阳双面刚性对模相比，VARIM工艺只需要单面刚性模具；与模压工艺需要承受高温高压的成型模具相比，模具的制造成本较低，适用于设计开发不同结构复杂外形的大型模具。

   (2)制品外形可控，尺寸精确。VARIM工艺对制品尺寸和形状的限制较少，可以用于航空航天、国防工程、船舶工业、能源工业、基础结构工程等领域中大厚度、大尺寸结构制件的成型，如火箭外壳、风电叶片、汽车壳体等。

   (3)制品力学性能好，重复性高。与手糊构件相比，VARIM工艺成型制品的力学机械性能可以提高1.5倍以上，并且制品的纤维含量高、孔隙率低、结构缺陷少、表面均匀光滑、构件之间一致性高，因此VARIM工艺成型制品的质量稳定，具有很好的可重复性。

   (4)环保性好。相比与开模成型时，苯乙烯、丙酮等挥发性有机化合物(VOCs)的挥发量高达35~45 %，了解更多工艺资料登录复材应用技术网，VARIM工艺作为一种闭模成型技术，在树脂灌注和固化过程中，易挥发物和有毒空气污染物均被局限于真空袋膜中，因此几乎不对环境造成污染，是VARIM工艺最突出的一个优点。

   (5)生产效率高。处于真空负压下的树脂能够沿着树脂灌注管道迅速导入到密闭模腔内，并在凝胶前充分快速渗透和浸渍增强材料，可整体成型大型复杂几何形状的夹芯和加筋结构件，与开模工艺相比，VARIM工艺可节约劳动力50 %以上。

 

1.1.树脂

    适用于VARIM工艺的树脂包括环氧树脂、乙烯基树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等低粘度树脂。VARIM工艺对树脂的要求一般有以下几点：

   (a)树脂体系粘度低。一般要求树脂体系粘度在100~800 mPa·s，最佳粘度范围为100~300 mPa·s，从而使树脂在真空负压力作用下能够完全浸渍增强材料。如果树脂粘度过高，充模流动速度慢，并且对纤维织物的浸渍效果也不理想；如果树脂粘度过低，树脂流动速度太快，容易形成干斑等缺陷。

   (b)凝胶时间适宜。不同的工艺对凝胶时间有不同的要求，因此凝胶时间应可变易控，具有合适的操作周期，是VARIM工艺专用树脂体系的一项重要指标。一般对于大型制件成型而言，要求树脂体系的低粘度平台时间(即工艺操作窗口)不少于30 min，了解更多工艺资料登录复材应用技术网，以避免树脂在灌注过程就发生剧烈的凝胶反应和固化交联反应。

   (c)固化放热峰值适中。高放热峰会降低模具的使用寿命、可能对制品中的芯材、加强筋等部件产生影响。同时，高的放热峰可能引起部件的裂纹，影响制品性能。

   (d)其它物理化学性能，包括良好的力学机械性能，以满足工程应用的高要求，抗热氧老化性、耐化学腐蚀性、阻燃性、无毒、成本低等。

 

1.2.增强材料

    增强材料一般包括E玻纤、碳纤维、Kevlar纤维、Spectra纤维以及E玻纤与其它几种纤维的混杂形式。增强材料的可以是短切纤维或纤维织物，但通常采用织物，如无捻粗纱织物、加捻织物、双向缝合织物等，其中新型的针织材料和平纹单向纤维是较理想的选择。

 

1.3.真空袋膜

    耐高温尼龙膜和聚丙烯膜是最常用的真空袋膜，主要利用它们的延展性、柔韧性和抗穿刺性能；同时要求材料具有较高的耐热温度（具体需考虑树脂性能）和优异的阻隔气密性。

 

1.4.密封胶粘带

    密封胶粘带是一种以丁基橡胶为基胶，添加耐温的补强剂和增粘剂等助剂的真空袋膜密封剂，要求材料具有高弹性、表面粘接性以及耐温性等性能，保证在制品成型周期内具有优异的密封性能。

 

1.5.高渗透介质

    高渗透介质的作用是保证树脂在真空灌注过程中能够迅速渗透和流动，大幅度提高充模流动速度，通常可采用尼龙网和机织纤维。

 

1.6.剥离层介质

    剥离层介质的作用是将制品和高渗透介质或真空袋膜分隔开，避免真空辅助介质粘附在制品上。一般选用低孔隙率、低渗透率的薄膜材料作为剥离层介质，如PE、PP多孔膜等。

 

1.7.轻质芯材

    一般芯材都在可选范围内，如轻质木材、PVC、PEI、PMI、SAN、PS泡沫和其它线性微孔封闭型塑料等。对于开孔型芯材(如蜂窝状)，树脂会充满其空穴，加重了制品的重量和成本，因此这类芯材不宜选用。

 

2.1.气泡和白斑

     如图2所示，在VARIM工艺中，树脂在纤维织物中的渗透流动可以分为宏观流动和微观流动，其中树脂在纤维束空隙之间的流动称为宏观流动，而树脂在纤维束内部纤维单丝之间的流动称为微观流动。如果宏观流动与微观流动的流动速度不同，即两者的流动前缘存在不一致时，树脂就会在纤维织物层内发生横向渗透，从而导致局部“包气”的现象，其中在制件的表面层表现出气泡的产生，而在制件的内部层表现出白斑的产生。
    局部“包气”现象的产生是因为树脂的宏观流动和微观流动不一致，其中宏观流动前缘的流速与灌注压力梯度有关，灌注压力梯度越大，宏观流动越快；而微观流动前缘的流速与纤维单丝之间的毛细管作用力有关，毛细管作用力越大，微观流动越快。因此，如图3(a)所示，当灌注压力梯度小于毛细管作用力时，树脂微观流动前缘的流速就会大于宏观流动前缘的流速，此时纤维束内部的树脂发生横向渗透，而将纤维束空隙之间的残余气体包裹，形成大气泡；相反，如图3(b)所示，当灌注压力梯度大于毛细管作用力时，树脂宏观流动前缘的流速就会大于微观流动前缘的流速，此时纤维束之间空隙的树脂就会向纤维束内部发生横向渗透，了解更多工艺资料登录复材应用技术网，而在纤维束内部形成小气泡。为了减少及避免局部“包气”现象的产生，通常需要预先抽真空并在设定的真空度维持一定的时间，从而尽可能的排除密闭模腔内的空气，同时适宜将树脂灌注流道设计成树脂沿着纤维织物垂直(90°)方向流动，而不是如图3和图4所示的树脂沿着纤维织物平行(0°)方向流动。