疏水功能化热塑性预浸纱制备及固结工艺研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:calltt_stephy
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表面高疏水性结构功能一体化复合材料在飞机机翼前缘防/除冰领域具有广阔的发展前景。高性能热塑性树脂为极性聚合物,具有亲水性,难以满足表面防/除冰要求,本文结合热塑性PEEK、PPS复合材料特点,开展功能化预浸纱制备、性能评价研究,获得质量稳定、性能优异的功能化预浸纱及复合材料。针对结构性能要求,基于粉末悬浮法,通过动态控胶、分段浸渍,优化了热塑性预浸纱制备工艺;结合表面防/除冰要求,采用粉末共混法制备功能化预浸纱,通过表面润湿性和层合板力学性能评价,确定了综合性能优异的树脂体系;研究预浸纱固结方式对功能表面的影响及机理,验证了功能化预浸纱用于成型结构功能一体化复合材料的可行性。(1)针对高性能热塑性树脂熔体粘度高、浸渍困难的问题,基于粉末悬浮法,采用胶液动态控制、分段浸渍技术,优化浸胶、浸渍工艺,实现了预浸纱高质量稳定制备。研究表明,预浸纱含胶量随胶液浓度和浸胶行程的增加而增加,结合含胶量要求,确定浸胶行程为38cm,PEEK、PPS胶液浓度范围分别为66.0~79.8g/L和59.6~68.7g/L;浸渍温度升高,丝束收缩加剧,拉挤口模温度降低,树脂粘度增大,确定浸渍温度分别为370和300,拉挤温度分别为400和320;优化工艺条件下,PEEK、PPS预浸纱含胶量、尺寸稳定,平均孔隙率仅为1.21%和0.63%,力学性能优异,表明该工艺可进一步用于功能化预浸纱制备。(2)PTFE树脂表面化学惰性高、吸附难,采用粉末共混悬浮浸胶工艺制备功能化预浸纱,研究树脂体系对表面润湿性和力学性能的影响,获得优化树脂配方。结果表明,预浸纱表面接触角随PTFE质量比增加而增加,层间剪切强度和冲击强度随PTFE质量比增加而降低;当PTFE质量比为0.5时,功能化PEEK预浸纱综合性能较优,表面水接触角为94°,提高27.35%,功能层短梁剪切强度为55.11MPa,功能-结构层短梁剪切强度为60.48MPa,冲击强度为310.07k J/m2,在具备疏水性的同时,层间结合性能指标高,表明该体系满足功能化热塑性复合材料成型要求。(3)面向高性能热塑性预浸纱实际应用,基于原位固结工艺制备试样,通过表面接触角测试对复合材料的功能性进行评价。研究发现,超声铺放成型表面为波浪形扁平结构,在热压压力为0.2MPa、铺放速度为5mm/s,最大功率百分比功为70%的工艺条件下,试样的表面接触角和单搭接拉伸剪切强度达到最高值,分别为107°和7.3MPa;激光加热工艺窗口内,辊压成型表面光滑平整,平均接触角约103°,试验表明两种原位固结方式对复合材料表面功能性影响较小。(4)针对原位固结方式对表面粗糙度影响小、疏水性能提高不明显的问题,采用模板热压工艺制备功能复合材料,研究获得热压工艺参数对功能表面的影响规律。研究结果表明,模板热压法能实现复合材料表面对模板微结构的复制,当喷砂用碳化硅目数为120,热压温度≥360时,功能复合材料表面形成鳞片毛刺状微结构,表现出超疏水特性并具有优异的结冰延迟性能和环境耐久性,表明模板热压法适于成型高疏水性的结构功能一体化复合材料。
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