熔融浸渍工艺参数对纤维束渗透率影响的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.07.012

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (7): 85-92.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.07.012

熔融浸渍工艺参数对纤维束渗透率影响的研究

杨一飞¹, 王明欢¹, 李杰¹, 何亚东¹^,², 信春玲¹, 任峰¹()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.教育部高分子材料加工装备工程研究中心，北京 100029

收稿日期:2022-03-09 出版日期:2022-07-26 发布日期:2022-07-20
通讯作者: 任峰（1982—），男，副教授，研究方向为热塑性树脂基复合材料、生物基复合材料，renfeng@mail.buct.edu.cn
E-mail:renfeng@mail.buct.edu.cn

Effect of melt⁃impregnation process parameters on permeability of fiber bundles

YANG Yifei¹, WANG Minghuan¹, LI Jie¹, HE Yadong¹^,², XIN Chunlin¹, REN Feng¹()

^1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.Polymer Processing Equipment Engineering Research Center，Ministry of Education，Beijing 100029，China

Received:2022-03-09 Online:2022-07-26 Published:2022-07-20
Contact: REN Feng E-mail:renfeng@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

在连续长纤维增强热塑性复合材料浸渍模型中，渗透率是一个十分重要的参数。准确测量熔融浸渍工艺中高黏度树脂熔体浸润纤维束的渗透率，有助于浸渍模型更好指导熔融浸渍模具设计和工艺参数优化，制备出性能优异的热塑性树脂基复合材料。本文通过自制实验装置，测定了熔融浸渍工艺中高黏度树脂浸渍单向纤维束时纤维束张力和浸渍压力变化对渗透率的影响，根据实验结果拟合出工艺参数与渗透率关系的计算公式。结果表明：纤维束张力越大渗透率越低；浸渍压力越大，纤维束渗透率越大，但增大幅度随张力增大而降低。

关键词: 渗透率, 浸渍压力, 纤维束张力

Abstract:

Permeability is a very important index in the impregnation model of continuous long?fiber?reinforced thermoplastic composites. An accurate measurement for the permeability of fiber bundles impregnated with a high?viscosity resin melt in the melt?impregnation process can help the impregnation model to better guide the design of melt?impregnation molds and the optimization of process parameters for the preparation of thermoplastic resin?based composites with excellent performance. The effects of fiber bundle tension and impregnation pressure variation on the permeation rate during the melt impregnation process with high?viscosity resin impregnating unidirectional fiber bundles were investigated using a homemade experimental setup. A formula for the relationship between the process parameters and permeation rate was fitted according to the experimental results. The results indicated that a greater tension of fiber bundle resulted in lower permeability， but a greater impregnation pressure led to greater permeability of the fiber bundle. Moreover， the increment rate decreased with an increase in tension.

Key words: permeability, impregnation pressure, fiber bundle tension

中图分类号:

TQ327.1

杨一飞, 王明欢, 李杰, 何亚东, 信春玲, 任峰. 熔融浸渍工艺参数对纤维束渗透率影响的研究[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 85-92.

YANG Yifei, WANG Minghuan, LI Jie, HE Yadong, XIN Chunlin, REN Feng. Effect of melt⁃impregnation process parameters on permeability of fiber bundles[J]. China Plastics, 2022, 36(7): 85-92.

图/表 18

图1 纤维缠绕装置

Fig.1 Fiber winding device

图2 渗透率测试装置

Fig.2 Permeability testing device

图3 装置实物图

Fig.3 Device physical diagram

张力/N	气体压力 /MPa
4	0.06
	0.08
	0.10
	0.12
	0.14
	0.16
	0.18
6	0.06
	0.08
	0.10
	0.12
	0.14
	0.16
	0.18
8	0.06
	0.08
	0.10
	0.12
	0.14
	0.16
	0.18

表1 实验分组

Tab.1 Experimental grouping

图4 纤维束浸渍深度

Fig.4 Fiber bundle impregnation depth

图5 SEM观察截面取样位置

Fig.5 Sampling position of SEM observation section

张力/N	气体压力/MPa	浸渍深度平均值Z/mm
4	0.06	1.34
	0.08	1.60
	0.10	2.11
	0.12	2.37
	0.14	2.86
	0.16	3.18
	0.18	3.55
6	0.06	0.82
	0.08	1.07
	0.10	1.29
	0.12	1.49
	0.14	1.75
	0.16	1.95
	0.18	2.13
8	0.06	0.58
	0.08	0.77
	0.10	0.82
	0.12	1.00
	0.14	1.17
	0.16	1.34
	0.18	1.46

表2 浸渍深度平均值Z

Tab.2 Average value of immersion depth

图6 渗透率拟合曲面

Fig.6 Permeability fitting surface

图7 渗透率拟合曲线与实验值对比

Fig.7 Comparison of the permeability fitting data with the experimental value

图8 纤维束张力和渗透率的关系

Fig.8 The relationship between permeability and fiber bundle tension

图9 因压力和张力引起纤维变形导致孔隙的变化

Fig.9 Changes in porosity caused by fiber deformation due to pressure and tension

图10 不同参数下不同位置的SEM照片

Fig.10 SEM of various positions under different conditions

图11 不同纤维束张力下各位置的孔隙率

Fig.11 Porosity at each position under different fiber bundle tensions

图12 不同位置处的孔隙率

Fig.12 Porosity at different locations

图13 模具楔形区结构

Fig.13 Schematic of mold wedge structure

图14 不同温度下第一个楔形区拟合方程与Kozeny?Carman方程计算渗透率的对比

Fig.14 Comparison of the first wedge?shaped area number fitting equation and that of Kozeny?Carman for calculating permeability at different temperature

图15 不同温度下浸渍程度理论值与实验值的对比

Fig.15 Comparison of theoretical values and experimental ones of impregnation degree at different temperature

图16 不同计算方法理论值与实验值的误差

Fig.16 The error between theoretical values from different calculation methods and experimental ones

参考文献 13

1	朱文墨，李刚，杨小平，等．连续纤维增强树脂复合材料纵向压缩强度预测模型的发展及其影响因素［J］．复合材料学报，2020，37（1）：1⁃15．
	ZHU W M， LI G， YANG X P， et al. Development of prediction model and influencing factors of longitudinal compressive strength for continuous fiber reinforced polymer composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2020， 37（1）：1⁃15.
2	张丹丹，孙耀宁，王雅. 多轴向玻璃纤维增强树脂基复合材料的破坏特性和损伤机制［J］. 复合材料学报， 2017， 34（2）：381⁃388.
	ZHANG D D， SUN Y N， WANG Y. Failure behavior and damage mechanism of multiaxial glass fiber reinforced resin matrix composites［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2017， 34（2）：381⁃388.
3	张婷. 高性能热塑性复合材料在大型客机结构件上的应用［J］. 航空制造技术，2013（15）：32⁃35.
	ZHANG T. Application of high performance thermoplastic composites for commercial airliane structural component［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2013（15）：32⁃35.
4	YAN MA， JIN SHANSHAN， UEDA MASAHITO， et al. Higher performance carbon fiber reinforced thermoplastic composites from thermoplastic prepreg technique： Heat and moisture effect［J］. Composites Part B Engineering， 2018，154：90⁃98.
5	杨旭静，王跃飞，韦凯，等. 基于孔隙控制的车身结构树脂传递模塑成型工艺设计［J］. 复合材料学报，2017， 34（5）： 970⁃977.
	YANG X J， WANG Y F， WEI K， et al. Design of resin transfer molding process for vehicle body structure based on porosity control［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2017， 34（5）：970⁃977.
6	SIRTAUTAS J， PICKETT A K， GEORGE A. Materials characterisation and analysis for flow simulation of liquid resin infusion［J］. Applied Composite Materials， 2014， 22（3）：1⁃19.
7	张浩，李书欣，王继辉，等. 基于新型测试装置的网孔板层开孔率对纤维厚度方向渗透率的影响［J］. 复合材料学报， 2020， 37（5）：1 175⁃1 183.
	ZHANG H， LI S X， WANG J H， et al.Influence of ratio of hole area for mesh plate layer on through⁃thickness permeability based on a new designed test bench［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2020， 37（5）：1 175⁃1 183.
8	Klunker F， Danzi M， Ermanni P. Fiber deformation as a result of fluid injection： modeling and validation in the case of saturated permeability measurements in through thickness direction［J］. Journal of Composite Materials， 2015，49（9）：1 091⁃1 105.
9	Fauster E， Vierkötter C， Appel L， et al. Experimental characterization of single ply out⁃of⁃plane permeability through gaseous flow［J］. Polymer Composites， 2018， 39（9）： 3 247⁃3 258.
10	Li C， Cantarel A， Gong X. Influence of structural parameters at microscale on the fiber reinforcement［J］. Journal of Composite Materials， 2019；53（7）：863⁃872.
11	李晨，黄甲，陈程，等. 基于随机算法的纤维微观结构渗透率预报及树脂流动数值模拟研究［J］. 复合材料科学与工程，2021（3）：38⁃44.
	LI C， HUANG J， CHEN C，et al. Research on permeability prediction of micro fibrous structure based onstochastic algorithm and numerical simulation of resin flow ［J］. Composites Science and Engineering， 2021（3）：38⁃44.
12	袁满. 连续纤维增强热塑性复合材料浸渍过程优化研究［D］. 北京：北京化工大学，2019.
13	陈剑昭. 连续纤维增强聚丙烯预浸带设备与工艺研究［D］.北京：北京化工大学，2021.

[1]	乔宗文. 基于后磺化的萘磺酸型磺化聚砜质子交换膜的性能[J]. 中国塑料, 2019, 33(6): 38-43.
[2]	张永明;邹静;苗宗成;赵阳. 直接甲醇燃料电池用Nafion/柱［5］芳烃复合膜的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2016, 30(04): 69-75 .

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Effect of melt⁃impregnation process parameters on permeability of fiber bundles

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