预浸料Prepreg是"pre impregnation"的缩写,指的是纤维束或纤维布经过树脂浸润后形成的均匀预固化材料,预固化材料可直接用于复合材料结构如风电叶片的制造。预浸料树脂通常粘度较高,在室温下呈固态,便于操作、切割和在模具中铺层,且不需要导入树脂,减小树脂污染。在模具中铺层完成后,预浸料即可在真空下高温固化,工业用预浸料固化温度通常为80~120°C之间。
高性能树脂
预浸料通常以卷状形式供应,与灌注和手糊工艺相比,预浸料树脂含量控制准确,树脂性能优异,单向纤维排布方向可控性好且自动化程度高。然而,由于使用高性能树脂,预浸料的储存和运输均需要低温环境;此外,额外的预浸工艺使预浸料比相同重量的树脂加纤维价格昂贵许多,预浸料对工艺温度提出的更高要求也增加了模具成本。
预浸料制造
预浸料的制造遵循和树脂灌注一样的基本原则:
- 注意工艺温度下树脂体系的粘度
- 纤维网纱和纤维布的浸润性
- 压力控制
因此,要浸润纤维布和纤维网纱,必须先降低树脂粘度,再施加一定的压力,同时还要考虑纤维的浸润性。由于预浸料树脂在室温下通常呈半固态,要得到浸润能力好的低粘度树脂有两种基本方法:添加溶剂法和热熔法。风能用预浸料材料一般采用第二种方法。
预浸料生产线
为了实现大规模生产并拥有价格优势,预浸料生产线必须以最快速度运转,这就要求粘度在一定时间迅速降低,与此同时,对树脂和纤维布/网纱施加压力。准确控制线速对预防预浸料产品缺点至关重要。
预浸料特性
评价灌注树脂性能时,焦点通常被放在粘度和不同温度下产品的反应活性上,与某些标准纤维复合固化后的热学和力学性能也会予以考量,以对比不同树脂体系。对预浸料而言,成型过程中的粘度和反应活性同样重要,特定产品的力学和热学性能变得更容易衡量,但增加了一些操作特性需要定义。
Drape随形性
将高粘度树脂和纤维/纤维布结合在一起的工艺,对于纤维能否满足模具几何形状的要求有很大影响。预浸料与模具表面的贴合程度被称为随形性,这种性能与纤维/纤维布结构(纤维类型、方向、缝合方式等)以及树脂化学特性密切相关。
粘性
虽然预浸料中的树脂在室温下呈半固态,预浸料表面通常会有一定等级的粘性。尽管用手压的方式评价粘性等级比较主观,但是低粘性预浸料在很大的压力下表面也不会表现出很粘的状态;相反地,即使用力很小,高粘性预浸料也会将树脂粘到手上。不同预浸料的粘性也各不相同,这与树脂含量、纤维和纤维布种类、树脂配比波动以及操作车间温度等均有关系。粘性使预浸料很容易固定在模具表面,也为后续铺层带来了方便,如果模具有垂直表面,则需要高粘性预浸料进行叶片制作。然而,过大的粘性则会给除去保护膜及重新铺层带来不少麻烦。
流动性
结构件固化过程中,预浸料树脂粘度随着温度的升高而降低,使树脂产生流动性。树脂的流动可以将层与层之间紧密结合而不存在任何缝隙,也可以通过真空系统将体系中的气泡排出。树脂流动对于预浸料和其他材料的粘结也是十分必要的,如模具表面的胶衣和夹芯结构中的大量芯材。流动性是粘度的函数,因此树脂体系的粘度是预浸料的重要物理参数。
使用寿命
预浸料树脂体系使用潜伏型催化剂(需要一定温度去激发其活性),因此,在高温固化前预浸料将保持其粘性和随形性。然而,即使在室温下,潜伏型催化剂也存在非常缓慢的反应,经过一定时间后树脂粘度增加到某个值,最终使材料失去粘性和随形性;这种状态下,预浸料已经没有实际使用价值,亦即达到了其使用寿命的期限。用于风能的预浸料在室温(20-23 °C)有60天的使用寿命,当温度升至25°C以上,其使用寿命将会大大降低。