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真空灌注作為大型復(fù)合材料部件（如船身）的制造工藝，其應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。但與手糊制品相比，有缺陷的表面質(zhì)量阻礙了真空灌注工藝的推廣。例如，在船艇制造業(yè)，表面外觀是一個(gè)重要的質(zhì)量因素。
有許多因素會(huì)影響表面質(zhì)量，例如樹脂收縮和增強(qiáng)材料的光滑度。有幾種方法可以解決這一問題，表皮層是目前常用的方法。表面層是由手工鋪放的一層材料，用于防止纖維透印。表面層在由真空灌注制成的大多船艇中都有應(yīng)用。但這提高了揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的釋放量，也為制造工藝增加了一個(gè)額外的步驟。這些減弱了真空灌注所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。因此，市場(chǎng)需要一種不使用表面層而得到良好灌注表面質(zhì)量的方法。
測(cè)定表面質(zhì)量
表面外觀是很難測(cè)定的，因其通常是基于主觀判斷的。通常，光滑的表面比粗糙的質(zhì)量更好，但既然這是由人類的眼睛決定的，那么在不同的條件下，外觀可能不同。除了層壓結(jié)構(gòu)本身，可能影響外觀的因素有周圍的光線、觀察角度、顏色、光澤度等。然而，盡管存在這些影響因素，也應(yīng)該有可能測(cè)定表面質(zhì)量。
Fries Research & Technology公司制造的MicoProf® 是一款多功能的模塊化測(cè)量工具，適用于許多產(chǎn)品。該工具為工業(yè)產(chǎn)品的檢測(cè)而設(shè)計(jì)，具有全面的表面測(cè)量系統(tǒng)，用于厚度、粗糙度、磨損和許多其他性質(zhì)的無(wú)損檢測(cè)。MicoProf 已被證實(shí)為層壓表面質(zhì)量評(píng)估的有用工具。除了數(shù)字式的數(shù)據(jù)，它還可以產(chǎn)生一個(gè)表面的三維圖像，這對(duì)想要了解是哪一層增強(qiáng)材料導(dǎo)致了這種表面狀況的情形是非常有用的。在這個(gè)工具中，測(cè)定的是兩個(gè)參數(shù)：Ra和Wa，分別代表平均粗糙度和彎曲度。
其他兩個(gè)商業(yè)化的表面分析方法也經(jīng)過(guò)了測(cè)試。Byk-Gardner公司的Wavescan DOI是一款手持式的測(cè)量設(shè)備，廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)的噴涂表面評(píng)估。它使用非常簡(jiǎn)便，適用于平坦和彎曲的表面。但它只能測(cè)量線性輪廓，不能從所測(cè)定的數(shù)據(jù)產(chǎn)生三維圖像。
亞什蘭公司開發(fā)并取得了的ALSATM表面分析儀是測(cè)定纖維增強(qiáng)塑料板的專有技術(shù)。ALSA已在汽車行業(yè)獲得了廣泛認(rèn)可。 [-page-]
這兩種工具的測(cè)量結(jié)果與MicoProf的測(cè)定結(jié)果非常相似，但在這三者之中，MicoProf是功能多的分析工具。
關(guān)聯(lián)性
纖維的透印可能是與復(fù)合材料部件表面質(zhì)量相關(guān)的常見的問題。在船艇行業(yè)中，經(jīng)常會(huì)使用夾層結(jié)構(gòu)，芯材的方形斑紋也可能在表面上非常清晰的顯露出來(lái)。由于觀察表面時(shí)所處距離的不同，這兩個(gè)問題的明顯性也會(huì)不同。例如，當(dāng)近距離觀察層壓板時(shí)，纖維的透印問題就更明顯，而遠(yuǎn)距離時(shí)方形斑紋問題就更明顯。在測(cè)量表面質(zhì)量時(shí)，很重要的一點(diǎn)是，測(cè)量結(jié)果要與實(shí)際的觀察結(jié)果一致。
因此，在項(xiàng)目的一開始，眼睛的視覺結(jié)果與數(shù)字化的輪廓數(shù)據(jù)就作了對(duì)比。一套參考用層壓板先由一個(gè)評(píng)估小組進(jìn)行評(píng)定，層壓板根據(jù)自身的外觀被定為1到5五個(gè)等級(jí)。然后相同的層壓板由MicroProf進(jìn)行掃描，所得結(jié)果與評(píng)估小組的結(jié)果相比較。后發(fā)現(xiàn)，Ra值與纖維透印、Wa值與方形斑紋之間存在很好的關(guān)聯(lián)性，因此，該方法被證實(shí)是可靠的（圖1）。
層壓板的固化
層壓板的表面質(zhì)量會(huì)隨著時(shí)間降低，纖維的透印問題會(huì)變得越來(lái)越明顯，這是樹脂收縮的結(jié)果。這一問題可能非常嚴(yán)重，尤其是在部件暴露于高溫，如強(qiáng)烈的陽(yáng)光時(shí)。熱固性樹脂部件如果沒有正確的后固化步驟，總是會(huì)有一些殘余的反應(yīng)活性。沒有完全固化的樹脂會(huì)繼續(xù)交聯(lián)，因此產(chǎn)生收縮，對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。 [-page-]
在該項(xiàng)目中，層壓板的固化在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試間人為進(jìn)行。層壓板脫模后在室溫下放置24小時(shí)，然后在40℃后固化16小時(shí)。這相當(dāng)于層壓板在室溫下固化很長(zhǎng)時(shí)間。后，為確保層壓板完全固化，將其在80℃放置16小時(shí)。每個(gè)固化步驟之后，層壓板都用MicroProf進(jìn)行掃描（圖2）。
這一固化方法經(jīng)證實(shí)是可行的。對(duì)比結(jié)果顯示，在真實(shí)的室外環(huán)境中后固化1個(gè)月的層壓板其Ra值變化與在實(shí)驗(yàn)室中固化的層壓板相同，而實(shí)驗(yàn)室固化的彎曲數(shù)據(jù)要高一點(diǎn)。這很可能是因?yàn)?0℃的溫度超出了PVC泡沫芯材的高加工溫度，導(dǎo)致其斷裂。這在層壓板表面顯示為棋盤狀的方格。但需注意的是市場(chǎng)上有加工溫度更高的PVC泡沫（圖3）
[-page-] 樹脂的比較
樹脂的收縮是層壓板表面纖維透印的主要原因。收縮本身取決于樹脂類型、苯乙烯含量等。為確定樹脂間的差別，研究人員使用亞什蘭的樹脂由真空灌注工藝制成了一套層壓板。每個(gè)層壓板所用的增強(qiáng)材料是相同的，工藝參數(shù)也在制作過(guò)程中盡量保持恒定。所選樹脂都是專門用于船艇行業(yè)的，這一系列樹脂包括鄰苯二甲酸聚酯（不飽和聚酯）、新一代的環(huán)戊二烯二聚物（DCPD）和AME® 低收縮乙烯基酯。出于好奇，新一代的低收縮樹脂（Aropol® NLN 71500）也被用于該實(shí)驗(yàn)中，盡管低收縮樹脂并不適合所有的船艇應(yīng)用。層壓板在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的每個(gè)固化步驟之后，其表面質(zhì)量由MicroProf 測(cè)定。
結(jié)果清楚地顯示，樹脂之間存在很大差別。不出意料，傳統(tǒng)的鄰苯樹脂具有差的表面質(zhì)量，其與DCPD和AME樹脂的差別是顯而易見的，這是由于后者具有優(yōu)化的固化性能和低苯乙烯含量。通常，DCPD和AME性能相似。正如預(yù)期，低收縮樹脂表現(xiàn)出好的性能（圖4）。
增強(qiáng)材料的比較
這些實(shí)驗(yàn)中所用的增強(qiáng)材料以10米摩托艇所需的夾層結(jié)構(gòu)表皮厚度為準(zhǔn)則。層壓板厚度大約為3.5毫米，由各種±45°和0°/90°的非卷曲縫編多軸織物（NCF）構(gòu)成。特殊的表面增強(qiáng)材料（SR）被用于掩藏下層材料引起的纖維透印。
盡管纖維透印的主要原因是樹脂的收縮，但所用的增強(qiáng)材料種類也有影響。許多情況下，為優(yōu)化力學(xué)性能，制造商傾向于采用具有良好力學(xué)特性的單向或雙軸向增強(qiáng)材料，但它們與短切原絲氈相比裝飾性不足，表面質(zhì)量不好。增強(qiáng)材料越光澤，層壓材料的表面質(zhì)量越好。但光滑的纖維并非總具有好的操作性，因此必須找到一種折衷方案。[-page-]
圖5顯示了層壓方式和增強(qiáng)材料類型對(duì)表面質(zhì)量的影響。手糊工藝中，在兩層短切氈后增加±45°的NCF層使得表面質(zhì)量更差。真空灌注中，同樣的增強(qiáng)材料得到的表面質(zhì)量真得很差，用定制的表面增強(qiáng)材料替代短切氈，表面質(zhì)量有所改善。真空灌注的層壓板與手糊制成的進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，為得到好的表面質(zhì)量，灌注層壓板需要一層額外的屏敝涂層。
選擇――表面層和屏蔽涂層
真空灌注要得到光滑的表面仍舊需要某種表面改善層，以防止纖維的透印。今天，使用真空灌注工藝的大多船艇制造商依賴于表面層。表面層通常由幾層短切氈和高質(zhì)的低收縮樹脂組成。除了提高表面質(zhì)量，表面層還用于提高水解穩(wěn)定性，確保膠衣和層壓板本身能夠很好地粘接。對(duì)于大型部件，在灌注開始之前表面層可以提供更好的工作時(shí)間將增強(qiáng)材料放置到模具中。過(guò)去這些年，使用表面層已變得非常普遍，甚至成為真空灌注工藝的一部分。
屏蔽涂層是涂敷在膠衣之后用于防止層壓板水解的一層額外的涂層。高質(zhì)量的屏蔽涂層通常是乙烯基酯基的。由于屏蔽涂層是無(wú)增強(qiáng)材料的，因此可以噴涂到模具上。屏敝涂層還可以有效防止纖維的透印，因此是表面層的良好替代品。
為確定表面層和屏敝涂層對(duì)灌注的層壓板的影響，研究人員又生產(chǎn)出了一些實(shí)驗(yàn)用層壓板，它們是典型的船身用夾層結(jié)構(gòu)，以PVC泡沫為芯材。這批層壓板包括四種：種無(wú)表面涂層和屏蔽涂層的；第二種以AM E6000 T 35為表面層；第三種以AME VPRO為屏蔽涂層；第四種同時(shí)具有AME VPRO屏蔽涂層和AME 6000 T 35表面層。為作對(duì)比，手糊制造了一個(gè)短切氈層壓板作為參照。層壓板采用與之前一樣的方法進(jìn)行固化，每一個(gè)固化步驟之后，用MicroProf測(cè)定表面質(zhì)量。膠衣和屏蔽涂層厚度在制造過(guò)程中得以檢測(cè)，目標(biāo)分別為濕厚度0.8毫米和0.7毫米。表面層由兩層300 g/m2的短切氈構(gòu)成，其目標(biāo)固化厚度大約為1毫米。[-page-]
結(jié)果顯示，層壓板之間存在明顯差別。表面涂層對(duì)纖維透印的影響可以從Ra值的下降看出來(lái)。AME VPRO屏蔽涂層很好地防止了纖維透印，因此層壓板結(jié)構(gòu)的終Ra值與手糊短切氈層壓板相近。在AME VPRO屏蔽涂層上增加表面層對(duì)纖維透印并沒有顯著影響（圖6）。
結(jié)論
后固化和隨后的樹脂收縮影響了灌注層壓板的終表面質(zhì)量。這可可能是層壓板表面的一種斑紋，通常稱作纖維透印。迄今為止，大多數(shù)采用真空灌注工藝的制造商還在使用表面層，以防止纖維透印。
在這一項(xiàng)目中，灌注層壓板的表面質(zhì)量得以觀測(cè)，改進(jìn)方法也得以開發(fā)。MicroProf三維表面光度儀用于測(cè)定表面質(zhì)量，低收縮樹脂和特殊的表面增強(qiáng)材料也被用于測(cè)試。所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，后固化在實(shí)驗(yàn)室中模擬完成。研究結(jié)果表明，低收縮樹脂和光滑的增強(qiáng)材料比傳統(tǒng)的樹脂/增強(qiáng)材料組合產(chǎn)生了更好的表面質(zhì)量。另外，AME VPRO屏蔽涂層比表面層更有效地防止了纖維透印，這表明，在真空灌注工藝中，不使用表面層也有可能獲得與傳統(tǒng)手糊工藝相同的表面質(zhì)量。