延长热固性树脂工艺窗口的方法技术

采用以下组合步骤延长了包含颗粒状硬化剂的热固性树脂的工艺窗口：对树脂进行热处理以形成其中溶解有颗粒的低粘度树脂混合物，然后使低粘度树脂混合物在低于颗粒溶解温度的温度下成型以浸渍纤维预成型体。将经浸渍的树脂预成型体加热至树脂的固化温度以使树脂最终固化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及液态复合材料成型(LCM) (liquid composite moulding)方法， 其中将热固性树脂注入包含纤维体的塑模中。树脂浸透所述纤维体并在塑模中固化形成最终的复合结构件。更具体地，本专利技术涉及延长LCM树脂的工艺窗口以使所述树脂可浸入较大并且较复杂的结构件。
技术介绍
复合材料广泛用于要求结构件必须具有较高强度/重量比的各种用途。复合材料的两个基本组成是树脂基体和加强该树脂的纤维支撑结构体。使树脂和纤维支撑体复合在一起形成结构件的方法众多，所述结构件可固化形成最终的复合结构件。所采用的具体方法取决于多种因素，包括树脂和纤维的类型、结构件的大小、复杂度、成本、重量/强度要求和质量控制问题。例如，在很多情况下，适当的复合结构件制造方法简单地使用刷子或辊子以手工方式使树脂浸入纤维支撑体。在另外一些情况下，使用专业设备使树脂浸入纤维支撑体形成预浸纤维支撑体(预浸料)。然后将一个或多个预浸料层置于塑模之上或塑模之中形成所需的形状，随后固化形成最终的复合结构件。液态复合材料成型(LCM)方法是广泛用于制造复合结构件的常见方法。树脂转移成型(resin transfer moulding) (RTM)和液态树脂灌注成型(liquid resin infusion) (LRI)是LCM方法的两个实例。RTM和LRI广泛用于需要制造复杂部件或结构件的工业领域，例如航空航天工业，所述复杂部件或结构件必须可靠地并且可重复地满足有关强度和重量的严格限制条件。RTM方法通常包括将树脂注入包含预成型纤维结构体的塑模中。仔细控制注入塑模的树脂量和塑模内的工艺条件，以确保树脂完全并且均勻地浸透纤维支撑体。LRJ方法使用具有柔性膜的塑模，所述柔性膜作为上加工表面(upper tooling surface) 0通过对塑模抽真空，将液态树脂吸入所述塑模中。借助高度多孔化的 “流通介质(flow media)”层，树脂快速经过纤维预成型体的表面。树脂浸透所述预成型体的整个厚度，然后在最终的纤维-树脂组合体脱模之前固化。LCM方法中使用的树脂统称为LCM树脂。双马来酰亚胺树脂和环氧树脂均为广为使用的LCM树脂。一种包含颗粒状胺类硬化剂的具体类型的环氧LCM树脂适用于需要高韧性的情况。该类型的LCM树脂可以以商品名ST 15和I3R 520分别购自Hexcel Corporation (都柏林，加利福尼亚)和Cytec Corporation (阿纳海姆，加利福尼亚)。这些环氧LCM树脂包含环氧树脂组分和胺类硬化剂。胺类硬化剂以颗粒形式存在，所述颗粒分散在整个环氧树脂组分之中。实践当中发现所述硬化剂颗粒比许多纤维支撑体的开口大。 因此，在树脂注入塑模时，所述颗粒被纤维支撑体固有地从LCM树脂中滤出。对于任意使用颗粒状硬化剂的LCM方法而言，一个重要的考虑因素是确保硬化剂颗粒在其可能被纤维支撑体滤出之前溶解。常用于胺硬化环氧LCM树脂的胺类硬化剂颗粒在约150°C至160°C的温度下溶解于环氧树脂组分中。上述颗粒溶解温度仅比这些树脂通常采用的成型或固化温度低30°C至40°C。因而，LCM工艺操作人员一直面临如下问题既要充分加热树脂以确保颗粒溶解，同时还要避免LCM树脂过早胶化或固化。处理包含胺类颗粒硬化剂的环氧LCM树脂的常规工艺采用注入前预热和塑模加热相结合，来确保硬化剂颗粒在其可能被纤维支撑体捕获之前溶解。通常，使塑模温度保持高于溶解温度，并在注入之前将树脂预热至溶解温度，仅持续确保预热温度和塑模温度相结合导致颗粒以适时的方式溶解所必需的时长。仅在纤维结构体完全饱和之后，才将塑模的温度升至最终固化温度。该工艺达到了良好效果并确保了胺类硬化剂与树脂一同均勻分布。LCM树脂注入塑模时的粘度必须足够低，以使树脂得以浸透纤维支撑体。由于化学反应之故，树脂的粘度随时间推移逐渐增大，直至达到树脂无法再流动且纤维支撑体的进一步浸渍中止的粘度。“工艺窗口(processing window) ”是树脂从流入纤维支撑体的粘度较低的材料变为无法流动并且使树脂浸渍难以(若非不可能)进一步进行的粘度较高的材料所用的时间。在上述常规工艺中，包含颗粒状胺类硬化剂的LCM树脂的工艺窗口为约30至45 分钟。工艺窗口的上述长度对于下述诸多情况而言达到了良好效果纤维结构体足够小，并且纤维支撑体的孔足够多，而得以在树脂变得过于粘稠之前实现充分的树脂浸渍。然而，很多情况下LCM树脂完全浸入纤维预成型体所用的时间可能超过45分钟。对于大型和/或复杂结构件尤为如此。因而，期望延长包含颗粒状硬化剂的LCM树脂的LCM工艺窗口，以能够成型更为广泛的复合结构件。
技术实现思路
根据本专利技术，发现如果包含颗粒状硬化剂的液态复合材料成型(LCM)树脂在引入至塑模中之前经历热处理步骤，并使塑模的温度一直保持低于颗粒的溶解温度直至树脂浸入纤维支撑体的程度达到预期，则所述树脂的工艺窗口可得以延长。本专利技术基于如下发现如果首先将未固化的给定LCM树脂加热至颗粒状硬化剂的溶解温度，在该温度下保持足够长的时间以使颗粒溶解并形成热处理树脂混合物，则所述给定LCM树脂的LCM工艺窗口可得以延长。然后冷却所述热处理树脂混合物，形成适于注入塑模和浸入纤维结构体的低粘度树脂混合物。本专利技术的特征在于，塑模中的低粘度树脂混合物保持在低于颗粒状硬化剂溶解温度的保温温度(dwell-temperature)。所述树脂混合物在保温温度下保持足够长的保温时间，以使树脂完全浸入纤维结构体中。在保温时间结束时，所述树脂混合物在该树脂的固化温度下固化。低粘度树脂混合物的最长保温时间对应于树脂的工艺窗口。本专利技术特别适用于需要较长的树脂工艺窗口以确保树脂完全浸入大型和/或复杂纤维支撑体中的LCM方法。发现根据本专利技术在包含颗粒状硬化剂的LCM树脂经过热处理并随后在塑模中经受保温温度的情况下，所述树脂的工艺窗口可不止是加倍。本专利技术还非常适用于需要延长的工艺窗口以确保树脂完全并均勻浸透纤维支撑结构体的LCM方法。延长的工艺窗口在纤维支撑体的孔隙度或其他设计特征使得树脂难以浸入该部件的情况下是有利的。本专利技术提供的附加浸渍时间确保了树脂完全并且均勻地浸渍纤维支撑体。结合附图参照下述详细说明将更好地理解本专利技术的上述及诸多其他特征和优势。附图说明图1在其下半部分示出了本专利技术的示例性LCM方法，并在其上半部分示出了常规 LCM方法，二者进行比较。图2示出了与按照本专利技术进行处理的LCM树脂的粘度相比，采用现有技术的LCM 处理的两种示例性LCM树脂的粘度如何快速增大。具体实施方式本专利技术包括改善现有的LCM方法，以延长LCM树脂处于塑模之时的工艺窗口，所述LCM方法使用包含颗粒状硬化剂的树脂。处于塑模之时的工艺窗口的延长有利地增加了所述树脂能够在塑模以及置于其中的纤维支撑结构体中流动的时间。本专利技术可应用于任何LCM方法，包括RTM和LRI，其中LCM树脂为热固性树脂和分散在所述热固性树脂之中的颗粒状硬化剂的混合物。本专利技术可应用于所有类型的LCM树脂，包括含有颗粒状硬化剂的双马来酰亚胺LCM树脂和环氧LCM树脂。本专利技术优选用于延长包含颗粒状胺类硬化剂的环氧LCM树脂的工艺窗口。这些类型的环氧LCM树脂可以以商品名ST 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：S摩蒂默，N帕特尔，E维拉隆，
申请(专利权)人：赫克塞尔合成有限公司，赫克塞尔合成股份有限公司，
类型：发明
国别省市：