樹脂真空導(dǎo)入工藝的基本原理
如下圖所示,在模具上鋪增強材料,然后鋪真空袋,并抽出體系中的空氣,在模具型腔中形成一個負壓,利用真空產(chǎn)生的壓力把不飽和的樹脂通過預(yù)鋪的管路壓入纖維積層中,讓樹脂浸潤增強材料最后充滿整個模具,制品固化后,揭去真空袋材料,從模具上得到所需的制品。
為什么要使用真空導(dǎo)入工藝
真空導(dǎo)入工藝的主要作用是避免成型的產(chǎn)品產(chǎn)生氣孔、疏松等缺陷。產(chǎn)生這些缺陷主要是由于模具中或者纖維層中夾雜的空氣,或者成型過程中產(chǎn)生的蒸汽。
蒸汽是指在常溫常壓下是氣體或固體,在真空下或高溫下?lián)]發(fā)出來的氣體。在復(fù)合材料成型工藝中,蒸汽是“看不見的敵人”。這些蒸汽會增加抽氣時間,產(chǎn)生類似泄漏的現(xiàn)象;會在制成產(chǎn)品中產(chǎn)生氣孔,或者嚴(yán)重的強度缺陷。水蒸汽是最常見的蒸汽,其它常見的蒸汽還有從樹脂或樹脂導(dǎo)入系統(tǒng)中揮發(fā)出來的氣體,如苯乙烯,過氧化丁酮(MEKP)等。
水蒸汽
由于空氣有一定的濕度,模具的表面,纖維等多孔材料的空隙內(nèi)都會吸附一些水分。這些吸附的水分無法看到,并且在常溫常壓下不會產(chǎn)生任何影響,但是在抽真空時,水在常溫下就可以沸騰。
我們都知道,水的沸點會隨著氣壓降低而降低,比如在高海拔的地方,水在80度就會沸騰。如果持續(xù)降低壓力,那么到某一個壓力值,水在常溫下20度左右就會沸騰。
水的沸點與壓力(真空度)之間的關(guān)系如下表:
如果您有一臺可以抽到99%真空的真空泵,用它連接一個透明的裝有水的容器,您就可以看到水在常溫下沸騰的現(xiàn)象。
真空下的體積膨脹
真空下的沸騰現(xiàn)象可以幫助我們除去水分,從這方面講是好事,但同時,水沸騰后產(chǎn)生大量的水蒸汽體積會劇烈膨脹,并且真空度越高體積膨脹的越大,下面表格顯示了1公斤水在不同真空度下對應(yīng)的體積:
1公斤水在液態(tài)時的體積是1L,但是在20mbar(98%真空)時,其沸騰汽化后會產(chǎn)生67,000 L的水蒸氣,膨脹了6.7萬倍!由于真空泵在到達極限壓力時抽速很小,以我們最常用的20 m3/h的真空泵為例,抽去這些水蒸汽可能需要長達好幾個小時。
這在實際工藝中意味著什么?
如果您成型工藝的目標(biāo)壓力(絕對壓力)是在對應(yīng)溫度下的汽化壓力以下的話,就必須使真空泵持續(xù)工作,直到所有的水蒸汽都被抽走,這可能需要好幾個小時,對于大的零件,有時候甚至需要抽上一整夜。
有些材料,比如中密度纖維板(MDF),有時候會被用來制作復(fù)合材料成型的模具,其含水量可達自身重量的7%,如此高的含水量,會造成抽氣時間大大延長。
通過上面的描述,您可能會覺得只要所抽的壓力在水的汽化壓力之上就可以了,但還有一點需要考慮的是加熱或者樹脂放熱造成的溫升,如果溫度升高到相應(yīng)壓力所對應(yīng)的沸點溫度之上,那么水的汽化就必然會發(fā)生,這就會造成最終產(chǎn)品的分層,特別是使用了沒有在干燥環(huán)境中存放的材料時。
除了使抽氣時間延長,水蒸汽被抽入真空泵壓縮后會冷凝成水,這會造成真空泵泵油乳化,從而使泵油失去密封性和潤滑性,造成抽真空能力下降和泵的異常磨損。安捷倫的真空泵通過下面兩種方法可以盡可能的避免水蒸汽在泵內(nèi)冷凝:
真空泵本身設(shè)計的工作溫度較高(70℃-110℃),在比較高的溫度下水蒸氣不容易冷凝。
泵本身設(shè)計有避免水蒸汽冷凝的氣鎮(zhèn)閥。通過向泵內(nèi)摻入干凈空氣以降低被抽氣體中水蒸汽的分壓力(濃度),使得真空泵排氣時被抽氣體中水蒸氣的分壓力低于相應(yīng)溫度下的冷凝壓力。
與水蒸氣類似,樹脂中的溶劑在真空下時也會汽化變成蒸汽,甚至比水還要容易汽化,可以要求供應(yīng)商提供相應(yīng)的數(shù)據(jù),或者通過把樹脂放在透明的容器中抽真空來確定其汽化壓力。一定要確保工藝壓力在溶劑的汽化壓力之上,否則,如果壓力抽的太低,會造成溶劑汽化,最終制品多孔疏松。汽化的溶劑進入真空泵還會與泵油互溶,影響潤滑性甚至造成真空泵的損壞。
真空泵類型的選擇
一般選擇經(jīng)濟實用的單級油式旋片真空泵。注意:一定不要選擇那種用于空調(diào)和制冷系統(tǒng)抽真空的真空泵,這類真空泵是用來在很低的壓力下(很好的真空)工作的,當(dāng)工作的壓力較高時,真空泵油非常容易乳化,而且排氣口會噴出大量油煙。這些油煙不但會污染工作環(huán)境,還會污染模具和纖維材料。
真空泵的型號一般包含字母和數(shù)字,以Agilent EM20/B為例,20表示抽速,即真空泵的抽速是20m3/h; EM表示一個產(chǎn)品系列,一般一個系列的產(chǎn)品具有相似的設(shè)計,和相同的極限壓力;
從上表可以看出EM系列的極限壓力是2mbar,EM/B系列的極限壓力是20mbar。但極限壓力不是越低越好:
極限壓力更低會增加水蒸汽和溶劑汽化的風(fēng)險;
極限壓力更低的真空泵,如果在真空比較差時抽的時間過久(當(dāng)制作比較大的零件時),往往會發(fā)生排氣口冒煙的現(xiàn)象。
復(fù)合材料成型真空導(dǎo)入工藝一般對真空泵極限真空的要求是10-20mbar??梢?,/B型真空泵的極限壓力不是最好,但卻更適合真空導(dǎo)入工藝。
抽速的選擇
很大或很復(fù)雜的零件在預(yù)抽真空時對真空泵的抽速要求比較高,除此之外,真空導(dǎo)入工藝需要的抽速一般不大。如果對預(yù)抽的時間要求不高,可以參考下面建議來選擇 真空泵:
纖維材料面積<1平方米-真空泵抽速4 m3/h
纖維材料面積<20平方米-真空泵抽速8 m3/h
纖維材料面積20-50平方米-真空泵抽速20-28 m3/h
纖維材料面積50-100平方米-真空泵抽速40-60 m3/h
纖維材料面積>100平方米-真空泵抽速60 m3/h*纖維材料面積/100
根據(jù)我們的經(jīng)驗,真空泵與緩沖罐的連接處非常容易發(fā)生泄漏,使用下圖這樣真空軟管連接和接頭會降低發(fā)生泄漏的概率。
本文導(dǎo)航:
- (1) 復(fù)合材料成型真空導(dǎo)入工藝中的真空系統(tǒng)