紫外光固化复合材料技术发展概况

  紫外光固化技术作为一项节能和环保型技术已广泛应用在涂料、油墨、粘合剂、印刷板材、电子工业、微细加工和快速成型等许多领域。用于树脂基复合材料的固化是该技术近年来又一新的发展方向,紫外光固化技术应用于复合材料领域有别于其他领域的地方是制件比较厚(几个mm甚至几个cm)。

  树脂基复合材料一直以其轻质、高强、防腐、耐用、生产工艺简便、力学性能可设计等优点被广泛应用于航空航天、化工、造船、机械、体育娱乐用品和土木建筑等各个领域。但是,相对较高的制造成本限制了其应用。九十年代以来,欧美先进工业国家针对树脂基复合材料在国防工业越来越广泛的应用,提出先进复合材料的低成本化及买得起的复合材料等概念和技术发展方向,以适应国防工业构件中小批量多品种的生产特点,达到在2000年使其军机用先进复合材料成本降低40%的目标。然而如何开发一项只需要投入较少的劳动力和使用较低成本的原材料而不需要特殊技能的工人的复合材料低成本成型技术已经越来越受到世人的重视,诸多国家相当数量的部门与单位投入大量的人力物力进行研究与开发。

  与此同时,目前复合材料使用的大部分树脂体系都含有低分子的挥发物。挥发物在贮存时有引起爆炸的危险,同时在制件的固化和最终使用过程中,挥发物的持久气味和对皮肤的渗透对人的身体健康是个潜在危害。随着环保部门日益严厉的规则条例,研究和开发一种低挥发物的固化工艺技术也提上了日程。

  树脂基复合材料的紫外光固化成型技术是在复合材料低成本化和无公害化的背景下发展起来的一种新的复合材料成型工艺。不仅适于制造大型复合材料制件;而且可选择区域固化;快捷便利地实现修补和接头的焊接。

  紫外光固化技术是指在适当波长和光强的紫外光照射下,光固化树脂体系中的光引发剂吸收辐射能后形成活性基团,进而引发体系中含不饱和双键或环氧基团的物质间的化学反应(主要是各类聚合反应),形成含有交联立体网状结构的高分子聚合物。目前光固化技术在世界上获得迅速发展,广泛应用在涂料、油墨、粘合剂、印刷板材、电子工业、微细加工和快速成型等许多领域。用于树脂基复合材料的固化是该技术近年来又一新的发展方向。

  复合材料成型使用光固化技术的最大限制是不能制备厚的制件。这主要是因为紫外线的穿透能力有限。一般的光引发剂只能固化几个毫米的复合材料层板。因此,紫外光固化只适用于由透明增强材料与透明树脂构成的复合材料,如玻璃纤维增强树脂基复合材料。改进的方法有让制件的两个表面都接受紫外光辐射和使用混杂固化树脂体系(即一个树脂体系既能进行热固化也能进行光固化)。

  另外,光固化树脂不适用于制备石墨纤维与kavlar纤维这两种增强的复合材料制件。有一种解决方法是将碳纤维或kavlar纤维与玻璃纤维混和使用。从某种意义上讲,复合材料的光固化并不能成为一种独立的成型工艺技术,它与传统的手工铺叠、缠绕、拉挤、树脂传递模塑(RTM)、预浸料等工艺结合起来,成为一类完整的工艺方法,才能充分发挥紫外光固化技术的各种优势。紫外光固化工艺还可以充分利用树脂基体的室温贮存期长等优点,将光固化与手糊、喷射等玻璃纤维复合材料成型工艺结合起来,这样既能提高玻璃纤维复合材料的性能,又能有效地降低成本和保护环境。

  阅读延伸:《光固化碳纤维预浸料在航空装备修理领域的应用