实验条件对碳纤维预浸料挥发分含量的影响

左 洋，谢玉萍，孙 书，孔 静，杨耀东

（1.北京卫星制造厂，北京 100094；2.国家蛋白质科学中心，北京 102206）

实验条件对碳纤维预浸料挥发分含量的影响

左 洋1，谢玉萍2，孙 书1，孔 静1，杨耀东1

（1.北京卫星制造厂，北京 100094；2.国家蛋白质科学中心，北京 102206）

挥发分含量反映着基体材料的黏性和流动性，是评定碳纤维预浸料质量的一个重量指标，挥发分测试至关重要，制约着复合材料的工艺成型过程和制品最终的使用性能。研究了两种实验条件对挥发分含量的影响。在烘箱内鼓风和不鼓风的情况下分别测定了不同氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分；并选用了不同直径收集器对氰酸酯体系预浸料挥发分进行测试，结果表明，两种测试条件对挥发分含量测试结果均有一定的影响，烘箱内鼓风开启时测得的挥发分含量较大；采用直径较大的收集器测得的挥发分含量比直径较小的收集器测得的数据小，为碳纤维预浸料挥发分含量的准确测定提供了参考数据。

碳纤维；预浸料；复合材料；挥发分；实验条件

0 引言

预浸料是制造复合材料及其制件的中间材料，构成了复合材料的基本单元，其质量的均匀性和稳定性，是保证复合材料及其制件质量和可靠性的重要环节。树脂基复合材料（RMC）的高比强度和比刚度，可设计性能好，能有效减轻航天器的结构质量，是当今宇航材料的发展重点，正逐渐取代传统的金属材料[1-2]。然而，随着宇航技术的新发展，环氧树脂（EP）由于其介电性能、耐热性、尺寸稳定性和耐湿性不佳而使用率逐渐减小。而聚酰亚胺（PI）、双马来酰亚胺（BMI）和聚醚醚酮（PEEK）等新材料，虽然耐热性、介电性能有了很大提高，但却又存在着溶解性差、成型温度高等工艺上的缺陷，有待进一步改进。近年来，氰酸酯树脂（CE）因其性能综合了BMI等的耐高温和EP的良好工艺性，且介电性能极佳，具有极广泛的应用前景，成为继PI和BMI之后的又一高性能宇航复合材料基体树脂。近年来，卫星、飞船等空间飞行器上碳纤维复合材料的使用量逐年增加，尤其是碳纤维预浸料复合材料已广泛应用于卫星的中心承力筒、基板、连接架等主体结构中，满足了航天器的多项功能性需求[3-17]。

挥发分含量反映着基体材料的黏性和流动性，是评定碳纤维预浸料质量的一个重量指标，应该严格控制，一般要求低于2%[3]。因此碳纤维预浸料的挥发分测试至关重要，其挥发分含量实验方法（GB6056-1985）中规定了不同类别预浸料的挥发分实验通则和推荐实验条件，尤其是氰酸酯大量应用后，其流动性对挥发分测试结果的影响较大。结合基体类型的差异，需要深入研究实验条件对氰酸酯类碳纤维预浸料挥发分含量的影响。

1 实验部分

1.1 主要仪器与材料

实验中使用的仪器主要包括HT4023P型高温实验箱，控温范围为20℃至350℃；AL104型分析天平，感量为0.1 mg。实验材料为不同固化工艺条件下氰酸酯体系碳纤维预浸料。

1.2 方法原理

碳纤维预浸料的挥发分测试原理为：将规定量的预浸料试样放入鼓风干燥箱中，加热至规定的温度，恒温一定时间以去除挥发物，根据加热前后试样的质量变化计算出挥发物质量百分含量。

1.3 样品处理方法

预浸料按模板尺寸取100 mm×100 mm的试样。预浸料的取样部位：在布幅的宽度方向按左、中、右三个部位各取一片（距边缘至少20 mm）。取样应在温度为23±2℃时，湿度为50%±10%的实验间进行，试样数量不少于三个[3]。

1.4 实验方法

碳纤维预浸料挥发分测试过程为：（1）取样后，将碳纤维预浸料试样放入已知质量的金属网和收集器上，立即称量，精确至0.000 1 g，记作M1；（2）将试样、金属网和收集器放入已恒温在180±2℃的干燥箱中，实验条件按照预浸料技术条件的规定。恒温时间结束，取出试样，放入干燥器中，冷却至室温；（3）迅速称量，精确至0.000 1 g，记作M2。

1.5 结果计算

挥发物含量测试结果按式（1）计算：

式中：Vc为挥发分含量，%；M0为金属网和收集器质量，g；M1为干燥前试样、金属网和收集器的质量，g；M2为干燥后试样、金属网和收集器的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 烘箱鼓风对挥发分测试结果的影响

预浸料挥发分含量实验方法（GB6056-1985）能够准确测试出环氧树脂体系碳纤维预浸料的挥发分，但由于氰酸酯在高温下良好的流动性，当试样放入高温烘箱后，预浸料中树脂类物质随着氰酸酯开始游动，在碳纤维预浸料挥发分测试实验时，需要考虑烘箱鼓风对挥发分测试结果的影响。

分别采用烘箱在鼓风和不鼓风的情况下测定氰酸酯体系碳纤维预浸料的挥发分，实验结果如表1和图1。可以明显看出，烘箱内是否开启鼓风挥发分含量测量结果存在影响，多数样品开启鼓风时挥发分测试结果高于没有开通鼓风时的测量结果。这是由于氰酸酯流动性较好，高温加热时呈现流动性的湿态，开启鼓风时，碳纤维预浸料在湿态下受热比较均匀，溶剂和小分子低聚物能够较彻底的挥发。

表1 氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分数据Table1 Volatile component of different cyanate ester resin carbon fiber prepreg samples

图1 鼓风是否开启对氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分的影响曲线Fig.1 Effects of volatile component of different cyanate ester resin carbon fiber prepreg samples in ovens with the blower on or off

2.2 收集器尺寸对挥发分测试结果的影响

基于氰酸酯高温下的流动性能，测试过程中需要在金属网的下面加入一个恒重后的收集器，这样在试样烘焙过程中，部分损失的溶质会回落到收集器上，不影响测试的最后结果。为此，在金属网尺寸为100 mm×100 mm的前提下，选择了直径分别为70 mm、80 mm、100 mm、110 mm的收集器，研究其尺寸对挥发分测试结果的影响，烘焙温度为180℃，烘焙时间为1 h。实验数据如表2和图2。

表2 不同收集器条件下氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分数据Table 2 Volatile component of different cyanate ester resin carbon fiber prepreg samples with weighing dishes of different diameters

图2 收集器尺寸对氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分的影响曲线Fig.2 Effects of volatile component of different cyanate ester resin carbon fiber prepreg samples in ovens with weighing dishes of different diameters

从图2、表2可以明显看出，收集器尺寸对氰酸酯体系碳纤维预浸料挥发分含量影响较大，不同尺寸收集器测试得到的挥发分数据存在差异，呈现出随着收集器尺寸逐渐变大，挥发分数据缓慢下降的趋势，尺寸为100 mm时，数据已经较为稳定。采用直径较小的收集器测试时，由于氰酸酯体系预浸料中因为氰酸酯的流动性强，在烘焙时碳纤维预浸料呈现出流动性的湿态，在相同堆积厚度和铺展面积的前提下，一些样品流动到收集器之外损失掉，造成测试结果偏大，收集器直径达到100 mm时，挥发分数据基本达到稳定值，此时受热挥发出的溶剂和小分子低聚物可以有效扩散，同时收集器也能较好的收集回落溶质。

3 结论

将规定量的碳纤维预浸料试样放入鼓风干燥箱中，加热至规定的温度，恒温一定时间以去除挥发物，根据加热前后试样的质量变化计算出挥发分含量。挥发分含量与试样堆积厚度、铺展面积、收集器尺寸等因素有关。试样堆积厚度小、铺展面积大时，受热挥发出的溶剂和小分子低聚物较容易挥发，在收集器能够较好收集回落的溶质前提下，挥发分测试结果较为准确。文章考察了鼓风和收集器尺寸对碳纤维预浸料挥发分的影响，可以得到结论：

（1）烘箱内开启鼓风时测得氰酸酯体系碳纤维预浸料的挥发分含量较大，碳纤维预浸料在湿态下受热比较均匀，溶剂和小分子低聚物能够较彻底的挥发；

（2）采用直径较大的收集器测得的挥发分含量比直径较小的收集器测得的数据小，在相同堆积厚度和铺展面积的前提下，收集器尺寸较小时，一些样品流动到收集器之外损失掉，造成测试结果偏大；收集器直径达到100 mm时，挥发分数据基本达到稳定值，此时受热挥发出的溶剂和小分子低聚物可以有效扩散，同时收集器也能较好地收集回落的溶质；

氰酸酯基体碳纤维预浸料挥发分含量的准确测试，不仅能够监测着碳纤维预浸料的质量好坏，而且控制着复合材料的成型工艺，使基体材料具有一定的黏性和流动性，便于铺叠，以降低复合材料的孔隙含量。不同实验条件对挥发分含量的影响规律能够为碳纤维预浸料挥发分含量的准确测定提供依据。

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EFFECTS OF MEASUREMENT ON VOLATILE COMPONENT OF CARBON FIBER PREPREG

ZUO Yang1，XIE Yu-ping2，SUN Shu1，KONG Jin1，YANG Yao-dong1
（1.Beijing Spacecrafts Beijing 100094，China；2.National Center for Protein Sciences Beijing 102206，China）

Volatile component can reflect viscosity and fluidity of matrix material，which is an important quality index of carbon fiber prepreg samples.And the measurement of the content of volatile component is critical，which confines the moulding process of composite and the end use of product.Volatile component of different carbon fiber prepreg samples were determined on different conditions.Tests were performed in ovens with the blower on or off and with weighing dishes of different diameters.According to the results of tests，effects of measurement on determination of volatile component in cyanate ester resin prepreg samples are investigated.Volatile component of carbon fiber prepreg samples is more in ovens with the blower on than with the blower off，and what’s more the less volatile component，the bigger weighing dishes of different diameters.

carbon fiber；prepreg；composite；volatile component；measurement

TQ342.742

A

1006-7086（2017）05-0301-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.010

2017-05-19

左洋（1985-），男，北京人，硕士，高级工程师，主要从事复合材料、胶粘剂、涂料的研制与检测。E-mail：zuoyangsky@163.com。