对位芳纶纸性能与工艺适应性、匹配性研究

罗玉清，王萌，陆志远，杨进军

(中航复合材料有限责任公司，北京 101300)

0 引言

间位芳纶纸蜂窝具有轻质、高强高模、阻燃、耐高温、低介电损耗等一系列优良性能，已广泛应用于航空、航天、高铁、船舶等领域[1]。对位芳纶纸蜂窝在模量上更具优势，未来的应用领域更广泛。

芳纶纸为蜂窝制作的重要原材料，主要性能有纵横向的抗张强度、伸长率、模量、表面强度等，对蜂窝的性能有重要影响[2]。同时，这些性能也会对其蜂窝加工工艺适应性产生影响。因此，需要对芳纶纸的性能与蜂窝加工工艺适应性的影响关系进行更加深入的研究，从统计分析结果上找出主成分因子与芳纶纸吸胶量、胶条线分离强度、胶条宽度存在的相关性关系，并由此建立芳纶纸工艺适用性评价的方法。这对于芳纶纸及其蜂窝制作领域具有现实的指导意义。

本文通过统计学软件分析对位芳纶纸的多项性能指标，使用主成分分析方法进行主成分提取，分别将得到的主成分与芳纶纸吸胶量、胶条线分离强度、胶条宽度进行相关性分析。结果表明，提取到的主成分因子与芳纶纸吸胶量、胶条线分离强度、胶条宽度存在较强的相关性，同时得到其相应的标准化回归方程，并由此建立了芳纶纸工艺适用性评价的方法。

1 研究过程及方法

1.1 主要原材料

主要原材料见表1。

表1 主要原材料

1.2 研究内容

对位芳纶纸的性能指标较多，下面选取了厚度、定量、紧度、抗张强度、伸长率、撕裂度、表面强度、透气度等26项性能作为研究内容(表2)。

表2 对位芳纶纸性能研究内容

1.3 测试方法

芳纶纸的性能测试方法见表3。

表3 对位芳纶纸性能测试方法

2 结果与分析

2.1 因子分析

对对位芳纶纸的26项性能进行主成分分析，分为6个主成分。各主成分名称及包含的成分详情见表4。

表4 各主成分名称及包含项目

2.2 蜂窝性能与芳纶纸性能相关性分析

根据因子分析结果，将芳纶纸6个主成分与蜂窝性能进行相关性分析，建立芳纶纸性能与蜂窝性能之间的关系，对芳纶纸的工艺适应性进行分析。基于二者之间的对应关系，确定其适宜的工艺参数，达到蜂窝制备的材料与工艺相互匹配的目的，以期使蜂窝性能能够达到最佳状态。

2.2.1 吸胶量相关性分析

芳纶纸蜂窝浸泡到浸渍树脂中后，芳纶纸会发生吸胶现象。吸胶量会随着时间的延长而增加并逐渐达到平衡，吸胶量的多少直接影响蜂窝产品的关键指标之一——密度。因此，研究吸胶量与芳纶纸性能的相关性就变得非常重要。

在16批次高拉伸级对位芳纶纸上分别取面积为0.01 m2的试样各3片，在试样上标明芳纶纸批号及试样编号，测量并记录每片试样的原始重量。准备密度为1.00 g/cm3的浸渍树脂，将16批次芳纶纸的试样1浸入胶液中60 s，捞出并晾置5 h以上，称重记录；试样2浸入到胶液中浸泡180 s，捞出并晾置5 h以上，称重记录；试样3浸入到胶液中浸泡300 s，捞出并晾置5 h以上，称重记录。试验数据见表5。

表5 芳纶纸吸胶量(g)试验结果

相关性分析表明，透气度与吸胶量相关性较高(表6)。浸泡60 s吸胶量与第六成分透气度相关性为0.708，为显著性相关。芳纶纸透气度越高，表明纤维间空隙大，吸胶量越高。吸胶量随着吸胶时间的增长逐渐达到平衡，吸胶时间无限延长时，吸胶相关性降低。在蜂窝制备中，需要根据芳纶纸透气度的高低调整吸胶时间。第五主成分伸缩性表现出相同的规律，伸缩性高的芳纶纸，一般纤维间空隙相对较高。第一主成分与吸胶量为负相关，通过与第一主成分各成分的相关性分析表明，紧度、平滑度与吸胶量为负相关，紧度大、平滑度高不利于吸胶量增大。

表6 芳纶纸主成分与吸胶量的相关性

使用SPSS软件分别对浸泡60 s、180 s、300 s的吸胶量与六个主成分的相关性进行线性回归分析，得到六个主成分对吸胶量的影响程度及趋势。

2.2.2 浸泡60 s吸胶量相关性分析

表7中F值是对整个回归方程的总体检验，对应的P值小于0.05认为回归方程有效。同时F值也是回归方程的显著性检验，表示的是模型中因变量与所有自变量之间的线性关系在总体上是否显著做出推断。若F>Fa(k,n-k-1)，则拒绝原假设，即认为列入模型的各个自变量联合起来对因变量有显著影响，反之，则无显著影响。其中n为芳纶纸批数，k为主成分个数。

表7 浸泡60 s吸胶量试验的方差分析表

结果显示，本次分析的回归模型具有统计学意义，F(1,6)=4.592，P=0.045<0.05，所以因变量和自变量间存在线性关系；F=4.592>Fa(6,9)=0.243 9，F值显著大于Fa(k,n-k-1)，所以自变量对因变量有显著影响。

B值表示各个自变量在回归方程中的系数，负值表示这个自变量对因变量有显著的负向影响。由表8数据，标准化的回归方程为：浸泡60 s吸胶量=-0.105-0.154×主成分1-0.255×主成分2-0.213×主成分3+0.350×主成分4+0.687×主成分6。

表8 浸泡60s吸胶量试验的系数表

2.2.3 浸泡180 s吸胶量相关性分析

试验结果显示，本次分析的回归模型具有统计学意义(表9)，F(1,8)=4.125，P=0.048<0.05，所以因变量和自变量间存在线性关系；F=4.125>Fa(6,9)=0.243 9，F值显著大于Fa(k,n-k-1)，所以自变量对因变量有显著影响。

表9 浸泡180 s吸胶量试验的方差分析表

由表10数据，标准化的回归方程为：浸泡180 s吸胶量=-0.574-0.744×主成分1+0.470×主成分3+1.012×主成分5。

表10 浸泡180 s吸胶量试验的系数表

2.2.4 浸泡300 s吸胶量相关性分析

结果显示，本次分析的回归模型具有统计学意义(表11)，F(1,8)=5.661，P=0.022<0.05，所以因变量和自变量间存在线性关系；F=5.661>Fa(6,9)=0.243 9，F值显著大于Fa(k,n-k-1)，所以自变量对因变量有显著影响。

表11 浸泡300 s吸胶量试验的方差分析表

由表12数据，标准化的回归方程为：浸泡300 s吸胶量=-0.238-0.728×主成分1-0.488×主成分2+0.474×主成分5。

表12 浸泡300 s吸胶量试验的系数表

2.3 胶条宽度、胶线强度相关性分析

在涂胶工序中，节点胶通过涂胶辊转移到PCF芳纶纸上，经过高温压制，节点胶固化，形成蜂窝节点，固化后胶条的宽度即为蜂窝孔格边长。蜂窝节点是是蜂窝拉伸成型的基础，是决定蜂窝孔格形成的关键因素。胶条宽度和胶条线分离强度是衡量蜂窝节点的两个主要指标。

通过SPSS对胶条宽度和胶条线分离强度与芳纶纸性能的相关性进行了分析，见表13。

表13 胶条宽度和胶条线分离强度与芳纶纸性能的相关性分析

分析结果表明，胶线宽度与浸泡60 s吸胶量和第6主成分显著负相关，吸胶量大，胶线宽度下降，透气度是主要影响因素。

胶线强度与胶线宽度为正相关，胶线宽度越大，胶线强度越高。胶线强度与吸胶度呈负相关，吸胶时间加长，负作用上升。同时，胶线强度与第二主要成分也为负相关。

2.3.1 胶条宽度与芳纶纸性能相关性分析

结果显示，本次分析的回归模型具有统计学意义(表15)，F(1,5)=7.13，P=0.034<0.05，所以因变量和自变量间存在线性关系；F=7.13>Fa(6,9)=0.243 9，F值显著大于Fa(k,n-k-1)，所以自变量对因变量有显著影响。

表14 胶条宽度与主成分线性回归的方差分析表

由表15数据，胶条宽度与芳纶纸主成分线性回归方程为：胶条宽度=1.725+0.026×主成分1-0.056×主成分6。

表15 胶条宽度与主成分线性回归的系数表

2.3.2 胶条线分离强度与芳纶纸性能相关性分析

结果显示，本次分析的回归模型具有统计学意义(表16)，F(1,4)=6.608，P=0.05，所以因变量和自变量间存在线性关系；F=7.13>Fa(6,9)=0.243 9，F值显著大于Fa(k,n-k-1)，所以自变量对因变量有显著影响。

表16 胶条线分离强度与主成分线性回归的方差分析表

由表17数据，胶条线分离强度与芳纶纸主成分线性回归方程为：胶条线分离强度=0.259+0.007×主成分1-0.017×主成分2-0.011×主成分4。

表17 胶条线分离强度与主成分线性回归的系数表

2.4 芳纶纸工艺适用性评价

2.4.1 胶条线分离强度评价

(1)将芳纶纸数据与本文原16批使用SPSS软件进行主成分分析，得出待评价芳纶纸各个变量的主成分值。

(2)将计算出的主成分值带入胶条线分离强度与芳纶纸主成分线性回归方程，得出胶条线分离强度值，按如下公式进行打分：

芳纶纸工艺适用性评分=100+(胶条线分离强度-0.4)×20

其中，当实测胶条线分离强度≥0.4 N/m时，蜂窝在拉伸定型等生产工序中不会出现节点开裂现象，芳纶纸胶条线分离强度工艺适用性评分为100分。

2.4.2 胶条宽度评价

(1)将芳纶纸数据与本文原16批使用SPSS软件进行主成分分析，得出待评价芳纶纸各个变量的主成分值。

(2)将计算出的主成分值带入胶条宽度与芳纶纸主成分线性回归方程，得出胶条宽度值，按如下公式进行打分：

芳纶纸工艺适用性评分=100+(胶条宽度-1.83)×20

其中，当实测胶条宽度越接近标准孔格尺寸(1.83 mm)，芳纶纸胶条宽度工艺适用性评分越高；偏离标准孔格尺寸越大，得分越低。

3 结论

(1)蜂窝浸胶过程中芳纶纸的吸胶量与第六主成分呈显著正相关关系。

(2)蜂窝涂胶过程中胶线宽度与第六主成分呈显著负相关关系。

(3)胶条线分离强度与胶条宽度为正相关。

(4)胶条线分离强度与主成分1正相关，与主成分2、主成分4呈负相关。

(5)按照本文方法建立了芳纶纸的工艺适应性评价的标准，为后续的实际生产提供了理论支持。