芯条胶、芳纶纸对芳纶蜂窝涂胶工艺和性能的影响研究

杜永华 许光群 周慧慧 孙达

芜湖创联新材料科技有限公司 安徽 芜湖 241199

引言

芳纶蜂窝成型过程包括芳纶纸涂胶、铺叠、叠层板压制、切割、拉伸展开、定型、浸胶、净化、固化、去余料、片切、检测等步骤[1-2]。芳纶纸涂胶、叠合过程是芳纶蜂窝芯材成型的第一步也是关键一步[3]。相比其他工序，涂胶过程工艺参数复杂、控制难度大，芳纶纸涂胶结果的情况直接影响芳纶蜂窝性能。

芯条胶和芳纶纸是涂胶过程原材料，也是蜂窝成型过程的重要原材料。对芯条胶和芳纶纸性能、质量进行把控可以有效避免蜂窝芯材的节点黏结力差、节点强度低、蜂窝孔格不规整、质量不均匀等缺陷[4]。

1 芯条胶

芯条胶就是节点胶，在蜂窝成型过程中起到将相邻芳纶纸黏结在一起的作用。芯条胶的黏度、杂质和所选型号等都会对涂胶工艺产生影响，国内专家学者针对芳纶蜂窝芯条胶进行了广泛的研究。

罗玉清等人研究了SY13-2高温固化芯条胶的黏度对蜂窝节点强度的影响。当黏度范围为20-25s时，制作的蜂窝节点强度较高，工艺性较好。对芯条胶黏度进行合理调控有利于提高蜂窝节点强度，芯条胶黏度过大，容易出现拉丝的现象，丝状的芯条胶容易散布在本不应该涂胶的空白区域，出现孔格变形、制成的蜂窝不规整的现象。而芯条胶黏度太小也会出现黏结力差，蜂窝规整性不好的现象。芯条胶的固化性能、化学组成等参数也会对节点强度产生影响，这些参数主要取决于芯条胶厂家。针对芯条胶型号，罗玉清等人对SY13-2B型号的芯条胶和SY13-2A型号芯条胶进行了进一步的对比研究，结果发现，使用SY13-2B型号的芯条胶比使用SY13-2A型号芯条胶制造的蜂窝具有更高的节点强度。

郑付来等人[5]针对芯条胶黏度对蜂窝节点强度和其他力学性能的影响展开了研究，使用国产J80芯条胶和YT822芳纶纸制备了芳纶蜂窝，发现随着J80芯条胶胶液黏度的升高，其对国产YT822芳纶纸的浸润性呈现先升高后降低的趋势，当J80胶液黏度为25s时对YT822具有最好的浸润性，蜂窝具有最高的剪切强度和节点强度。

中航复材刘文品等人[6]展开了蜂窝节点强度与芳纶纸透气度、涂胶速度和芯条胶胶液黏度三者关系的研究。针对国产芳纶纸的特点，建立了纸张透气度/涂胶速度/芯条胶黏度与蜂窝节点强度关系的模型并进行了验证。当其他条件一定时，蜂窝节点强度与芯条胶黏度成正比：

其中：为蜂窝节点强度；η为芯条胶黏度。

根据数值模拟和在生产过程中蜂窝的节点强度Nb≥4的要求，计算得出下式结果：

其中：为芳纶纸透气度；为涂胶速度；为芯条胶黏度。

刘文品等人通过具体实验验证，证明了这个结论的可行性，该公式可为工艺设计提供指导。

除了芯条胶的黏度和型号会影响蜂窝性能和涂胶工艺，芯条胶的杂质含量过多也会对芯条胶黏结力和蜂窝节点强度产生影响。杂质含量高，黏结力低，节点强度低。为减少胶液中杂质的含量，涂胶前应对芯条胶进行过滤操作，保证芯条胶的黏结力和后续工序的顺利进行。

2 芳纶纸

芳纶纸是芳纶蜂窝制造的重要原材料，结构致密，表面平滑，柔韧性好，具有良好的抗张和抗撕裂性能。芳纶纸的分子是由酰胺键相互连接的芳基所构成的线型大分子。在它的晶体中，由于较强的氢键作用，使之结构稳定，具有优良耐化学性[7-10]。

芳纶纸由芳纶的短切纤维（2～12mm）和沉析纤维（浆粕）（0.2～1mm）为造纸原料制成[11]。短切纤维提供芳纶纸的机械强度和力学性能，浆粕作为基体起到提高短切纤维黏结力和提高其他性能的作用[12]。按照芳纶纤维分子结构不同芳纶纸也可以分为对位芳纶纸、和间位芳纶纸[13]。目前用于制造芳纶蜂窝的原材料以间位芳纶纸最为普遍[14]。

芳纶纸的性能参数直接影响了蜂窝芯材的产品性能。芳纶纸的孔隙率和透气度、芳纶纸强度和芳纶纸定量等都会对涂胶工艺产生影响，近些年，国内学者针对芳纶纸参数对涂胶工艺和蜂窝性能的影响进行了广泛的研究。

2.1 芳纶纸孔隙率、透气度

国内外研究学者研究发现，相同条件下，选择浸润性好的芳纶纸有助于提高纸张浸胶时的上胶量，而芳纶蜂窝的上胶量增加可以有效提高蜂窝的压缩模量、剪切模量、接触力峰值和抗穿透能力。

单独从节点强度考虑，刘文品等人使用J80芯条胶和国产X612N-2mil芳纶纸进行研究，提出理论模型并通过实验进行验证，在其他条件不变的情况，纸张透气度和节点强度成正比例关系：

蜂窝节点强度（Nb）与纸张透气度（T）的关系：

因此，选择透气度较大的芳纶纸制造的蜂窝具有较高的节点强度，蜂窝也具有更高的力学性能。

同时，解决芳纶纸孔隙率过大带来的负面影响也是国产芳纶纸的应用要面临的较为严峻的问题。

当选择孔隙率、透气度过大的芳纶纸时，①在涂胶、压制时芯条胶会浸透芳纶纸，使叠层板纸张之间相互粘连，影响后续压制、拉伸工序的顺利进行，造成芳纶蜂窝报废。②孔隙率、透气度大的芳纶纸在浸胶时纸张内部浸入较多酚醛树脂，会造成蜂窝断裂伸长率低、韧性差、脆性过大的问题。③孔隙率高还会导致涂胶压制后白蜂窝密度高，降低成品蜂窝树脂的增量，影响芳纶蜂窝力学性能。

因此选择芳纶纸的孔隙率、透气度和吸水性时，要同时考虑其对蜂窝性能的正面和负面影响。解决孔隙率和透气度过大对芳纶蜂窝性能提升和制造工艺产生的影响至关重要，可以从提高纸张的纤维强度和避免胶液对纸张的完全浸透方面考虑。

2.2 芳纶纸强度

国内外研究表明，芳纶纸力学性能直接影响了芳纶蜂窝的力学性能，选用抗张强度（纵、横向）、撕裂强度（纵、横向）、断裂伸长率（纵、横向）、弹性模量（纵、横向）和表面强度（纵、横向）高的芳纶纸有利于制造出力学性能优良的芳纶蜂窝。研究表明[15-17]：芳纶纸的抗张强度对蜂窝L向剪切强度、压缩强度影响明显；芳纶纸的弹性模量对蜂窝剪切模量影响明显；芳纶纸的表面强度对蜂窝节点强度影响明显。通过控制芳纶纸基结构的力学性能能够有效保证蜂窝的主要力学性能，而芳纶纸纤维性能、热压工艺、树脂性能、纸张成型工艺等都是芳纶纸的力学性能的影响因素。

2.3 芳纶纸定量

芳纶纸定量指的是单位面积芳纶纸的重量。根据TOM提出的理论模型[18-22]，孔格边长一定时，正六边形白蜂窝密度成正比：

其中：为白蜂窝密度；为芳纶纸定量；为孔格边长。

刘文品等人研究了X612N芳纶纸定量对白蜂窝密度的影响，通过实验验证得到了不同孔格边长白蜂窝的密度与芳纶纸定量的关系，得到以下结论：

当孔格边长1.83mm：

其中：为白蜂窝的密度； 为芳纶纸定量。

研究结果与TOM等人的结论不一致，原因可能是理论计算是理想状态，忽略了实际生产时的某些因素。在实际生产过程中，由于温度、涂胶和拉伸的不均匀，造成蜂窝形状不规整和不均匀的误差，使蜂窝的实际体积和理论体积存在差距。

结果表明，相同孔格边长时，芳纶纸定量与白蜂窝密度呈正比例关系，而白蜂窝密度直接影响了蜂窝浸胶时的上胶量，影响蜂窝的力学性能。芳纶纸的定量越大，白蜂窝密度越大，浸胶时的上胶量小，蜂窝力学性能就越差。在不考虑其他方面因素时，白蜂窝定量过大会对蜂窝力学性能产生负面影响。

2.4 其他

除了芳纶纸透气度、定量、强度会影响芳纶蜂窝性能外，中航复材罗玉清等人还对其他因素进行了实验探究和数值模拟。结果表明，芳纶纸的紧度、平滑度和伸缩性也会对芳纶纸的吸胶量产生影响，进而影响芳纶蜂窝的性能。芳纶纸的紧度和平滑度越大，芳纶纸的吸胶量越小；芳纶纸的收缩率越高，吸胶量越大[23]。

3 结束语

芯条胶用于黏结相邻芳纶纸，芯条胶的黏度、杂质含量和所选含量都会影响其黏结性，进而影响白蜂窝和成品蜂窝的节点强度。

芳纶纸的性能对蜂窝力学性能影响较大，芳纶纸的纸张强度、孔隙率、透气度、定量等都会影响蜂窝的力学性能，其中孔隙率和透气度对蜂窝浸胶时的上胶量影响较大。

芳纶纸和芯条胶等原材料性能会对浸胶时的上胶量、后续工艺的正常进行以及蜂窝的性能产生影响。通过对原材料参数进行合理设计可以有效保证后续工艺的顺利进行和蜂窝的力学性能。