近年来，树脂传递模塑（Resin Transfer Molding，简称RTM）工艺在国内外得到了迅速发展。该工艺成型的复合材料制品涉及国防、航空、航天、建筑、交通、卫生、电子、体育等领域^[1]。日本强化塑料协会将RTM工艺和拉挤工艺一并推荐为二十一世纪有发展前途的两种复合材料成型工艺^[2]。

    国防科技大学利用RTM工艺成型的薄壁加筋结构FRP武器系统包装箱，已开始工业化生产。这种产品以重量轻、机动性好、密封性能优良、外型美观和性价比高等优点而广受青睐。随着新军事变革的深化，各国竞相研制高、精、尖武器系统，而武器性能越优良，对包装系统的要求就越高。例如高性能武器系统对包装箱的抗静电、防电磁要求已经提到了议事日程。

    众所周知，FRP具有良好的电绝缘性能，其体积电阻率为10¹¹～10¹⁵Ω・cm，与高分子抗静电材料标准要求的10⁶～10¹⁰Ω・cm^[3]有很大差距。树脂基复合材料的抗静电功能通常是在树脂基体中加入碳黑类导电填料来降低复合材料的体积电阻率。当采用RTM工艺时，这类粉末填料的加入往往致使树脂粘度增大或具有触变性、填料在树脂中分散不均匀、增强材料对填料的过滤、制品颜色单一等问题。为避免以上问题，本文结合实际情况，研究了在RTM专用树脂中添加抗静电剂对树脂粘度、凝胶时间、FRP体积电阻率和弯曲性能造成的影响，并采用RTM工艺成型了满足使用要求的抗静电包装箱。

    本文使用的原料与仪器详见表1和表2。

表1  实验所用的原料与试剂

原料名称	规格型号	生产单位
RTM专用树脂	PK-289PR	南京蒂斯曼公司
无碱玻璃纤维布	0.2mm、 0.4mm	江西省九江修水玻纤长 安徽省旌德县祥云玻纤长
表面毡	30g/m2	长沙玻璃纤维总厂
过氧化甲乙酮	工业纯	番禺福田化工有限公司
环烷酸钴	工业纯	番禺福田化工有限公司
JH型抗静电剂	工业纯	济南化工研究所
JHF型抗静电剂	工业纯	济南化工研究所

 

表2  实验用设备与仪器

仪器	规格型号	生产单位
RTM注射机	SP-85	美国格拉斯公司
旋转粘度计	NDJ-1	上海天平仪器厂
高位电阻仪	MS2675D型	南京民威电子仪器厂
电子万能实验机	Css-1011	长春实验机厂

2.2.1 抗静电剂用量对树脂粘度影响

    按照RTM专用树脂、颜料、固化剂、促进剂、JHF/JH型抗静电剂为100：1：3：1.5：0～5g质量比配制不同抗静电剂含量的RTM专用树脂。在搅拌速率为300r/min的条件下，将抗静电剂均匀分散到树脂中（必要时加热）。用NDJ-1旋转粘度计，按国标GB7193.1-87测试树脂粘度及粘度随时间的变化。

2.2.2 抗静电剂对树脂凝胶性能的影响

    依据国标GB7193.6-87测试不同含量抗静电剂的RTM专用树脂的凝胶时间。

2.2.3 抗静电FRP的制备、材料体积电阻率及弯曲性能的测试

    配制不同抗静电剂含量的RTM专用树脂，按照与包装箱相同的工艺制备FRP试件。依据国标GB1410-89、GB1449-83要求加工、测试材料的体积电阻率和弯曲性能。

2.2.4 抗静电包装箱体的制备及性能考核

    按照薄壁加筋结构FRP特种包装箱体的工艺要求制作FRP包装箱^[4]。依据国标GB1410-89、GB1449-83要求制备试件，测试箱体材料的体积电阻率和弯曲性能。按照包装箱密封性能要求测试密封性能^[4]。

    因JHF型抗静电剂常温下是一种黄色油状液体，粘度（200mPa・s）低于RTM专用树脂粘度（526mPa・s），所以加入JHF型抗静电剂后树脂粘度略有下降。随着JHF型抗静电剂用量的不断增加，RTM树脂粘度逐渐降低。见表3。而JH型抗静电剂在常温下是一种白色片状、低熔点（40～50℃）固体，通过加热树脂（略高于50℃）可将JH型抗静电剂溶解在树脂中，形成溶液，不像其它固体添加剂分散在树脂中形成悬浮液。所以随着JH型抗静电剂用量的增加，树脂粘度逐渐增大，但增加幅度不大。

表3  抗静电剂用量对RTM专用树脂粘度的影响（20℃）

抗静电剂用量/wt%	0	1	2	3	4	5	100
含JHF树脂粘度/mPa・s	526	517	515	515	513	510	200
含JH树脂粘度/mPa・s	526	540	588	620	670	730	－

    根据实际RTM注射操作经验，当树脂的粘度大于600mPa・s时注射变得困难。由表3可知，在RTM专用树脂中单独添加任意用量的JHF型抗静电剂或少于3wt％的JH型抗静电剂，粘度都能满足RTM注射的要求。

    树脂添加助剂后，有时树脂在一定时间内会出现“增稠”现象，甚至使树脂丧失流动性。为了了解JH、JHF抗静电剂对树脂粘度时效性的影响，分别测试了含5wt％JHF、2wt％JH型抗静电剂的RTM专用树脂粘度随时间的变化，结果见表4。

表4  添加抗静电剂后，树脂粘度随时间的变化（20℃）

时间/day	1	2	3	4	5	6	7
纯树脂粘度/mPa・s	526	528	528	530	531	534	535
含5wt％JHF树脂粘度/mPa・s	510	512	513	517	517	518	520
含2％JH树脂粘度/mPa・s	540	547	547	548	550	553	555

    由表4可知，加入JHF或JH型抗静电剂之后的7天内，树脂粘度变化很小。说明JHF或JH型抗静电剂对RTM专用树脂没有明显增稠作用。

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    为了解抗静电剂对树脂固化过程的影响，测试了在促进剂1.5wt％、固化剂3wt％的配比下，添加不同用量抗静电剂后树脂的凝胶时间，如表5所示。

表5  抗静电剂用量对RTM专用树脂凝胶时间的影响（20℃）

抗静电剂用量/wt%	0	1	2	3	4	5
含JHF树脂凝胶时间/min	14	18	24	27	31	35
含JH树脂凝胶时间/min	14	15	17	18	19	20

    从表5可以看出，在促进剂、固化剂比例固定的情况下，树脂凝胶时间随抗静电剂比例的增加而延长，说明抗静电剂对RTM树脂有阻聚作用。这可能是由于抗静电剂中含有少量苯二酚类或对苯醌类的有机物，它们与钴盐或过氧化物反应形成稳定的化合物，从而影响树脂的聚合，延长树脂的凝胶时间。比较可知，JHF型抗静电剂对RTM树脂的阻聚作用比JH型明显。了解抗静电剂对树脂凝胶时间的影响，有利于包装箱生产过程中对树脂凝胶时间的控制。

    加入JHF、JH型抗静电剂后，FRP的体积电阻率对数(lgρ_v/Ω・cm)随抗静电剂用量变化的曲线如图1所示。由图1可知，随着两种抗静电剂用量的增加，FRP的体积电阻率呈非线性下降。当JHF用量小于2wt％、JH用量小于4wt％时，FRP的体积电阻率随抗静电剂用量增加迅速下降，高于该值，抗静电剂用量对FRP的体积电阻率影响不大。因此，对于RTM专用树脂，JHF型抗静电剂的渗域阀值^[5]是4wt％，JH型抗静电剂的渗域阀值为2wt％。

    从图1（图略）中还可看出，JHF型抗静电剂对FRP抗静电性能的改善明显优于JH型。前者在渗域阀值时，体积电阻率达到了1MΩ・cm，而后者为10⁴MΩ・cm。这是由于JHF型抗静电剂是一种季铵盐类阳离子型抗静电剂，可直接通过自身提供导电离子，导电通道的导电效率高；而JH型抗静电剂是属于非离子型抗静电剂，它的抗静电机理是在材料表面形成抗静电剂分子层，吸附空气中的微量水分，形成静电荷泄漏通道。非离子型抗静电剂导电性不如阳离子型抗静电剂，但相容性和热稳定性好。

    包装箱的密封性能取决于箱体材料的刚度。本文对添加不同用量抗静电剂后的FRP弯曲性能进行了研究，结果列于表6。

表6  抗静电剂对FRP弯曲性能的影响

抗静电剂用量/wt%		0	1	2	3	4	5
添加JHF型	弯曲强度/MPa	175	167.1	150	130.9	112.9	102.1
	弯曲模量/GPa	14	12.7	11.6	10.8	10.4	9.7
添加 JH型	弯曲强度/MPa	175	171.3	160	135.7	132	129
	弯曲模量/GPa	14	14	13.2	12	11.2	10.4

    JHF型抗静电剂对材料弯曲性能的影响较大。当JHF型抗静电剂用量为4wt％时，FRP的弯曲强度保留64.5％，模量保留77.1％。相比之下，当JH型抗静电剂用量在2wt％以下，材料弯曲强度和模量变化不大，当其用量达到5wt%时，材料弯曲强度保留73.6％，模量保留74.3％。

    以上结果表明，添加一定量的JH型或JHF型抗静电剂都能满足包装箱的抗静电要求。但这两种抗静电剂都不能使包装箱材料在较高的刚度时，材料的体积电阻率保持在较低的水平。因而本文进一步研究了JHF～JH复合抗静电剂对包装箱材料的力学、抗静电性能影响。

    在保证抗静电复合材料刚度较高的同时，尽量降低包装箱体积电阻率这一原则下，设计了下面一组试验，结果列于表7。

表7  JHF～JH组合抗静电剂与FRP的性能关系（20℃）

试验编号	1	2	3	4
JH用量/wt％	2	2	2	2
JHF用量/wt%	1	2	3	4
树脂粘度/mPa・s	586	576	576	570
电阻率/MΩ・cm	87	6	1.6	0.8
弯曲强度/MPa	156	145	130	104
弯曲模量/GPa	13.4	12.2	11.3	10.8

    从表7可知，四组配方的RTM专用树脂粘度都满足RTM工艺要求；从弯曲性能来看，1、2号配方的材料弯曲性能较好。从导电性能来看，2、3、4号配方的导电性能较好，其体积电阻率都在10MΩ・cm 以下。2号配方为佳配方。

    按照上述配方配制RTM树脂，制备2套抗静电FRP包装箱箱体。测得箱体材料的平均体积电阻率为6.7MΩ・cm，满足包装箱抗静电要求；材料的平均弯曲强度为146MPa、模量为12.3GPa，都保留在80％以上。

    实际测试包装箱密封性能，当内充0.02MPa（密封要求的充气压力）压力时，包装箱在水下放置30分钟无气泡冒出，满足包装箱的使用要求。

    通过以上一系列试验可得到如下几点结论：

    （1）常温下，添加低于2wt％JH或5wt％JHF型抗静电剂的RTM树脂的粘度在七天内都保持在600mPa・s以下，满足RTM工艺注射要求。

    （2）JH、JHF型抗静电剂的渗域阀值分别为2wt%和4wt%。

    （3）按照2wt％JH和2wt％JHF型抗静电剂组合抗静电体系配方制备FRP包装箱，测得其体积电阻率6.7MΩ・cm；箱体的弯曲性能保留在80％以上，满足包装箱的密封性能要求。

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[1]  Kevin Potter． Resin Transfer Molding(Book)[M]．Chapman & Hall Press, London, 1997．

[2]  陈刚．RTM工艺国内外发展状况． 玻璃钢， 1994，（3）：12~14

[3]  蔡碧华．抗静电塑料的应用与展望． 高分子材料科学与工程． 1987,（6）：6~14

[4]  张长安等．薄壁加筋结构FRP特种包装箱体的制备．玻璃钢/复合材料，2003，（1）：33~35

[5]  杨小利．导电FRP的研究．玻璃钢/复合材料，1997，（5）：28~29

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SUN Bao-gang，ZHANG Chang-an，ZENG Jing-cheng，WANG Chun-qi

(National University of Defense Technology,  Changsha 410073,  China)

    Abstract：The influences of JH and JHF on the RTM resin properties i.e its viscosity and gelation time, as well as its FRP properties i.e the volume resistivity and flexural properties, were studied. It is showed that the influence of JH and JHF on the RTM resin is in evidence, and the resin viscosity is under 600mP・s with 2wt% JH and 2wt% JHF. This formula can meet the needs of RTM process and antistatic property of FRP. The volume resistivity of the composite package case is 6.7MΩ・cm, while the flexural properties of the FRP fall more greatly than the original sample and remained 80% of the latter’s.

    Keywords: antistatic agent；Viscosity；RTM；the FRP package