提高真空灌注部件的表面质量
一个欧洲项目组研究了决定真空灌注工艺制成的复合材料层压板表面质量的因素。Ahlstrom公司的Rainer Bergstrom、亚什兰复合材料聚合物的Olli Piioinen和Miktech的Antti Ylhainen阐述了他们的研究结果。
真空灌注作为大型复合材料部件（如船身）的制造工艺，其应用已越来越广泛。但与手糊制品相比，有缺陷的表面质量阻碍了真空灌注工艺的推广。例如，在船艇制造业，表面外观是一个重要的质量因素。
有许多因素会影响表面质量，例如树脂收缩和增强材料的光滑度。有几种方法可以解决这一问题，表皮层是目前常用的方法。表面层是由手工铺放的一层材料，用于防止纤维透印。表面层在由真空灌注制成的大多船艇中都有应用。但这提高了挥发性有机化合物（VOC）的释放量，也为制造工艺增加了一个额外的步骤。这些减弱了真空灌注所带来的优势。因此，市场需要一种不使用表面层而得到良好灌注表面质量的方法。
测定表面质量
表面外观是很难测定的，因其通常是基于主观判断的。通常，光滑的表面比粗糙的质量更好，但既然这是由人类的眼睛决定的，那么在不同的条件下，外观可能不同。除了层压结构本身，可能影响外观的因素有周围的光线、观察角度、颜色、光泽度等。然而，尽管存在这些影响因素，也应该有可能测定表面质量。
Fries Research & Technology公司制造的MicoProf® 是一款多功能的模块化测量工具，适用于许多产品。该工具为工业产品的检测而设计，具有全面的表面测量系统，用于厚度、粗糙度、磨损和许多其他性质的无损检测。MicoProf 已被证实为层压表面质量评估的有用工具。除了数字式的数据，它还可以产生一个表面的三维图像，这对想要了解是哪一层增强材料导致了这种表面状况的情形是非常有用的。在这个工具中，测定的是两个参数：Ra和Wa，分别代表平均粗糙度和弯曲度。
其他两个商业化的表面分析方法也经过了测试。Byk-Gardner公司的Wavescan DOI是一款手持式的测量设备，广泛应用于汽车行业的喷涂表面评估。它使用非常简便，适用于平坦和弯曲的表面。但它只能测量线性轮廓，不能从所测定的数据产生三维图像。
亚什兰公司开发并取得了的ALSATM表面分析仪是测定纤维增强塑料板的专有技术。ALSA已在汽车行业获得了广泛认可。 [-page-]
这两种工具的测量结果与MicoProf的测定结果非常相似，但在这三者之中，MicoProf是功能多的分析工具。
关联性
纤维的透印可能是与复合材料部件表面质量相关的常见的问题。在船艇行业中，经常会使用夹层结构，芯材的方形斑纹也可能在表面上非常清晰的显露出来。由于观察表面时所处距离的不同，这两个问题的明显性也会不同。例如，当近距离观察层压板时，纤维的透印问题就更明显，而远距离时方形斑纹问题就更明显。在测量表面质量时，很重要的一点是，测量结果要与实际的观察结果一致。
因此，在项目的一开始，眼睛的视觉结果与数字化的轮廓数据就作了对比。一套参考用层压板先由一个评估小组进行评定，层压板根据自身的外观被定为1到5五个等级。然后相同的层压板由MicroProf进行扫描，所得结果与评估小组的结果相比较。后发现，Ra值与纤维透印、Wa值与方形斑纹之间存在很好的关联性，因此，该方法被证实是可靠的（图1）。
层压板的固化
层压板的表面质量会随着时间降低，纤维的透印问题会变得越来越明显，这是树脂收缩的结果。这一问题可能非常严重，尤其是在部件暴露于高温，如强烈的阳光时。热固性树脂部件如果没有正确的后固化步骤，总是会有一些残余的反应活性。没有完全固化的树脂会继续交联，因此产生收缩，对表面质量产生影响。 [-page-]
在该项目中，层压板的固化在实验室的测试间人为进行。层压板脱模后在室温下放置24小时，然后在40℃后固化16小时。这相当于层压板在室温下固化很长时间。后，为确保层压板完全固化，将其在80℃放置16小时。每个固化步骤之后，层压板都用MicroProf进行扫描（图2）。
这一固化方法经证实是可行的。对比结果显示，在真实的室外环境中后固化1个月的层压板其Ra值变化与在实验室中固化的层压板相同，而实验室固化的弯曲数据要高一点。这很可能是因为80℃的温度超出了PVC泡沫芯材的高加工温度，导致其断裂。这在层压板表面显示为棋盘状的方格。但需注意的是市场上有加工温度更高的PVC泡沫（图3）
[-page-]
树脂的比较
树脂的收缩是层压板表面纤维透印的主要原因。收缩本身取决于树脂类型、苯乙烯含量等。为确定树脂间的差别，研究人员使用亚什兰的树脂由真空灌注工艺制成了一套层压板。每个层压板所用的增强材料是相同的，工艺参数也在制作过程中尽量保持恒定。所选树脂都是专门用于船艇行业的，这一系列树脂包括邻苯二甲酸聚酯（不饱和聚酯）、新一代的环戊二烯二聚物（DCPD）和AME® 低收缩乙烯基酯。出于好奇，新一代的低收缩树脂（Aropol® NLN 71500）也被用于该实验中，尽管低收缩树脂并不适合所有的船艇应用。层压板在实验室内的每个固化步骤之后，其表面质量由MicroProf 测定。
结果清楚地显示，树脂之间存在很大差别。不出意料，传统的邻苯树脂具有差的表面质量，其与DCPD和AME树脂的差别是显而易见的，这是由于后者具有优化的固化性能和低苯乙烯含量。通常，DCPD和AME性能相似。正如预期，低收缩树脂表现出好的性能（图4）。
增强材料的比较
这些实验中所用的增强材料以10米摩托艇所需的夹层结构表皮厚度为准则。层压板厚度大约为3.5毫米，由各种±45°和0°/90°的非卷曲缝编多轴织物（NCF）构成。特殊的表面增强材料（SR）被用于掩藏下层材料引起的纤维透印。
尽管纤维透印的主要原因是树脂的收缩，但所用的增强材料种类也有影响。许多情况下，为优化力学性能，制造商倾向于采用具有良好力学特性的单向或双轴向增强材料，但它们与短切原丝毡相比装饰性不足，表面质量不好。增强材料越光泽，层压材料的表面质量越好。但光滑的纤维并非总具有好的操作性，因此必须找到一种折衷方案。[-page-]
图5显示了层压方式和增强材料类型对表面质量的影响。手糊工艺中，在两层短切毡后增加±45°的NCF层使得表面质量更差。真空灌注中，同样的增强材料得到的表面质量真得很差，用定制的表面增强材料替代短切毡，表面质量有所改善。真空灌注的层压板与手糊制成的进行比较后发现，为得到好的表面质量，灌注层压板需要一层额外的屏敝涂层。
选择――表面层和屏蔽涂层
真空灌注要得到光滑的表面仍旧需要某种表面改善层，以防止纤维的透印。今天，使用真空灌注工艺的大多船艇制造商依赖于表面层。表面层通常由几层短切毡和高质的低收缩树脂组成。除了提高表面质量，表面层还用于提高水解稳定性，确保胶衣和层压板本身能够很好地粘接。对于大型部件，在灌注开始之前表面层可以提供更好的工作时间将增强材料放置到模具中。过去这些年，使用表面层已变得非常普遍，甚至成为真空灌注工艺的一部分。
屏蔽涂层是涂敷在胶衣之后用于防止层压板水解的一层额外的涂层。高质量的屏蔽涂层通常是乙烯基酯基的。由于屏蔽涂层是无增强材料的，因此可以喷涂到模具上。屏敝涂层还可以有效防止纤维的透印，因此是表面层的良好替代品。
为确定表面层和屏敝涂层对灌注的层压板的影响，研究人员又生产出了一些实验用层压板，它们是典型的船身用夹层结构，以PVC泡沫为芯材。这批层压板包括四种：种无表面涂层和屏蔽涂层的；第二种以AM E6000 T 35为表面层；第三种以AME VPRO为屏蔽涂层；第四种同时具有AME VPRO屏蔽涂层和AME 6000 T 35表面层。为作对比，手糊制造了一个短切毡层压板作为参照。层压板采用与之前一样的方法进行固化，每一个固化步骤之后，用MicroProf测定表面质量。胶衣和屏蔽涂层厚度在制造过程中得以检测，目标分别为湿厚度0.8毫米和0.7毫米。表面层由两层300 g/m2的短切毡构成，其目标固化厚度大约为1毫米。[-page-]
结果显示，层压板之间存在明显差别。表面涂层对纤维透印的影响可以从Ra值的下降看出来。AME VPRO屏蔽涂层很好地防止了纤维透印，因此层压板结构的终Ra值与手糊短切毡层压板相近。在AME VPRO屏蔽涂层上增加表面层对纤维透印并没有显著影响（图6）。
结论
后固化和随后的树脂收缩影响了灌注层压板的终表面质量。这可可能是层压板表面的一种斑纹，通常称作纤维透印。迄今为止，大多数采用真空灌注工艺的制造商还在使用表面层，以防止纤维透印。
在这一项目中，灌注层压板的表面质量得以观测，改进方法也得以开发。MicroProf三维表面光度仪用于测定表面质量，低收缩树脂和特殊的表面增强材料也被用于测试。所进行的实验中，后固化在实验室中模拟完成。研究结果表明，低收缩树脂和光滑的增强材料比传统的树脂/增强材料组合产生了更好的表面质量。另外，AME VPRO屏蔽涂层比表面层更有效地防止了纤维透印，这表明，在真空灌注工艺中，不使用表面层也有可能获得与传统手糊工艺相同的表面质量。
真空灌注作为大型复合材料部件（如船身）的制造工艺，其应用已越来越广泛。但与手糊制品相比，有缺陷的表面质量阻碍了真空灌注工艺的推广。例如，在船艇制造业，表面外观是一个重要的质量因素。
有许多因素会影响表面质量，例如树脂收缩和增强材料的光滑度。有几种方法可以解决这一问题，表皮层是目前常用的方法。表面层是由手工铺放的一层材料，用于防止纤维透印。表面层在由真空灌注制成的大多船艇中都有应用。但这提高了挥发性有机化合物（VOC）的释放量，也为制造工艺增加了一个额外的步骤。这些减弱了真空灌注所带来的优势。因此，市场需要一种不使用表面层而得到良好灌注表面质量的方法。
测定表面质量
表面外观是很难测定的，因其通常是基于主观判断的。通常，光滑的表面比粗糙的质量更好，但既然这是由人类的眼睛决定的，那么在不同的条件下，外观可能不同。除了层压结构本身，可能影响外观的因素有周围的光线、观察角度、颜色、光泽度等。然而，尽管存在这些影响因素，也应该有可能测定表面质量。
Fries Research & Technology公司制造的MicoProf® 是一款多功能的模块化测量工具，适用于许多产品。该工具为工业产品的检测而设计，具有全面的表面测量系统，用于厚度、粗糙度、磨损和许多其他性质的无损检测。MicoProf 已被证实为层压表面质量评估的有用工具。除了数字式的数据，它还可以产生一个表面的三维图像，这对想要了解是哪一层增强材料导致了这种表面状况的情形是非常有用的。在这个工具中，测定的是两个参数：Ra和Wa，分别代表平均粗糙度和弯曲度。
其他两个商业化的表面分析方法也经过了测试。Byk-Gardner公司的Wavescan DOI是一款手持式的测量设备，广泛应用于汽车行业的喷涂表面评估。它使用非常简便，适用于平坦和弯曲的表面。但它只能测量线性轮廓，不能从所测定的数据产生三维图像。
亚什兰公司开发并取得了的ALSATM表面分析仪是测定纤维增强塑料板的专有技术。ALSA已在汽车行业获得了广泛认可。 [-page-]
这两种工具的测量结果与MicoProf的测定结果非常相似，但在这三者之中，MicoProf是功能多的分析工具。
关联性
纤维的透印可能是与复合材料部件表面质量相关的常见的问题。在船艇行业中，经常会使用夹层结构，芯材的方形斑纹也可能在表面上非常清晰的显露出来。由于观察表面时所处距离的不同，这两个问题的明显性也会不同。例如，当近距离观察层压板时，纤维的透印问题就更明显，而远距离时方形斑纹问题就更明显。在测量表面质量时，很重要的一点是，测量结果要与实际的观察结果一致。
因此，在项目的一开始，眼睛的视觉结果与数字化的轮廓数据就作了对比。一套参考用层压板先由一个评估小组进行评定，层压板根据自身的外观被定为1到5五个等级。然后相同的层压板由MicroProf进行扫描，所得结果与评估小组的结果相比较。后发现，Ra值与纤维透印、Wa值与方形斑纹之间存在很好的关联性，因此，该方法被证实是可靠的（图1）。
层压板的固化
层压板的表面质量会随着时间降低，纤维的透印问题会变得越来越明显，这是树脂收缩的结果。这一问题可能非常严重，尤其是在部件暴露于高温，如强烈的阳光时。热固性树脂部件如果没有正确的后固化步骤，总是会有一些残余的反应活性。没有完全固化的树脂会继续交联，因此产生收缩，对表面质量产生影响。 [-page-]
在该项目中，层压板的固化在实验室的测试间人为进行。层压板脱模后在室温下放置24小时，然后在40℃后固化16小时。这相当于层压板在室温下固化很长时间。后，为确保层压板完全固化，将其在80℃放置16小时。每个固化步骤之后，层压板都用MicroProf进行扫描（图2）。
这一固化方法经证实是可行的。对比结果显示，在真实的室外环境中后固化1个月的层压板其Ra值变化与在实验室中固化的层压板相同，而实验室固化的弯曲数据要高一点。这很可能是因为80℃的温度超出了PVC泡沫芯材的高加工温度，导致其断裂。这在层压板表面显示为棋盘状的方格。但需注意的是市场上有加工温度更高的PVC泡沫（图3）
[-page-] 树脂的比较
树脂的收缩是层压板表面纤维透印的主要原因。收缩本身取决于树脂类型、苯乙烯含量等。为确定树脂间的差别，研究人员使用亚什兰的树脂由真空灌注工艺制成了一套层压板。每个层压板所用的增强材料是相同的，工艺参数也在制作过程中尽量保持恒定。所选树脂都是专门用于船艇行业的，这一系列树脂包括邻苯二甲酸聚酯（不饱和聚酯）、新一代的环戊二烯二聚物（DCPD）和AME® 低收缩乙烯基酯。出于好奇，新一代的低收缩树脂（Aropol® NLN 71500）也被用于该实验中，尽管低收缩树脂并不适合所有的船艇应用。层压板在实验室内的每个固化步骤之后，其表面质量由MicroProf 测定。
结果清楚地显示，树脂之间存在很大差别。不出意料，传统的邻苯树脂具有差的表面质量，其与DCPD和AME树脂的差别是显而易见的，这是由于后者具有优化的固化性能和低苯乙烯含量。通常，DCPD和AME性能相似。正如预期，低收缩树脂表现出好的性能（图4）。
增强材料的比较
这些实验中所用的增强材料以10米摩托艇所需的夹层结构表皮厚度为准则。层压板厚度大约为3.5毫米，由各种±45°和0°/90°的非卷曲缝编多轴织物（NCF）构成。特殊的表面增强材料（SR）被用于掩藏下层材料引起的纤维透印。
尽管纤维透印的主要原因是树脂的收缩，但所用的增强材料种类也有影响。许多情况下，为优化力学性能，制造商倾向于采用具有良好力学特性的单向或双轴向增强材料，但它们与短切原丝毡相比装饰性不足，表面质量不好。增强材料越光泽，层压材料的表面质量越好。但光滑的纤维并非总具有好的操作性，因此必须找到一种折衷方案。[-page-]
图5显示了层压方式和增强材料类型对表面质量的影响。手糊工艺中，在两层短切毡后增加±45°的NCF层使得表面质量更差。真空灌注中，同样的增强材料得到的表面质量真得很差，用定制的表面增强材料替代短切毡，表面质量有所改善。真空灌注的层压板与手糊制成的进行比较后发现，为得到好的表面质量，灌注层压板需要一层额外的屏敝涂层。
选择――表面层和屏蔽涂层
真空灌注要得到光滑的表面仍旧需要某种表面改善层，以防止纤维的透印。今天，使用真空灌注工艺的大多船艇制造商依赖于表面层。表面层通常由几层短切毡和高质的低收缩树脂组成。除了提高表面质量，表面层还用于提高水解稳定性，确保胶衣和层压板本身能够很好地粘接。对于大型部件，在灌注开始之前表面层可以提供更好的工作时间将增强材料放置到模具中。过去这些年，使用表面层已变得非常普遍，甚至成为真空灌注工艺的一部分。
屏蔽涂层是涂敷在胶衣之后用于防止层压板水解的一层额外的涂层。高质量的屏蔽涂层通常是乙烯基酯基的。由于屏蔽涂层是无增强材料的，因此可以喷涂到模具上。屏敝涂层还可以有效防止纤维的透印，因此是表面层的良好替代品。
为确定表面层和屏敝涂层对灌注的层压板的影响，研究人员又生产出了一些实验用层压板，它们是典型的船身用夹层结构，以PVC泡沫为芯材。这批层压板包括四种：种无表面涂层和屏蔽涂层的；第二种以AM E6000 T 35为表面层；第三种以AME VPRO为屏蔽涂层；第四种同时具有AME VPRO屏蔽涂层和AME 6000 T 35表面层。为作对比，手糊制造了一个短切毡层压板作为参照。层压板采用与之前一样的方法进行固化，每一个固化步骤之后，用MicroProf测定表面质量。胶衣和屏蔽涂层厚度在制造过程中得以检测，目标分别为湿厚度0.8毫米和0.7毫米。表面层由两层300 g/m2的短切毡构成，其目标固化厚度大约为1毫米。[-page-]
结果显示，层压板之间存在明显差别。表面涂层对纤维透印的影响可以从Ra值的下降看出来。AME VPRO屏蔽涂层很好地防止了纤维透印，因此层压板结构的终Ra值与手糊短切毡层压板相近。在AME VPRO屏蔽涂层上增加表面层对纤维透印并没有显著影响（图6）。
结论
后固化和随后的树脂收缩影响了灌注层压板的终表面质量。这可可能是层压板表面的一种斑纹，通常称作纤维透印。迄今为止，大多数采用真空灌注工艺的制造商还在使用表面层，以防止纤维透印。
在这一项目中，灌注层压板的表面质量得以观测，改进方法也得以开发。MicroProf三维表面光度仪用于测定表面质量，低收缩树脂和特殊的表面增强材料也被用于测试。所进行的实验中，后固化在实验室中模拟完成。研究结果表明，低收缩树脂和光滑的增强材料比传统的树脂/增强材料组合产生了更好的表面质量。另外，AME VPRO屏蔽涂层比表面层更有效地防止了纤维透印，这表明，在真空灌注工艺中，不使用表面层也有可能获得与传统手糊工艺相同的表面质量。
