提高真空灌注部件的表面質量
一個歐洲項目組研究了決定真空灌注工藝制成的復合材料層壓板表面質量的因素。Ahlstrom公司的Rainer Bergstrom、亞什蘭復合材料聚合物的Olli Piioinen和Miktech的Antti Ylhainen闡述了他們的研究結果。
真空灌注作為大型復合材料部件（如船身）的制造工藝，其應用已越來越廣泛。但與手糊制品相比，有缺陷的表面質量阻礙了真空灌注工藝的推廣。例如，在船艇制造業，表面外觀是一個重要的質量因素。
有許多因素會影響表面質量，例如樹脂收縮和增強材料的光滑度。有幾種方法可以解決這一問題，表皮層是目前常用的方法。表面層是由手工鋪放的一層材料，用于防止纖維透印。表面層在由真空灌注制成的大多船艇中都有應用。但這提高了揮發性有機化合物（VOC）的釋放量，也為制造工藝增加了一個額外的步驟。這些減弱了真空灌注所帶來的優勢。因此，市場需要一種不使用表面層而得到良好灌注表面質量的方法。
測定表面質量
表面外觀是很難測定的，因其通常是基于主觀判斷的。通常，光滑的表面比粗糙的質量更好，但既然這是由人類的眼睛決定的，那么在不同的條件下，外觀可能不同。除了層壓結構本身，可能影響外觀的因素有周圍的光線、觀察角度、顏色、光澤度等。然而，盡管存在這些影響因素，也應該有可能測定表面質量。
Fries Research & Technology公司制造的MicoProf® 是一款多功能的模塊化測量工具，適用于許多產品。該工具為工業產品的檢測而設計，具有全面的表面測量系統，用于厚度、粗糙度、磨損和許多其他性質的無損檢測。MicoProf 已被證實為層壓表面質量評估的有用工具。除了數字式的數據，它還可以產生一個表面的三維圖像，這對想要了解是哪一層增強材料導致了這種表面狀況的情形是非常有用的。在這個工具中，測定的是兩個參數：Ra和Wa，分別代表平均粗糙度和彎曲度。
其他兩個商業化的表面分析方法也經過了測試。Byk-Gardner公司的Wavescan DOI是一款手持式的測量設備，廣泛應用于汽車行業的噴涂表面評估。它使用非常簡便，適用于平坦和彎曲的表面。但它只能測量線性輪廓，不能從所測定的數據產生三維圖像。
亞什蘭公司開發并取得了的ALSATM表面分析儀是測定纖維增強塑料板的專有技術。ALSA已在汽車行業獲得了廣泛認可。 [-page-]
這兩種工具的測量結果與MicoProf的測定結果非常相似，但在這三者之中，MicoProf是功能多的分析工具。
關聯性
纖維的透印可能是與復合材料部件表面質量相關的常見的問題。在船艇行業中，經常會使用夾層結構，芯材的方形斑紋也可能在表面上非常清晰的顯露出來。由于觀察表面時所處距離的不同，這兩個問題的明顯性也會不同。例如，當近距離觀察層壓板時，纖維的透印問題就更明顯，而遠距離時方形斑紋問題就更明顯。在測量表面質量時，很重要的一點是，測量結果要與實際的觀察結果一致。
因此，在項目的一開始，眼睛的視覺結果與數字化的輪廓數據就作了對比。一套參考用層壓板先由一個評估小組進行評定，層壓板根據自身的外觀被定為1到5五個等級。然后相同的層壓板由MicroProf進行掃描，所得結果與評估小組的結果相比較。后發現，Ra值與纖維透印、Wa值與方形斑紋之間存在很好的關聯性，因此，該方法被證實是可靠的（圖1）。
層壓板的固化
層壓板的表面質量會隨著時間降低，纖維的透印問題會變得越來越明顯，這是樹脂收縮的結果。這一問題可能非常嚴重，尤其是在部件暴露于高溫，如強烈的陽光時。熱固性樹脂部件如果沒有正確的后固化步驟，總是會有一些殘余的反應活性。沒有完全固化的樹脂會繼續交聯，因此產生收縮，對表面質量產生影響。 [-page-]
在該項目中，層壓板的固化在實驗室的測試間人為進行。層壓板脫模后在室溫下放置24小時，然后在40℃后固化16小時。這相當于層壓板在室溫下固化很長時間。后，為確保層壓板完全固化，將其在80℃放置16小時。每個固化步驟之后，層壓板都用MicroProf進行掃描（圖2）。
這一固化方法經證實是可行的。對比結果顯示，在真實的室外環境中后固化1個月的層壓板其Ra值變化與在實驗室中固化的層壓板相同，而實驗室固化的彎曲數據要高一點。這很可能是因為80℃的溫度超出了PVC泡沫芯材的高加工溫度，導致其斷裂。這在層壓板表面顯示為棋盤狀的方格。但需注意的是市場上有加工溫度更高的PVC泡沫（圖3）
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樹脂的比較
樹脂的收縮是層壓板表面纖維透印的主要原因。收縮本身取決于樹脂類型、苯乙烯含量等。為確定樹脂間的差別，研究人員使用亞什蘭的樹脂由真空灌注工藝制成了一套層壓板。每個層壓板所用的增強材料是相同的，工藝參數也在制作過程中盡量保持恒定。所選樹脂都是專門用于船艇行業的，這一系列樹脂包括鄰苯二甲酸聚酯（不飽和聚酯）、新一代的環戊二烯二聚物（DCPD）和AME® 低收縮乙烯基酯。出于好奇，新一代的低收縮樹脂（Aropol® NLN 71500）也被用于該實驗中，盡管低收縮樹脂并不適合所有的船艇應用。層壓板在實驗室內的每個固化步驟之后，其表面質量由MicroProf 測定。
結果清楚地顯示，樹脂之間存在很大差別。不出意料，傳統的鄰苯樹脂具有差的表面質量，其與DCPD和AME樹脂的差別是顯而易見的，這是由于后者具有優化的固化性能和低苯乙烯含量。通常，DCPD和AME性能相似。正如預期，低收縮樹脂表現出好的性能（圖4）。
增強材料的比較
這些實驗中所用的增強材料以10米摩托艇所需的夾層結構表皮厚度為準則。層壓板厚度大約為3.5毫米，由各種±45°和0°/90°的非卷曲縫編多軸織物（NCF）構成。特殊的表面增強材料（SR）被用于掩藏下層材料引起的纖維透印。
盡管纖維透印的主要原因是樹脂的收縮，但所用的增強材料種類也有影響。許多情況下，為優化力學性能，制造商傾向于采用具有良好力學特性的單向或雙軸向增強材料，但它們與短切原絲氈相比裝飾性不足，表面質量不好。增強材料越光澤，層壓材料的表面質量越好。但光滑的纖維并非總具有好的操作性，因此必須找到一種折衷方案。[-page-]
圖5顯示了層壓方式和增強材料類型對表面質量的影響。手糊工藝中，在兩層短切氈后增加±45°的NCF層使得表面質量更差。真空灌注中，同樣的增強材料得到的表面質量真得很差，用定制的表面增強材料替代短切氈，表面質量有所改善。真空灌注的層壓板與手糊制成的進行比較后發現，為得到好的表面質量，灌注層壓板需要一層額外的屏敝涂層。
選擇――表面層和屏蔽涂層
真空灌注要得到光滑的表面仍舊需要某種表面改善層，以防止纖維的透印。今天，使用真空灌注工藝的大多船艇制造商依賴于表面層。表面層通常由幾層短切氈和高質的低收縮樹脂組成。除了提高表面質量，表面層還用于提高水解穩定性，確保膠衣和層壓板本身能夠很好地粘接。對于大型部件，在灌注開始之前表面層可以提供更好的工作時間將增強材料放置到模具中。過去這些年，使用表面層已變得非常普遍，甚至成為真空灌注工藝的一部分。
屏蔽涂層是涂敷在膠衣之后用于防止層壓板水解的一層額外的涂層。高質量的屏蔽涂層通常是乙烯基酯基的。由于屏蔽涂層是無增強材料的，因此可以噴涂到模具上。屏敝涂層還可以有效防止纖維的透印，因此是表面層的良好替代品。
為確定表面層和屏敝涂層對灌注的層壓板的影響，研究人員又生產出了一些實驗用層壓板，它們是典型的船身用夾層結構，以PVC泡沫為芯材。這批層壓板包括四種：種無表面涂層和屏蔽涂層的；第二種以AM E6000 T 35為表面層；第三種以AME VPRO為屏蔽涂層；第四種同時具有AME VPRO屏蔽涂層和AME 6000 T 35表面層。為作對比，手糊制造了一個短切氈層壓板作為參照。層壓板采用與之前一樣的方法進行固化，每一個固化步驟之后，用MicroProf測定表面質量。膠衣和屏蔽涂層厚度在制造過程中得以檢測，目標分別為濕厚度0.8毫米和0.7毫米。表面層由兩層300 g/m2的短切氈構成，其目標固化厚度大約為1毫米。[-page-]
結果顯示，層壓板之間存在明顯差別。表面涂層對纖維透印的影響可以從Ra值的下降看出來。AME VPRO屏蔽涂層很好地防止了纖維透印，因此層壓板結構的終Ra值與手糊短切氈層壓板相近。在AME VPRO屏蔽涂層上增加表面層對纖維透印并沒有顯著影響（圖6）。
結論
后固化和隨后的樹脂收縮影響了灌注層壓板的終表面質量。這可可能是層壓板表面的一種斑紋，通常稱作纖維透印。迄今為止，大多數采用真空灌注工藝的制造商還在使用表面層，以防止纖維透印。
在這一項目中，灌注層壓板的表面質量得以觀測，改進方法也得以開發。MicroProf三維表面光度儀用于測定表面質量，低收縮樹脂和特殊的表面增強材料也被用于測試。所進行的實驗中，后固化在實驗室中模擬完成。研究結果表明，低收縮樹脂和光滑的增強材料比傳統的樹脂/增強材料組合產生了更好的表面質量。另外，AME VPRO屏蔽涂層比表面層更有效地防止了纖維透印，這表明，在真空灌注工藝中，不使用表面層也有可能獲得與傳統手糊工藝相同的表面質量。
真空灌注作為大型復合材料部件（如船身）的制造工藝，其應用已越來越廣泛。但與手糊制品相比，有缺陷的表面質量阻礙了真空灌注工藝的推廣。例如，在船艇制造業，表面外觀是一個重要的質量因素。
有許多因素會影響表面質量，例如樹脂收縮和增強材料的光滑度。有幾種方法可以解決這一問題，表皮層是目前常用的方法。表面層是由手工鋪放的一層材料，用于防止纖維透印。表面層在由真空灌注制成的大多船艇中都有應用。但這提高了揮發性有機化合物（VOC）的釋放量，也為制造工藝增加了一個額外的步驟。這些減弱了真空灌注所帶來的優勢。因此，市場需要一種不使用表面層而得到良好灌注表面質量的方法。
測定表面質量
表面外觀是很難測定的，因其通常是基于主觀判斷的。通常，光滑的表面比粗糙的質量更好，但既然這是由人類的眼睛決定的，那么在不同的條件下，外觀可能不同。除了層壓結構本身，可能影響外觀的因素有周圍的光線、觀察角度、顏色、光澤度等。然而，盡管存在這些影響因素，也應該有可能測定表面質量。
Fries Research & Technology公司制造的MicoProf® 是一款多功能的模塊化測量工具，適用于許多產品。該工具為工業產品的檢測而設計，具有全面的表面測量系統，用于厚度、粗糙度、磨損和許多其他性質的無損檢測。MicoProf 已被證實為層壓表面質量評估的有用工具。除了數字式的數據，它還可以產生一個表面的三維圖像，這對想要了解是哪一層增強材料導致了這種表面狀況的情形是非常有用的。在這個工具中，測定的是兩個參數：Ra和Wa，分別代表平均粗糙度和彎曲度。
其他兩個商業化的表面分析方法也經過了測試。Byk-Gardner公司的Wavescan DOI是一款手持式的測量設備，廣泛應用于汽車行業的噴涂表面評估。它使用非常簡便，適用于平坦和彎曲的表面。但它只能測量線性輪廓，不能從所測定的數據產生三維圖像。
亞什蘭公司開發并取得了的ALSATM表面分析儀是測定纖維增強塑料板的專有技術。ALSA已在汽車行業獲得了廣泛認可。 [-page-]
這兩種工具的測量結果與MicoProf的測定結果非常相似，但在這三者之中，MicoProf是功能多的分析工具。
關聯性
纖維的透印可能是與復合材料部件表面質量相關的常見的問題。在船艇行業中，經常會使用夾層結構，芯材的方形斑紋也可能在表面上非常清晰的顯露出來。由于觀察表面時所處距離的不同，這兩個問題的明顯性也會不同。例如，當近距離觀察層壓板時，纖維的透印問題就更明顯，而遠距離時方形斑紋問題就更明顯。在測量表面質量時，很重要的一點是，測量結果要與實際的觀察結果一致。
因此，在項目的一開始，眼睛的視覺結果與數字化的輪廓數據就作了對比。一套參考用層壓板先由一個評估小組進行評定，層壓板根據自身的外觀被定為1到5五個等級。然后相同的層壓板由MicroProf進行掃描，所得結果與評估小組的結果相比較。后發現，Ra值與纖維透印、Wa值與方形斑紋之間存在很好的關聯性，因此，該方法被證實是可靠的（圖1）。
層壓板的固化
層壓板的表面質量會隨著時間降低，纖維的透印問題會變得越來越明顯，這是樹脂收縮的結果。這一問題可能非常嚴重，尤其是在部件暴露于高溫，如強烈的陽光時。熱固性樹脂部件如果沒有正確的后固化步驟，總是會有一些殘余的反應活性。沒有完全固化的樹脂會繼續交聯，因此產生收縮，對表面質量產生影響。 [-page-]
在該項目中，層壓板的固化在實驗室的測試間人為進行。層壓板脫模后在室溫下放置24小時，然后在40℃后固化16小時。這相當于層壓板在室溫下固化很長時間。后，為確保層壓板完全固化，將其在80℃放置16小時。每個固化步驟之后，層壓板都用MicroProf進行掃描（圖2）。
這一固化方法經證實是可行的。對比結果顯示，在真實的室外環境中后固化1個月的層壓板其Ra值變化與在實驗室中固化的層壓板相同，而實驗室固化的彎曲數據要高一點。這很可能是因為80℃的溫度超出了PVC泡沫芯材的高加工溫度，導致其斷裂。這在層壓板表面顯示為棋盤狀的方格。但需注意的是市場上有加工溫度更高的PVC泡沫（圖3）
[-page-] 樹脂的比較
樹脂的收縮是層壓板表面纖維透印的主要原因。收縮本身取決于樹脂類型、苯乙烯含量等。為確定樹脂間的差別，研究人員使用亞什蘭的樹脂由真空灌注工藝制成了一套層壓板。每個層壓板所用的增強材料是相同的，工藝參數也在制作過程中盡量保持恒定。所選樹脂都是專門用于船艇行業的，這一系列樹脂包括鄰苯二甲酸聚酯（不飽和聚酯）、新一代的環戊二烯二聚物（DCPD）和AME® 低收縮乙烯基酯。出于好奇，新一代的低收縮樹脂（Aropol® NLN 71500）也被用于該實驗中，盡管低收縮樹脂并不適合所有的船艇應用。層壓板在實驗室內的每個固化步驟之后，其表面質量由MicroProf 測定。
結果清楚地顯示，樹脂之間存在很大差別。不出意料，傳統的鄰苯樹脂具有差的表面質量，其與DCPD和AME樹脂的差別是顯而易見的，這是由于后者具有優化的固化性能和低苯乙烯含量。通常，DCPD和AME性能相似。正如預期，低收縮樹脂表現出好的性能（圖4）。
增強材料的比較
這些實驗中所用的增強材料以10米摩托艇所需的夾層結構表皮厚度為準則。層壓板厚度大約為3.5毫米，由各種±45°和0°/90°的非卷曲縫編多軸織物（NCF）構成。特殊的表面增強材料（SR）被用于掩藏下層材料引起的纖維透印。
盡管纖維透印的主要原因是樹脂的收縮，但所用的增強材料種類也有影響。許多情況下，為優化力學性能，制造商傾向于采用具有良好力學特性的單向或雙軸向增強材料，但它們與短切原絲氈相比裝飾性不足，表面質量不好。增強材料越光澤，層壓材料的表面質量越好。但光滑的纖維并非總具有好的操作性，因此必須找到一種折衷方案。[-page-]
圖5顯示了層壓方式和增強材料類型對表面質量的影響。手糊工藝中，在兩層短切氈后增加±45°的NCF層使得表面質量更差。真空灌注中，同樣的增強材料得到的表面質量真得很差，用定制的表面增強材料替代短切氈，表面質量有所改善。真空灌注的層壓板與手糊制成的進行比較后發現，為得到好的表面質量，灌注層壓板需要一層額外的屏敝涂層。
選擇――表面層和屏蔽涂層
真空灌注要得到光滑的表面仍舊需要某種表面改善層，以防止纖維的透印。今天，使用真空灌注工藝的大多船艇制造商依賴于表面層。表面層通常由幾層短切氈和高質的低收縮樹脂組成。除了提高表面質量，表面層還用于提高水解穩定性，確保膠衣和層壓板本身能夠很好地粘接。對于大型部件，在灌注開始之前表面層可以提供更好的工作時間將增強材料放置到模具中。過去這些年，使用表面層已變得非常普遍，甚至成為真空灌注工藝的一部分。
屏蔽涂層是涂敷在膠衣之后用于防止層壓板水解的一層額外的涂層。高質量的屏蔽涂層通常是乙烯基酯基的。由于屏蔽涂層是無增強材料的，因此可以噴涂到模具上。屏敝涂層還可以有效防止纖維的透印，因此是表面層的良好替代品。
為確定表面層和屏敝涂層對灌注的層壓板的影響，研究人員又生產出了一些實驗用層壓板，它們是典型的船身用夾層結構，以PVC泡沫為芯材。這批層壓板包括四種：種無表面涂層和屏蔽涂層的；第二種以AM E6000 T 35為表面層；第三種以AME VPRO為屏蔽涂層；第四種同時具有AME VPRO屏蔽涂層和AME 6000 T 35表面層。為作對比，手糊制造了一個短切氈層壓板作為參照。層壓板采用與之前一樣的方法進行固化，每一個固化步驟之后，用MicroProf測定表面質量。膠衣和屏蔽涂層厚度在制造過程中得以檢測，目標分別為濕厚度0.8毫米和0.7毫米。表面層由兩層300 g/m2的短切氈構成，其目標固化厚度大約為1毫米。[-page-]
結果顯示，層壓板之間存在明顯差別。表面涂層對纖維透印的影響可以從Ra值的下降看出來。AME VPRO屏蔽涂層很好地防止了纖維透印，因此層壓板結構的終Ra值與手糊短切氈層壓板相近。在AME VPRO屏蔽涂層上增加表面層對纖維透印并沒有顯著影響（圖6）。
結論
后固化和隨后的樹脂收縮影響了灌注層壓板的終表面質量。這可可能是層壓板表面的一種斑紋，通常稱作纖維透印。迄今為止，大多數采用真空灌注工藝的制造商還在使用表面層，以防止纖維透印。
在這一項目中，灌注層壓板的表面質量得以觀測，改進方法也得以開發。MicroProf三維表面光度儀用于測定表面質量，低收縮樹脂和特殊的表面增強材料也被用于測試。所進行的實驗中，后固化在實驗室中模擬完成。研究結果表明，低收縮樹脂和光滑的增強材料比傳統的樹脂/增強材料組合產生了更好的表面質量。另外，AME VPRO屏蔽涂層比表面層更有效地防止了纖維透印，這表明，在真空灌注工藝中，不使用表面層也有可能獲得與傳統手糊工藝相同的表面質量。
