双组分环氧树脂基材

        Hexion（美国俄亥俄州哥伦布市） 基于其  Epikote system 600  环氧树脂开发了一种用于航空结构  RTM  的 双组分（2K）系统。下面将详细介绍这种新的 2K 系统， 以及 Hexion 如何满足航空航天原始设备制造商对混合 树脂现场质量保证的要求。最后， 还讨论了 Hexion  的2K 灌注/RTM 环氧树脂在耐火（FR）应用中的应用。

        为什么选择 2K 树脂用于 RTM？

        RTM 在航空航天中的应用并不新鲜。目前和过去都有各种使用 RTM 制造的飞机零件， 包括：

             w 湾流 G250 公务机的方向舵（以色列航空航天工业和北海岸复合材料公司）

             w LEAP 涡扇飞机发动机的叶片和风扇壳（奥尔巴尼工程复合材料公司）

             w A350  门框（空客 Donauworth 直升机公司）

             w 示范 A350 客机舱门（Elbit Cyclone）

             w 演示 A320  多段襟翼（空中客车不来梅）

             w Matrix Composites 使用 RTM 为 F-22 生产了 6000多个部件。

        然而，RTM 在航空航天应用中传统上是一种低压工 艺， 循环时间以小时为单位。Alpex 和 CTC 的项目专注 于利用高压 RTM（HP-RTM）提供的自动化、快速注射和 15-20 分钟的循环时间。

      “ 扬·席勒（Jan Schiller），CTC 生产系统项目负责人和 RTM 技术负责人观察到，所有以前的 RTM 飞机结构

都只使用了供应商混合的 1K 系统，然后供应商对混合物进行认证，并承担确保树脂符合资格要求的责任。 ”他解释道：“ 现在我们正在考虑 2K 系统，但挑战是确保混合质量。 ” 。预混合的 1K 系统需要冷藏运输和储存， 以防止在零件加工之前发生反应。因此，2K 系统的优点包括消除了这一费用以及更快处理的更高反应性。  ”“然而， 一个问题是，  质量保证（QA）将从树脂供应商转移到零件制造商。  ”该质量保证要求检测混合比和混 合树脂的质量。这两者都是空客公司对新材料进行鉴定 所必需的。因此，  这意味着在混合前对两种成分进行测 量， 在混合后对树脂进行测量。如今， 我们在混合头前 只有传感器，显示混合料中计量加入了多少树脂和硬化剂。这还不足以进行鉴定。 ”

        Hexion（美国俄亥俄州哥伦布市） 是开发用于汽车复合材料中 HP-RTM 的快速固化环氧树脂的领导者，于 2019 年 3 月宣布， 其已基于 Epikote system 600 环氧树脂开发了用于航空结构 RTM 的 2K  系统。

        克服 1K 系统的局限性

        Hexion 负责人让·里维埃尔（Jean Rivière）说： “ 就 像预浸料一样，航空航天中用于 RTM 和输液的 1K  系 统必须保持低温， 保质期有限。  ” 。“ 通过使用双组分 （2K）环氧树脂系统，您可以消除这些限制。我们已经 看到 2K 和高反应性环氧树脂用于制造风机叶片和汽车结构。那么，为什么不在航空航天领域呢？  ”

        让·里维埃尔解释说，  在与许多客户讨论过这一点    后，Hexion 理解了主要的担忧——在注射到模具中之前， 您需要随时验证混合比是否正确。如果没有这一点， 零件制造商将面临无法接受的风险，”。他补充道，此前，对风电叶片和汽车的产量没有需求。然而，现在空客公  司和波音公司希望超过目前的生产率， 同时为每架飞机  提供更多的复合材料零件。 让·里维埃尔说： “ 因此， 现在需要从预浸料叠层转向用于航空航天 RTM 或灌注

的 2K 环氧树脂。  ”。

        在下面的供应链图中，  2K  技术不仅取消了冷藏和复温步骤，还取消了对运输树脂容器尺寸的限制。让·里 维埃尔说： “ 你必须将预混树脂的质量控制在 20  升以 下， 并将这些桶保持在非常低的温度下， 否则树脂可能 会开始反应。对于 2K 系统，标准的 200 升桶可以在没 有低温限制的情况下运输。因此，风险更小， 无需强烈

冷却，也不需要采取更多预防措施。 ”

Hexion 供应链用于 RTM 的 2K 环氧树脂

                         上面的供应链显示了分析控制是如何变化的。虽然在 1K 树脂系统的制造位置仅执

                         行初始控制，但在 2K 系统的多个控 制点执行控制。除了在工厂生产过程中控制 A 

                         和 B 成分外， A∶B 混合比也在混合、计量和分配（MMD）设备中进行数字控制，

                         并在树脂注入模具之前再次进行数字控制。

        分析控制

        为了开发这项 2K 技术，Hexion 与混合、计量和分 配（MMD-mix, meter and dispense）设备制造商 Hübers（德 国 Bocholt）和拥有空客专利真空辅助工艺（VAP-Vacuum Assisted Process）独家许可证的 Composystem（德国 Hurlach） 合作。Hübers 在用于制造电气和电子部件（如变压器的 铸造树脂和浸渍部件等）的高性能 MMD 系统方面享有 盛誉，而 Composystem 是空客应用的树脂注射和灌注专 家， 因此， 了解飞机制造厂家在混合树脂的加工和质量保证（QA） 方面的需求。

        让·里维埃尔解释道：  “在 Hübers 设备精确混合环 氧树脂的 A 和 B 成分并准备将其引入模具后， 分析控 制就开始发挥作用” 。下图中 Hübers MMD 系统和真空 袋装 VAP  输液装置之间的黑管是该分析控制系统的关 键部件。让·里维埃尔说： “ 这就是我们有一个实时控制 混合比的分析设备的地方。 ”。“ 我们已经证明了每 12 秒测量一次混合比， 但也可以进行更频繁的测量。事实上，这项技术可以连续控制混合比，   并进行报告和记录。  ”

                                   用于 RTM 工艺的 Hexion 二元环氧树脂分析控制装置   注意 Hübers 

                                   MMD 设备和 VAP 输液装置之间的黑色管道，Hexion 在注射前对树

                                   脂混合比进行了在线测量。

        “有了这个系统，”他继续说道，“有双重控制：MMD  单元中的正常控制和顶部的预注射分析控制。首先，   让·里维埃尔指出， Hübers MMD 机器以其精度和准确  性而闻名。 “ 他们有一个用于两种成分的双泵送系统， 必  须保持其供应应用的体积和温度以及混合比的准确性。 然后， 我们的系统在混合后和注射前添加第二次测量， 您可以在那里设置警报目标。  ”如果测得的混合比达不  到目标并触发警报，然后， 该系统将把混合树脂排出到  一个单独的容器中，绕过模具，这样它就不会被引入注  入的零件中。“ 这样就有可能恢复注射过程并继续注射。”。

        让·里维埃尔，Hexion 的混合后、注射前分析控制 系统提供了一个独立的可追溯记录，也可以根据客户的 需求集成到 MMD 工作站中。 Hübers MMD 装置还可以 对树脂进行彻底的脱气，这是电子行业所要求的， 因为 电子行业的应用部件中不能有空隙或孔隙。他指出： “ 该 系统还通过管理高或低水平的树脂流动， 提供了对模具 压力的便携式控制。  ” 。“使用这种类型的控制可以实现 非常好的浸渍， 还可以缩短浸渍过程时间， 同时满足孔

隙率和纤维体积方面的航空航天质量要求。  ”

                                          Hexion 双组分环氧树脂注射装置和碳纤维复合材料零件样品  照片

                                          显示了使用 Hübers MMD 设备和 Hexion 2K 分析控制的  输液装置，

                                          以及使用该装置制备的 2 厘米厚的碳纤维 UD 层压板，实现了 60%

                                          以上的纤维体积。

        更好的处理窗口

       “因为混合是用静态混合器完成的，而且在注射前   的短时间内，树脂混合物的使用寿命更长（与 1K 相   比，可高达 40%） ,”。这提供了一个更好的加工窗口， 我们生产了纤维体积为 60%的厚碳纤维层压板。 2K 与

1K 系统的机械性能是相同的，因为化学成分是相同的。我们相信这将是一个更可靠的过程，当您将混合控制装置连接到树脂注射装置时， 才有完整的价值。  ”

        用于耐火复合材料浸渍/RTM 的 EPONFlameX  环氧树脂

        Hexion 还开发了一种双组分环氧树脂，用于零件的浸渍/RTM，必须满足耐火性（FR-fire resistance）和火

焰、烟雾、毒性（FST-flame, smoke, toxicity）要求。旨在 用环氧树脂液体模塑取代酚醛预浸料，这一发展的驱

动因素包括：

          w 生产率提高

          w 无卤素、非酚类系统的 REACH 法规

          w 与脆性酚醛树脂相比， 更坚固、更坚韧的树脂

          w 与酚醛树脂相比具有成本竞争力， 但比热塑性塑料便宜得多。

        Hexion 的 EPON FlameX  系统不使用卤素或颗粒添 加剂来实现耐火性，   而是将这种性能构建到树脂的分    子骨架中。灌注过程中没有颗粒过滤。树脂在 60-70°C （140- 158°F）下以 250 cps 的粘度灌注良好，   在 150°C （302°F）条件下可在 1.5 小时内固化。为了获得最大   的结构性能，建议在 180°C 下进行独立或工具支撑的

后固化。

        使用该系统制造的零件通过以下测试，无需额外涂层或耐火性（FR） 措施：

         w 60 年代垂直燃烧 FAR25.853（a）

         w 烟雾毒性 BSS7239

         w 烟密度 BSS7238

        在某些配置中，它还将通过 OSU 65/65 热释放， 并带有经认证的膨胀型凝胶涂层或涂层。这仅适用于

飞机滑行、起飞和降落过程中可能接触到火情的零件。

        Hexion 环氧树脂应用和产品开发专家内森布鲁诺 （Nathan Bruno） 表示：  “ 我们已经证明，目前使用传

统的酚醛预浸料工艺制造高架垃圾箱需要 10- 12 小时，但可以使用 FlameX 系统通过浸渍或 RTM 在 90  至 120 分钟内生产。  ” 。“ 此外，  由于没有填料， 与填充的耐火性（FR） 环氧树脂相比， 它的密度更低。 ”

        应用包括飞机内部、货舱、卫生间、厨房和座椅组件，以及船舶、铁路和建筑内部。

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                              注： 根据《 2-part epoxy for increased composite aerostructures

                                                 production via RTM  》 2019.9.13    编译

杨超凡          2024.2.1