複合材料成型工藝是複合材料工業的發展基礎和條件. 隨著複合材料應用領域的拓寬, 複合材料工業得到迅速發展, 一些成型工藝日臻完善, 新的成型方法不斷湧現, 目前聚合物基複合材料的成型方法已有20多種, 並成功地用於工業生產, 如:
(1)手糊成型工藝--濕法鋪層成型法;
(2)噴射成型工藝;
(3)樹脂傳遞模塑成型技術(RTM技術);
(4)袋壓法(壓力袋法)成型;
(5)真空袋壓成型;
(6)熱壓罐成型技術;
(7)液壓釜法成型技術;
(8)熱膨脹模塑法成型技術;
(9)夾層結構成型技術;
(10)模壓料生產工藝;
(11)ZMC模壓料注射技術;
(12)模壓成型工藝;
(13)層合板生產技術;
(14)卷制管成型技術;
(15)纖維纏繞製品成型技術;
(16)連續制板生產工藝;
(17)澆鑄成型技術;
(18)拉擠成型工藝;
(19)連續纏繞制管工藝;
(20)編織複合材料製造技術;
(21)熱塑性片狀模塑料製造技術及冷模衝壓成型工藝;
(22)注射成型工藝;
(23)擠出成型工藝;
(24)離心澆鑄制管成型工藝;
(25)其它成型技術.
視所選用的樹脂基體材料的不同, 上述方法分別適用於熱固性和熱塑性複合材料的生產, 有些工藝兩者都適用.
複合材料製品成型工藝特點: 與其它材料加工工藝相比, 複合材料成型工藝具有如下特點:
(1)材料製造與製品成型同時完成 一般情況下, 複合材料的生產過程, 也就是製品的成型過程. 材料的性能必鬚根據製品的使用要求進行設計, 因此在選擇材料, 設計配比, 確定纖維鋪層和成型方法時, 都必須滿足製品的物化性能, 結構形狀和外觀質量要求等.
(2)製品成型比較簡便 一般熱固性複合材料的樹脂基體, 成型前是流動液體, 增強材料是柔軟纖維或織物, 因此, 用這些材料生產複合材料製品, 所需工序及設備要比其它 材料簡單的多, 對於某些製品僅需一套模具便能生產.
一, 接觸低壓成型工藝
接觸低壓成型工藝 的特點是以手工鋪放增強材料, 浸清樹脂, 或用簡單的工具輔助鋪放增強材料和樹脂. 接觸低壓成型工藝的另一特點, 是成型過程中不需要施加成型壓力(接觸成型), 或者只施加較低成型壓力(接觸成型後施加0.01~ 0.7MPa壓力, 最大壓力不超過2.0MPa).
接觸低壓成型工藝過程, 是先將材料在陰模, 陽模或對模上製成設計形狀, 再通過加熱或常溫固化, 脫模後再經過輔助加工而獲得製品. 屬於這類成型工藝的有手糊成型, 噴射成型, 袋壓成型, 樹脂傳遞模塑成型, 熱壓罐成型和熱膨脹模塑成型(低壓成型)等. 其中前兩種為接觸成型.
接觸低壓成型工藝中, 手糊成型工藝是聚合物基複合材料生產中最先發明的, 適用範圍最廣, 其它方法都是手糊成型工藝的發展和改進. 接觸成型工藝的最大優點是設備簡單, 適應性廣, 投資少, 見效快. 根據近年來的統計, 接觸低壓成型工藝在世界各國複合材料工業生產中, 仍佔有很大比例, 如美國佔35%, 西歐佔25%, 日本佔42%, 中國佔75%. 這說明了接觸低壓成型工藝在複合材料工業生產中的重要性和不可替代性, 它是一種永不衰落的工藝方法. 但其最大缺點是生產效率低, 勞動強度大, 產品重複性差等.
1, 原材料
接觸低壓成型的原材料有增強材料, 樹脂和輔助材料等.
(1)增強材料
接觸成型對增強材料的要求: ①增強材料易於被樹脂浸透;②有足夠的形變性, 能滿足製品複雜形狀的成型要求;③氣泡容易扣除;④能夠滿足製品使用條件的物理和化學性能要求;⑤價格合理(儘可能便宜), 來源豐富.
用於接觸成型的增強材料有玻璃纖維及其織物, 碳纖維及其織物, 芳綸纖維及其織物等.
(2)基體材料
接觸低壓成型工藝對基體材料的要求: ①在手糊條件下易浸透纖維增強材料, 易排除氣泡, 與纖維粘接力強;②在室溫條件下能凝膠, 固化, 而且要求收縮小, 揮發物少;③粘度適宜: 一般為0.2~ 0.5Pa·s, 不能產生流膠現象;④無毒或低毒;⑤價格合理, 來源有保證.
生產中常用的樹脂有: 不飽和聚酯樹脂, 環氧樹脂, 有進也用酚醛樹脂, 雙馬來醯亞胺樹脂, 聚醯亞胺樹脂等.
幾種接觸成型工藝對樹脂的性能要求:
成型方法
對樹脂性能要求
膠衣製作
1, 成型時不流淌, 易消泡
2, 色調均勻, 不浮色
3, 固化快, 不產生皺紋, 與鋪層樹脂粘接性好
手糊成型
1, 浸漬性好, 易浸透纖維, 易排除氣泡
2, 鋪敷後固化快, 放熱少, 收縮小
3, 易揮發物少, 製品表面不發粘
4, 層間粘接性好
噴射成型
1, 保證手糊成型的各項要求
2, 觸變性恢複更早
3, 溫度對樹脂粘度影響小
4, 樹脂適用期要長, 加入促進劑後, 粘度不應增大
袋壓成型
1, 浸潤性好, 易浸透纖維, 易排出氣泡
2, 固化快, 固化放熱量要小
3, 不易流膠, 層間粘接力強
(3)輔助材料
接觸成型工藝中的輔助材料, 主要是指填料和色料兩類, 而固化劑, 稀釋劑, 增韌劑等, 歸屬於樹脂基體體系.
2, 模具及脫模劑
(1)模具
模具是各種接觸成型工藝中的主要設備. 模具的好壞, 直接影響產品的質量和成本, 必須精心設計製造.
設計模具時, 必須綜合考慮以下要求: ①滿足產品設計的精度要求, 模具尺寸精確, 表面光滑;②要有足夠的強度和剛度;③脫模方便;④有足夠的熱穩定性;⑤重量輕, 材料來源充分及造價低.
模具構造 接觸成型模具分為: 陰模, 陽模和對模三種, 不論是哪種模具, 都可以根據尺寸大小, 成型要求, 設計成整體或拼裝模.
模具材料 造反模具材料時, 應滿足以下要求:
①能夠滿足製品的尺寸精度, 外觀質量及使用壽命要求;
②模具材料要有足夠的強度和剛度, 保證模具在使用過程中不易變形和損壞;
③不受樹脂侵蝕, 不影響樹脂固化;
④耐熱性好, 製品固化和加熱固化時, 模具不變形;
⑤容易製造, 容易脫模;
⑥晝減輕模具重量, 方便生產;
⑦價格便宜, 材料容易獲得. 能用作手糊成型模具的材料有: 木材, 金屬, 石膏, 水泥, 低熔點金屬, 硬質泡沫塑料及玻璃纖維等.
脫模劑基本要求:
1.不腐蝕模具, 不影響樹脂固化, 對樹脂粘接力小於0.01MPa;
②成膜時間短, 厚度均勻, 表面光滑;
③使用安全, 無毒害作用;
④耐熱, 能以受加熱固化的溫度作用;
⑤操作方便, 價格便宜.
接觸成型工藝的脫模劑主要有薄膜型脫模劑, 液體脫模劑和油膏, 蠟類脫模劑.
手糊成型工藝
手糊成型的工藝流程如下:
(1)生產準備
場地 手糊成型工作場地的大小, 要根據產品大小和日產量決定, 場地要求清潔, 乾燥, 通風良好, 空氣溫度應保持在15~ 35℃之間, 後加工整修段, 要設有抽風除塵和噴水裝置.
模具準備 準備工作包括清理, 組裝及塗脫模劑等.
樹脂膠液配製 配製時, 要注意兩個問題: ①防止膠液中混入氣泡;②配膠量不能過多, 每次配量要保證在樹脂凝膠前用完.
增強材料準備 增強材料的種類和規格按設計要求選擇.
(2)糊制與固化
鋪層糊制 手工鋪層糊制分濕法和幹法兩種: ①幹法鋪層 用預浸布為原料, 先將預學好料(布)按樣板裁剪成壞料, 鋪層時加熱軟化, 然後再一層一層地緊貼在模具上, 並注意排除層間氣泡, 使密實. 此法多用於熱壓罐和袋壓成型. ②濕法鋪層 直接在模具上將增強材料浸膠, 一層一層地緊貼在模具上, 扣除氣泡, 使之密實. 一般手糊工藝多用此法鋪層. 濕法鋪層又分為膠衣層糊制和結構層糊制.
手糊工具 手糊工具對保證產品質量影響很大. 有羊毛輥, 豬鬃輥, 螺旋輥及電鋸, 電鑽, 打磨拋光機等.
固化 製品固化分硬化和熟化兩個階段: 從凝膠到三角化一般要24h, 此時固化度達50%~ 70%(巴柯爾硬性度為15), 可以脫模, 脫後在自然環境條件下固化1~ 2周才能使製品具有力學強度, 稱熟化, 其固化度達85%以上. 加熱可促進熟化過程, 對聚酯玻璃纖維, 80℃加熱3h, 對環氧玻璃纖維, 後固化溫度可控制在150℃以內. 加熱固化方法很多, 中小型製品可在固化爐內加熱固化, 大型製品可採用模內加熱或紅外線加熱.
(3)脫模和修整
脫模 脫模要保證製品不受損傷. 脫模方法有如下幾種: ①頂出脫模 在模具上預埋頂出裝置, 脫模時轉動螺杆, 將製品頂出. ②壓力脫模 模具上留有壓縮空氣或水入口, 脫模時將壓縮空氣或水(0.2MPa)壓入模具和製品之間, 同時用木錘和橡膠錘敲打, 使製品和模具分離. ③大型製品(如船)脫模 可藉助千斤頂, 吊車和硬木楔等工具. ④複雜製品可採用手工脫模方法 先在模具上糊制二三層玻璃纖維, 待其固化後從模具上剝離, 然後再放在模具上繼續糊制到設計厚度, 固化後很容易從模具上脫下來.
修整 修整分兩種: 一種是尺寸修整, 另一種缺陷修補. ①尺寸修整 成型後的製品, 按設計尺寸切去超出多餘部分;②缺陷修補 包括穿孔修補, 氣泡, 裂縫修補, 破孔補強等.
噴射成型技術
噴射成型技術是手糊成型的改進, 半機械化程度. 噴射成型技術在複合材料成型工藝中所佔比例較大, 如美國佔9.1%, 西歐佔11.3%, 日本佔21%. 目前國內用的噴射成型機主要是從美國進口.
(1)噴射成型工藝原理及優缺點
噴射成型工藝是將混有引發劑和促進劑的兩種聚酯分別從噴槍兩側噴出, 同時將切斷的玻纖粗紗, 由噴槍中心噴出, 使其與樹脂均勻混合, 沉積到模具上, 當沉積到一定厚度時, 用輥輪壓實, 使纖維浸透樹脂, 排除氣泡, 固化後成製品.
噴射成型的優點: ①用玻纖粗紗代替織物, 可降低材料成本;②生產效率比手糊的高2~ 4倍;③產品整體性好, 無接縫, 層間剪切強度高, 樹脂含量高, 抗腐蝕, 耐滲漏性好;④可減少飛邊, 裁布屑及剩餘膠液的消耗;⑤產品尺寸, 形狀不受限制. 其缺點為: ①樹脂含量高, 製品強度低;②產品只能做到單面光滑;③汙染環境, 有害工人健康.
噴射成型效率達15kg/min, 故適合於大型船體製造. 已廣泛用於加工浴盆, 機器外罩, 整體衛生間, 汽車車身構件及大型浮雕製品等.
(2)生產準備
場地 噴射成型場地除滿足手糊工藝要求外, 要特別注意環境排風. 根據產品尺寸大小, 操作間可建成密閉式, 以節省能源.
材料準備 原材料主要是樹脂(主要用不飽和聚酯樹脂)和無撚玻纖粗紗.
模具準備 準備工作包括清理, 組裝及塗脫模劑等.
噴射成型設備 噴射成型機分壓力罐式和泵供式兩種: ①泵式供膠噴射成型機, 是將樹脂引發劑和促進劑分別由泵輸送到靜態混合器中, 充分混合後再由噴槍噴出, 稱為槍內混合型. 其組成部分為氣動控制系統, 樹脂泵, 助劑泵, 混合器, 噴槍, 纖維切割噴射器等. 樹脂泵和助劑泵由搖臂剛性連接, 調節助劑泵在搖臂上的位置, 可保證配料比例. 在空壓機作用下, 樹脂和助劑在混合器內均勻混合, 經噴槍形成霧滴, 與切斷的纖維連續地噴射到模具表面. 這種噴射機只有一個膠液噴槍, 結構簡單, 重量輕, 引發劑浪費少, 但因系內混合, 使完後要立即清洗, 以防止噴射堵塞. ②壓力罐式供膠噴射機是將樹脂膠液分別裝在壓力罐中, 靠進入罐中的氣體壓力, 使膠液進入噴槍連續噴出. 安是由兩個樹脂罐, 管道, 閥門, 噴槍, 纖維切割噴射器, 小車及支架組成. 工作時, 接通壓縮空氣氣源, 使壓縮空氣經過氣水分離器進入樹脂罐, 玻纖切割器和噴槍, 使樹脂和玻璃纖維連續不斷的由噴槍噴出, 樹脂霧化, 玻纖分散, 混合均勻後沉落到模具上. 這種噴射機是樹脂在噴槍外混合, 故不易堵塞噴槍嘴.
(3)噴射成型工藝控制
噴射工藝參數選擇: ①樹脂含量 噴射成型的製品中, 樹脂含量控制在60%左右. ②噴霧壓力 當樹脂粘度為0.2Pa·s, 樹脂罐壓力為0.05~ 0.15MPa時, 霧化壓力為0.3~ 0.55MPa, 方能保證組分混合均勻. ③噴槍夾角 不同夾角噴出來的樹脂混合交距不同, 一般選用20°夾角, 噴槍與模具的距離為350~ 400mm. 改變距離, 要高速噴槍夾角, 保證各組分在靠近模具表面處交集混合, 防止膠液飛失.
噴射成型應注意事項: ①環境溫度應控制在(25±5)℃, 過高, 易引起噴槍堵塞;過低, 混合不均勻, 固化慢;②噴射機系統內不允許有水分存在, 否則會影響產品質量;③成型前, 模具上先噴一層樹脂, 然後再噴樹脂纖維混合層;④噴射成型前, 先調整氣壓, 控制樹脂和玻纖含量;⑤噴槍要均勻移動, 防止漏噴, 不能走弧線, 兩行之間的重疊富庶小於1/3, 要保證覆蓋均勻和厚度均勻;⑥噴完一層後, 立即用輥輪壓實, 要注意稜角和凹凸表面, 保證每層壓平, 排出氣泡, 防止帶起纖維造成毛刺;⑦每層噴完後, 要進行檢查, 合格後再噴下一層;⑧最後一層要噴薄些, 使表面光滑;⑨噴射機用完後要立即清洗, 防止樹脂固化, 損壞設備.
樹脂傳遞模塑成型
樹脂傳遞模塑成型簡稱RTM(Resin Transfer Molding). RTM起始於50年代, 是手糊成型工藝改進的一種閉模成型技術, 可以生產出兩面光的製品. 在國外屬於這一工藝範疇的還有樹脂注射工藝(Resin Injection)和壓力注射工藝(Pressure Infection).
RTM的基本原理是將玻璃纖維增強材料鋪放到閉模的模腔內, 用壓力將樹脂膠液注入模腔, 浸透玻纖增強材料, 然後固化, 脫模成型製品.
從上前的研究水平來看, RTM技術的研究發展方向將包括微機控制注射機組, 增強材料預成型技術, 低成本模具, 快速樹脂固化體系, 工藝穩定性和適應性等.
RTM成型技術的特點: ①可以製造兩面光的製品;②成型效率高, 適合於中等規模的玻璃纖維產品生產(20000件/年以內);③RTM為閉模操作, 不汙染環境, 不損害工人健康;④增強材料可以任意方向鋪放, 容易實現按製品受力狀況例題鋪放增強材料;⑤原材料及能源消耗少;⑥建廠投資少, 上馬快.
RTM技術適用範圍很廣, 目前已廣泛用於建築, 交通, 電訊, 衛生, 航空航天等工業領域. 已開發的產品有: 汽車殼體及部件, 娛樂車構件, 螺旋漿, 8.5m長的風力發電機葉片, 天線罩, 機器罩, 浴盆, 沐浴間, 遊泳池板, 座椅, 水箱, 電話亭, 電線杆, 小型遊艇等.
(1)RTM工藝及設備
成型工藝 RTM全部生產過程分11道工序(如圖), 各工序的操作人員及工具, 設備位置固定, 模具由小車運送, 依次經過每一道工序, 實現流水作業. 模具在流水線上的迴圈時間, 基本上反映了製品的生產周期, 小型製品一般只需十幾分鐘, 大型製品的生產周期可以控制在1h以內完成.
成型設備 RTM成型設備主要是樹脂壓注機和模具.
①樹脂村注機 樹脂壓注機由樹脂泵, 注射槍組成. 樹脂泵是一組活塞式往複泵, 最上端是一個空氣動力泵. 當壓縮空氣驅動空氣泵活塞上下運動時, 樹脂泵將桶中樹脂經過流量控制器, 過濾器定量地抽入樹脂貯存器, 側向槓桿使催化劑泵運動, 將催化劑定量地抽至貯存器. 壓縮空氣充入兩個貯存器, 產生與泵壓力相反的緩衝力, 保證樹脂和催化劑能穩定的流向注射槍頭. 注射槍口後有一個靜態紊流混合器, 可使樹脂和催化劑在無氣狀態下混合均勻, 然後經槍口注入模具, 混合器後面設計有清洗劑入口, 它與一個有0.28MPa壓力的溶劑罐相聯, 當機器使用完後, 開啟開關, 溶劑自動噴出, 將注射槍清洗乾淨.
②模具 RTM模具分玻璃纖維模, 玻璃纖維表面鍍金屬模和金屬模3種. 玻璃纖維模具容易製造, 價格較低, 聚酯玻璃纖維模具可使用2000次, 環氧玻璃纖維模具可使用4000次. 表面鍍金屬的玻璃纖維模具可使用10000次以上. 金屬模具在RTM工藝中很少使用, 一般來講, RTM的模具費僅為SMC的2%~ 16%.
(2)RTM原材料
RTM用的原材料有樹脂體系, 增強材料和填料.
樹脂體系 RTM工藝用的樹脂主要是不飽和聚酯樹脂.
增強材料 一般RTM的增強材料主要是玻璃纖維, 其含量為25%~ 45%(重量比);常用的增強材料有玻璃纖維連續氈, 複合氈及方格布.
填料 填料對RTM工藝很重要, 它不僅能降低成本, 改善性能, 而且能在樹脂固化放熱階段吸收熱量. 常用的填料有氫氧化鋁, 玻璃微珠, 碳酸鈣, 雲母等. 其用量為20%~ 40%.
袋壓法, 熱壓罐法, 液壓釜法和熱膨脹模塑法成型
袋壓法, 熱壓罐法, 液壓釜法和熱膨脹模塑法統稱為低壓成型工藝. 其成型過程是用手工鋪疊方式, 將增強材料和樹脂(含預浸材料)按設計方向和順序逐層鋪放到模具上, 達到規定厚度後, 經加壓, 加熱, 固化, 脫模, 修整而獲得製品. 四種方法與手糊成型工藝的區別僅在於加壓固化這道工序. 因此, 它們只是手糊成型工藝的改進, 是為了提高製品的密實度和層間粘接強度.
以高強度玻璃纖維, 碳纖維, 硼纖維, 芳綸纖維和環氧樹脂為原材料, 用低壓成型方法製造的高性能複合材料製品, 已廣泛用于飛機, 飛彈, 衛星和太空梭. 如飛機艙門, 整流罩, 機載雷達罩, 支架, 機翼, 尾翼, 隔板, 壁板及隱形飛機等.
(1)袋壓法
袋壓成型是將手糊成型的未固化製品, 通過橡膠袋或其它彈性材料向其施加氣體或液體壓力, 使製品在壓力下密實, 固化.
袋壓成型法的優點是: ①產品兩面光滑;②能適應聚酯, 環氧和酚醛樹脂;③產品重量比手糊高.
袋壓成型分壓力袋法和真空袋法2種: ①壓力袋法 壓力袋法是將手糊成型未固化的製品放入一橡膠袋, 固定好蓋板, 然後通入壓縮空氣或蒸汽(0.25~ 0.5MPa), 使製品在熱壓條件下固化. ②真空袋法 此法是將手糊成型未固化的製品, 加蓋一層橡膠膜, 製品處於橡膠膜和模具之間, 密封周邊, 抽真空(0.05~ 0.07MPa), 使製品中的氣泡和揮發物排除. 真空袋成型法由於真空壓力較小, 故此法僅用於聚酯和環氧複合材料製品的濕法成型.
(2)熱壓釜和液壓釜法
熱壓釜和液壓釜法都是在金屬容器內, 通過壓縮氣體或液體對未固化的手糊製品加熱, 加壓, 使其固化成型的一種工藝.
熱壓釜法 熱壓釜是一個臥式金屬壓力容器, 未固化的手糊製品, 加上密封膠袋, 抽真空, 然後連同模具用小車推進熱壓釜內, 通入蒸汽(壓力為1.5~ 2.5MPa), 並抽真空, 對製品加壓, 加熱, 排出氣泡, 使其在熱壓條件下固化. 它綜合了壓力袋法和真空袋法的優點, 生產周期短, 產品質量高. 熱壓釜法能夠生產尺寸較大, 形狀複雜的高質量, 高性能複合材料製品. 產品尺寸受熱壓釜限制, 目前國內最大的熱壓釜直徑為2.5m, 長18m, 已開發應用的產品有機翼, 尾翼, 衛星天線反射器, 飛彈再入體, 機載夾層結構雷達罩等. 此法的最大缺點是設備投資大, 重量大, 結構複雜, 費用高等.
液壓釜法 液壓釜是一個密閉的壓力容器, 體積比熱壓釜小, 直立放置, 生產時通入壓力熱水, 對未固化的手糊製品加熱, 加壓, 使其固化. 液壓釜的壓力可達到2MPa或更高, 溫度為80~ 100℃. 用油載體, 熱度可達200℃. 此法生產的產品密實, 周期短, 液壓釜法的缺點是設備投資較大.
(3)熱膨脹模塑法
熱膨脹模塑法是用於生產空腹, 薄壁高性能複合材料製品的一種工藝. 其工作原理是採用不同膨脹係數的模具材料, 利用其受熱體積膨脹不同產生的擠壓力, 對製品施工壓力. 熱膨脹模塑法的陽模是膨脹係數大的矽橡膠, 陰模是膨脹係數小的金屬材料, 手糊未固化的製品放在陽模和陰模之間. 加熱時由於陽, 陰模的膨脹係數不同, 產生巨大的變形差異, 使製品在熱壓下固化.
二, 夾層結構製造技術
夾層結構一般是由三層材料製成的複合材料. 夾層複合材料的上下面層是高強度, 高模量材料, 中間層是較厚的輕質材料, 玻璃纖維夾層結構實際上是複合材料與其它輕質材料的再複合. 採用夾層結構方式是為了提高材料的有效利用率和減輕結構重量, 以梁板構件為例, 在使用過程中, 一要滿足強度要求, 二要滿足剛度的需要, 玻璃纖維材料的特點是強度高, 模量低. 因此, 用單一的玻璃纖維材料製造梁板, 滿足強度要求時, 撓度往往很大, 如果按允許撓度進行設計, 則強度大大超過, 造成浪費. 只有採用夾層結構形式進行設計, 才能合理的解決這一矛盾. 這也是夾層結構得以發展的主要原因.
由於玻璃纖維夾層結構的強度高, 重量輕, 剛度大, 耐腐蝕, 電絕緣及透微波等, 目前已廣泛用於航空工業和宇航工業的飛機, 飛彈, 飛船及樣板, 屋面板, 能大幅度的減輕建築物的重量和改善使用功能. 透明玻璃纖維夾層結構板, 已廣泛用於寒冷地區的工業廠房, 大型公用建築及溫室的採光屋頂. 在造船和交通領域, 玻璃纖維夾層結構廣泛用於玻璃纖維潛艇, 掃雷艇, 遊艇中的許多構件. 我國設計製造的玻璃纖維過街人行橋, 公路橋, 汽車和火車保溫泠藏車等, 均採用了玻璃纖維夾層結構, 滿足了重量輕, 強度高, 剛度大, 隔熱, 保溫等多性能要求. 在要求透微波的雷過罩中, 玻璃纖維夾層結構已成為其它材料不能與之相比的專用材料.
1, 玻璃纖維夾層結構的種類與特點
根據夾層結構所用的芯材種類和形式不同, 玻璃纖維夾層結構分為: 泡沫夾層結構, 蜂窩夾層結構, 梯形板夾層結構, 矩形夾層結構和圓形夾層結構.
(1)泡沫塑料夾層結構 泡沫塑料夾層結構是採用玻璃纖維薄板作蒙皮(面板), 泡沫塑料做夾芯層, 泡沫塑料夾層結構的最大特點是蒙皮和泡沫塑料夾芯層粘接牢固, 受力不大和保溫隔熱性能要求高的部件, 如飛機尾翼, 保溫通風管道及樣板等.
(2)蜂窩夾層結構 蜂窩夾層結構是採用玻璃纖維薄板作蒙皮, 蜂窩材料(玻璃布蜂窩, 紙蜂窩或其它棉布及鋁蜂窩等)做夾芯層. 蜂窩夾層結構的重量輕, 強度高, 剛度大, 多用作結構尺寸大, 強度要求高的結構件, 如玻璃纖維橋的承重板, 球形屋頂結構, 雷達罩, 反射面, 冷藏車地板及箱體結構等.
(3)梯形和矩形帶頭作用層結構 這種帶頭作用層結構的面板(蒙皮)為玻璃纖維薄板, 夾芯層是玻璃纖維梯形板或矩形板. 這種夾層結構方向性強, 僅適用於做高強平板, 不宜用於彎曲形狀的製品.
(4)圓環形夾層結構 它是用玻璃纖維薄板作蒙皮, 用玻璃纖維圓環做夾芯層. 這種夾層結構的特點是芯材耗量少, 強度比較高, 平板受力無方向性, 最適宜做採光用的透明玻璃纖維夾層結構板材, 具有遮擋少, 透光率高的特點.
蜂窩夾層結構製造技術
(1)蜂窩種類 蜂窩的強度與選用原材料和蜂窩幾何形狀有關, 根據平面投影幾何形狀, 蜂窩夾芯材料可分為六邊形, 菱形, 矩形, 正弦曲線形和有加強帶六邊形等. 在這些蜂窩夾芯材料中, 以加強帶六邊形強度最高, 正方形蜂窩次之. 由於正六邊形蜂窩製造簡單, 用料省, 強度也較高, 故應用最廣.
(2)原材料 夾層結構的蒙皮和夾芯材料種類很多, 如果用鋁, 鈦合金做蒙皮和芯材, 則稱為金屬夾層結構;用玻璃纖維薄板, 木質膠合板和無機複合材料板做蒙皮, 用玻璃纖維蜂窩, 紙蜂窩及泡沫塑料做夾芯材料, 則稱為非金屬材料夾層結構. 目前, 以玻璃纖維薄板做蒙皮, 玻璃纖維蜂窩和泡沫塑料做芯材的夾層結構應用最廣. ①玻璃纖維布(增強材料) 生產玻璃纖維夾層結構的玻璃布分為面層布和蜂窩布兩種: 面層布是經過增強處理的中堿和無堿平紋布, 其厚度一般為0.1~ 0.2mm. 為加強蒙皮和蜂窩之間的粘度強度, 常在兩者之間加一層短切玻璃纖維氈. 選用含蠟玻璃布做蜂窩材料, 可以防止樹脂浸透到玻璃布背面, 減少蜂窩塊層間的粘接, 有利於蜂窩成孔拉伸. ②紙 生產蜂窩夾層結構的紙, 要求有良好的樹脂浸潤性和足夠的拉伸強度. ③粘接劑(樹脂) 製造蜂窩夾層結構用的樹脂分蒙皮用樹脂, 蜂窩用樹脂和蜂窩與蒙皮粘接用樹脂. 根據夾層結構的使用條件, 可分別選用環氧樹脂, 不飽和聚酯樹脂, 酚醛樹脂, 有機矽樹脂及鄰苯二甲酸二丙烯酯等. 製造蜂窩膠條時, 通常採用環氧樹脂, 改性酚醛樹脂, 聚醋酸乙烯酯膠和聚乙烯醇縮丁醛膠等. 在這些膠粘劑中, 環氧樹脂粘接強度高, 改性酚醛樹脂價格低, 故應用較多. 聚醋酸乙烯酯膠無毒, 價格便宜, 可以室溫固化, 但用此膠製造的蜂條, 不能浸聚酯膠膠液, 因為聚酯樹脂中的苯乙烯能溶解聚醛酸乙烯, 使蜂條開膠, 破壞.
(3)蜂窩夾芯製造 生產玻璃布夾芯材料時, 主要彩膠接拉伸法. 其工藝過程是先在製造蜂窩芯材的玻璃布上塗膠條, 然後重疊粘接成蜂窩疊塊, 固化後按需要蜂窩高度切成蜂窩條, 經拉伸預成型, 最後浸膠, 固化定型成蜂窩芯材. 製造蜂窩夾芯疊塊的膠條上膠法, 可以採用手械塗膠, 也可以使用機械化塗膠.
(4)蜂窩夾層結構製造 玻璃布蜂窩夾層結構製造技術分濕法和幹法兩種. ①幹法成型 此法是先將蜂窩夾芯和面板作好, 然後再將它們粘接成夾層結構. 為了保證芯材和面板牢固粘接, 常在面板上鋪一層薄氈(浸過膠), 鋪上蜂窩, 加熱加壓, 使之固化成一體. 這種方法製造的夾層結構, 蜂芯和面板的粘接強度可提高到3MPa以上. 幹法成型的優點主要是產品表面光滑, 平整, 生產過程中每道工序都能及時檢查, 產品質量容易保證, 缺點是生產周期長. ②濕法成型 此法是面板和蜂窩夾芯均處於未固化狀態, 在模具上一次膠接成型. 生產時, 先在模具上制好上, 下面板, 然後將蜂窩條浸膠拉開, 放到上, 下面板之間, 加壓(0.01~ 0.08MPa), 固化, 脫模後修整成產品. 濕法成型的優點是蜂窩和面板間粘接強度高, 生產周期短, 最適合於球面, 殼體等異形結構產品生產. 其缺點是產品表面質量差, 生產過程較難控制.
泡沫塑料夾層結構製造技術
(1)原材料 泡沫塑料夾層結構用的原材料分為面板(蒙皮)材料, 夾芯材料和粘接劑.
①面板材料 主要是用玻璃布和樹脂製成的薄板, 與蜂窩夾層結構面板用的材料相同.
②粘接劑 面板和夾芯材料的粘接劑, 主要取決於泡沫塑料種類, 如聚苯乙烯泡沫塑料, 不能用不飽和聚酯樹脂粘接.
③泡沫夾芯材料 泡沫塑料的種類很多, 其分類方法有兩種: 一種是按樹脂基體分, 可分為: 聚氯乙烯泡沫塑料, 聚苯乙烯泡沫塑料, 聚乙烯泡沫塑料, 聚氨酯泡沫塑料, 酚醛, 環氧及不飽和聚酯等熱固性泡沫塑料等. 另一種是近硬度分, 可分為硬質, 半硬質和軟質三種. 用泡沫塑料芯材生產夾層結構的最大優點是防寒, 絕熱, 隔音性能好, 質量輕, 與蒙面粘接面大, 能均勻傳遞荷載, 抗衝擊性能好等.
(2)泡沫塑料製造技術 生產泡沫塑料的發泡方法較多, 有機械發泡法, 惰性氣體混溶減壓發泡法, 低沸點液體蒸發發泡法, 發泡劑分解放氣發泡法和原料組分相互反應放氣發泡法等. ①機械發泡法 利用強烈機械攪拌, 將氣體混入到聚合物溶液, 乳液或懸浮液中, 形成泡沫體, 然後經固化而獲得泡沫塑料. ②惰性氣體混溶減壓發泡法 利用惰性氣體(如氮氣, 二氧化碳等)無色, 無臭, 難與其它化學元素化合的原理, 在高壓下壓入聚合物中, 經升溫, 減壓, 使氣體膨脹發泡. ]14;低沸點液體蒸發發泡法 將低沸點液體壓入聚合物中, 然後加熱聚合物, 當聚合物軟化, 液體達到沸點時, 藉助液體氣化產生的蒸氣壓力, 使聚合物發泡成泡沫體. ④化學發泡劑發泡法 藉助發泡劑在熱作用下分解產生的氣體, 使聚合物體積膨脹, 形成泡沫塑料. ⑤原料化學反應發泡法 此法是利用能發泡的原料組分, 相互反應放出二氧化碳或氮氣等使聚合物膨脹發泡成泡沫體.
(3)泡沫塑料夾層結構製造 泡沫塑料夾層結構的製造方法有: 預製粘接法, 現場澆注成型法和連續機械成型法三種. ①預製粘接法 將蒙皮和泡沫塑料芯材分別製造, 然後再將它們粘接成整體. 預製成型法的優點是能適用各種泡沫塑料, 工藝簡單, 不需要複雜機械設備等. 其缺點是生產效率低, 質量不易保證. ②整體澆注成型法 先預製好夾層結構的外殼, 然後將混合均勻的泡沫料漿澆入殼體內, 經過發泡成型和固化處理, 使泡沫漲滿腔體, 並和殼體粘接成一個整體結構. ③連續成型法 適用於生產泡沫塑料夾層結構板材.
三, 模壓成型工藝
模壓成型工藝是複合材料生產中最古老而又富有無限活力的一種成型方法. 它是將一定量的預混料或預浸料加入金屬對模內, 經加熱, 加壓固化成型的方法.
模壓成型工藝的主要優點:
①生產效率高, 便於實現專業化和自動化生產;②產品尺寸精度高, 重複性好;③表面光潔, 無需二次修飾;④能一次成型結構複雜的製品;⑤因為批量生產, 價格相對低廉.
模壓成型的不足之處在於模具製造複雜, 投資較大, 加上受壓機限制, 最適合於批量生產中小型複合材料製品. 隨著金屬加工技術, 壓機製造水平及合成樹脂工藝性能的不斷改進和發展, 壓機噸位和檯面尺寸不斷增大, 模壓料的成型溫度和壓力也相對降低, 使得模壓成型製品的尺寸逐步向大型化發展, 目前已能生產大型汽車部件, 浴盆, 整體衛生間組件等.
模壓成型工藝按增強材料物態和模壓料品種可分為如下幾種: ①纖維料模壓法 是將經預混或預浸的纖維狀模壓料, 投入到金屬模具內, 在一定的溫度和壓力下成型複合材料製品的方法. 該方法簡便易行, 用途廣泛. 根據具體操作上的不同, 有預混料模壓和預浸料模壓法. ②碎布料模壓法 將浸過樹脂膠液的玻璃纖維布或其它織物, 如麻布, 有機纖維布, 石棉布或棉布等的邊角料切成碎塊, 然後在金屬模具中加溫加壓成型複合材料製品. ③織物模壓法 將預先織成所需形狀的兩維或三維織物浸漬樹脂膠液, 然後放入金屬模具中加熱加壓成型為複合材料製品. ④層壓模壓法 將預浸過樹脂膠液的玻璃纖維布或其它織物, 裁剪成所需的形狀, 然後在金屬模具中經加溫或加壓成型複合材料製品. ⑤纏繞模壓法 將預浸過樹脂膠液的連續纖維或布(帶), 通過專用纏繞機提供一定的張力和溫度, 纏在芯模上, 再放入模具中進行加溫加壓成型複合材料製品. ⑥片狀塑料(SMC)模壓法 將SMC片材按製品尺寸, 形狀, 厚度等要求裁剪下料, 然後將多層片材疊合後放入金屬模具中加熱加壓成型製品. ⑦預成型坯料模壓法 先將短切纖維製成品形狀和尺寸相似的預成型坯料, 將其放入金屬模具中, 然後向模具中注入配製好的粘結劑(樹脂混合物), 在一定的溫度和壓力下成型.
模壓料的品種有很多, 可以是預浸物料, 預混物料, 也可以是坯料. 當前所用的模壓料品種主要有: 預浸膠布, 纖維預混料, BMC, DMC, HMC, SMC, XMC, TMC及ZMC等品種.
1, 原材料
(1)合成樹脂 複合材料模壓製品所用的模壓料要求合成樹脂具有: ①對增強材料有良好的浸潤性能, 以便在合成樹脂和增強材料界面上形成良好的粘結;②有適當的粘度和良好的流動性, 在壓制條件下能夠和增強材料一道均勻地充滿整個模腔;③在壓制條件下具有適宜的固化速度, 並且固化過程中不產生副產物或副產物少, 體積收縮率小;④能夠滿足模壓製品特定的性能要求. 按以上的選材要求, 常用的合成樹脂有: 不飽和聚酯樹脂, 環氧樹脂, 酚醛樹脂, 乙烯基樹脂, 呋喃樹脂, 有機矽樹脂, 聚丁二烯樹脂, 烯丙基酯, 三聚氰胺樹脂, 聚醯亞胺樹脂等. 為使模壓製品達到特定的性能指標, 在選定樹脂品種和牌號後, 還應選擇相應的輔助材料, 填料和顏料.
(2)增強材料 模壓料中常用的增強材料主要有玻璃纖維開刀絲, 無撚粗紗, 有撚粗紗, 連續玻璃纖維束, 玻璃纖維布, 玻璃纖維氈等, 也有少量特種製品選用石棉氈, 石棉織物(布)和石棉紙以及高矽氧纖維, 碳纖維, 有機纖維(如芳綸纖維, 尼龍纖維等)和天然纖維(如亞麻布, 棉布, 煮煉布, 不煮煉布等)等品種. 有時也採用兩種或兩種以上纖維混雜料作增強材料.
(3)輔助材料 一般包括固化劑(引發劑), 促進劑, 稀釋劑, 表面處理劑, 低收縮添加劑, 脫模劑, 著色劑(顏料)和填料等輔助材料.
2, 模壓料的製備
以玻璃纖維(或玻璃布)浸漬樹脂製成的模壓料為例, 其生產工藝可分為預混法和預浸法兩種.
(1)預混法 先將玻璃纖維切割成30~ 50mm的短切纖維, 經蓬鬆後在捏合機中與樹脂膠液充分捏合至樹脂完全浸潤玻璃纖維, 再經烘乾(晾乾)至適當粘度即可. 其特點是纖維鬆散無定向, 生產量大, 用此法生產的模壓料比容大, 流動性好, 但在製備過程中纖維強度損失較大.
(2)預浸法 纖維預浸法是將整束連續玻璃纖維(或布)經過浸膠, 烘乾, 切短而成. 其特點是纖維成束狀, 比較緊密, 製備模壓料的過程中纖維強度損失較小, 但模壓料的流動性及料束之間的相容性稍差.
SMC, BMC, HMC, XMC, TMC及ZMC生產技術
片狀模壓料(Sheet Molding Compound, SMC)是由樹脂糊浸漬纖維或短切纖維氈, 兩邊覆蓋聚乙烯薄膜而製成的一類片狀模壓料, 屬於預浸氈料範圍. 是目前國際上應用最廣泛的成型材料之一.
SMC是用不飽和聚酯樹脂, 增稠劑, 引發劑, 交聯劑, 低收縮添加劑, 填料, 內脫模劑和著色劑等混合成樹脂糊浸漬短切纖維粗紗或玻璃纖維氈, 並在兩面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起來形成的片狀模壓料. SMC作為一種發展迅猛的新型模壓料, 具有許多特點: ①重現性好, 不受操作者和外界條件的影響;②操作處理方便;③操作環境清潔, 衛生, 改善了勞動條件;④流動性好, 可成型異形製品;⑤模壓工藝對溫度和壓力要求不高, 可變範圍大, 可大幅度降低設備和模具費用;⑥纖維長度40~ 50mm, 質量均勻性好, 適宜於壓制截面變化不大的大型薄壁製品;⑦所得製品表面光潔度高, 採用低收縮添加劑後, 表面質量更為理想;⑧生產效率高, 成型周期短, 易於實現全自動機械化操作, 生產成本相對較低.
SMC作為一種新型材料, 根據具體用途和要求的不同又發展出一系列新品種, 如BMC, TMC, HNC, XMC等. ①團狀模壓料(Bulk Molding Compound, BMC) 其組成與SMC極為相似, 是一種改進型的預混團狀模壓料, 可用於模壓和擠出成型. 兩者的區別僅在於材料形態和製作工藝上. BMC中纖維含量較低, 纖維長度較短, 約6~ 18mm, 填料含料較大, 因而BMC製品的強度比SMC製品的強度低, BMC比較適合於壓制小型製品, 而SMC適合於大型薄壁製品. ②厚片狀模壓料(Thick Molding Compound, TMC) 其組成和製作與SMC相似, 厚達50mm. 由於TMC厚度大, 玻璃纖維能隨機分布, 改善了樹脂對玻璃纖維的浸潤性. 此外, 該材料還可以採用注射和傳遞成型. ③高強度模壓料(Hight Molding Compound, HMC) 和高強度片狀模壓料XMC主要用於製造汽車部件. HMC中不加或少加填料, 採用短切玻璃纖維, 纖維含量為65%左右, 玻璃纖維定向分布, 具有極好的流動性和成型表面, 其製品強度約是SMC製品強度的3倍. XMC用定向連續纖維, 纖維含量達70%~ 80%, 不含填料. ④ZMC ZMC是一種模塑成型技術, ZMC三個字母並無實際含義, 而是包含模塑料, 注射模塑機械和模具三種含義. ZMC製品既保持了較高的強度指標, 又具有優良的外觀和很高的生產效率, 綜合了SMC和BMC的優點, 獲得了較快的發展.
1, SMC的原材料
SMC的原材料由合成樹脂, 增強材料和輔助材料三大類組成.
(1)合成樹脂 合成樹脂為不飽和聚酯樹脂, 不同的不飽和樹脂對樹脂糊的增稠效果, 工藝特性以及製品性能, 收縮率, 表面狀態均有直接的影響. SMC對不飽和聚酯樹脂有以下要求: ①粘度低, 對玻璃纖維浸潤性能好;②同增稠劑具有足夠的反應性, 滿足增稠要求;③固化迅速, 生產周期短, 效率高;④固化物有足夠的熱態強度, 便於製品的熱脫模;⑤固化物有足夠的韌性, 製品發生某些變形時不開裂;⑥較低的收縮率.
(2)增強材料 增強材料為短切玻璃纖維粗紗或原絲. 在不飽和聚酯樹脂模塑料中, 用於SMC的增強材料目前只有短切玻璃纖維氈, 而用於預混料的增強材料比較多, 有短切玻璃纖維, 石棉纖維, 麻和其它各種有機纖維. 在SMC中, 玻璃纖維含量可在5%~ 50%之間調節.
(3)輔助材料輔助材料包括固化劑(引發劑), 表面處理劑, 增稠劑, 低收縮添加劑, 脫模劑, 著色劑, 填料和交聯劑.
2, SMC的製備工藝
SMC生產的工藝流程主要包括樹脂糊製備, 上糊操作, 纖維切割沉降及浸漬, 樹脂稠化等過程, 其工藝流程圖如下:
(1)樹脂糊的製備及上糊操作 樹脂糊的製備有兩種方法--間歇法和連續法. 間歇法程序如下: ①將不飽和聚酯樹脂和苯乙烯倒入配料釜中, 攪拌均勻;②將引發劑倒入配料釜中, 與樹脂和苯乙烯混勻;③在攪拌作用下加入增稠劑和脫模劑;④在低速攪拌下加入填料和低收縮添加劑;⑤在配方所列各組分分散為止, 停止攪拌, 靜置待用. 連續法是將SMC配方中的樹脂糊分為兩部分, 即增稠劑, 脫模劑, 部分填料和苯乙烯為一部分, 其餘組分為另一部分, 分別計量, 混勻後, 送入SMC機組上設置的相應貯料容器內, 在需要時由管路計量泵計量後進入靜態混合器, 混合均勻後輸送到SMC機組的上糊區, 再塗布到聚乙烯薄膜上.
(2)浸漬和壓實 經過塗布樹脂糊的下承載薄膜在機組的牽引下進入短切玻璃纖維沉降室, 切割好的短切玻璃纖維均勻沉降在樹脂糊上, 達到要求的沉降量後, 隨傳動裝置離開沉降室, 並和塗布有樹脂糊的上承載薄膜相疊合, 然後進入由一系列錯落排列的錕陣中, 在張力和輥的作用下, 下, 上承載薄膜將樹脂糊和短切玻璃纖維緊緊壓在一起, 經過多次反覆, 使短切玻璃纖維浸漬樹脂並趕走其中的氣泡, 形成密實而均勻的連續SMC片料.
製品壓制工藝
複合材料製品壓制工藝的基本流程如圖:
複合材料模壓料按其成型周期的長短, 一般可分為快速成型工藝和慢速成型工藝兩種. 快速成型工藝適用於壓制小型薄壁複合材料製品, 慢速成型工藝適用於壓制大型厚壁複合材料製品.
四, 層壓及卷管成型工藝
1, 層壓成型工藝
層壓成型是將預浸膠布按照產品形狀和尺寸進行剪裁, 疊加後, 放入兩個拋光的金屬模具之間, 加溫加壓成型複合材料製品的生產工藝. 它是複合材料成型工藝中發展較早, 也較成熟的一種成型方法. 該工藝主要用於生產電絕緣板和印刷電路板材. 現在, 印刷電路板材已廣泛應用於各類收音機, 電視機, 電話機和行動電話機, 電腦產品, 各類控制電路等所有需要平面整合電路的產品中.
層壓工藝主要用於生產各種規格的複合材料板材, 具有機械化, 自動化程度高, 產品質量穩定等特點, 但一次性投資較大, 適用於批量生產, 並且只能生產板材, 且規格受到設備的限制.
層壓工藝過程大致包括: 預浸膠布製備, 膠布裁剪疊合, 熱壓, 冷卻, 脫模, 加工, 後處理等工序, 如圖所示:
2, 卷管成型工藝
卷管成型工是用預浸膠布在卷管機上熱捲成型的一種複合材料製品成型方法, 其原理是藉助卷管機上的熱輥, 將膠布軟化, 使膠布上的樹脂熔融. 在一定的張力作用下, 輥筒在運轉過程中, 藉助輥筒與芯模之間的摩擦力, 將膠布連續卷到芯管上, 直到要求的厚度, 然後經冷輥冷卻定型, 從卷管機上取下, 送入固化爐中固化. 管材固化後, 脫去芯模, 即得複合材料卷管.
卷管成型按其上布方法的不同而可分為手工上布法和連續機械法兩種. 其基本過程是: 首先清理各輥筒, 然後將熱輥加熱到設定溫度, 調整好膠布張力. 在壓輥不施加壓力的情況下, 將引頭布先在塗有脫模劑的管芯模上纏上約1圈, 然後放下壓輥, 將引頭布貼在熱輥上, 同時將膠布拉上, 蓋貼在引頭布的加熱部分, 與引頭布相搭接. 引頭布的長度約為800~ 1200mm, 視管徑而定, 引頭布與膠布的搭接長度, 一般為150~ 250mm. 在卷制厚壁管材時, 可在卷制正常運行後, 將芯模的旋轉速度適當加快, 在接近設計壁厚時再減慢轉速, 至達到設計厚度時, 切斷膠布. 然後在保持壓輥壓力的情況下, 繼續使芯模旋轉1~ 2圈. 最後提升壓輥, 測量管坯外徑, 合格後, 從卷管機上取出, 送入固化爐中固化成型.
3, 預浸膠布製備工藝
預浸膠布是生產複合材料層壓板材, 卷管和布帶纏繞製品的半成品.
(1)原材料 預浸膠布生產所需的主要原材料有增強材料(如玻璃布, 石棉布, 合成纖維布, 玻璃纖維氈, 石棉氈, 碳纖維, 芳綸纖維, 石棉紙, 牛皮等)和合成樹脂(如酚醛樹脂, 氨基樹脂, 環氧樹脂, 不飽和聚酯樹脂, 有機矽樹脂等).
(2)預浸膠布的製備工藝 預浸膠布的製備是使用經熱處理或化學處理的玻璃布, 經浸膠槽浸漬樹脂膠液, 通過刮膠裝置和牽引裝置控制膠布的樹脂含量, 在一定的溫度下, 經過一定時間的洪烤, 使樹脂由A階轉至B階, 從而得到所需的預浸膠布. 通常將此過程稱之為玻璃的浸膠. 該過程如下圖所示:
五, 纏繞成型工藝
纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續纖維(或布帶, 預浸紗)按照一定規律纏繞到芯模上, 然後經固化, 脫模, 獲得製品. 根據纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態不同, 分為幹法纏繞, 濕法纏繞和半幹法纏繞三種.
(1)幹法纏繞 幹法纏繞是採用經過預浸膠處理的預浸紗或帶, 在纏繞機上經加熱軟化至粘流態後纏繞到芯模上. 由於預浸紗(或帶)是專業生產, 能嚴格控制樹脂含量(精確到2%以內)和預浸紗質量. 因此, 幹法纏繞能夠準確地控制產品質量. 幹法纏繞工藝的最大特點是生產效率高, 纏繞速度可達100~ 200m/min, 纏繞機清潔, 勞動衛生條件好, 產品質量高. 其缺點是纏繞設備貴, 需要增加預浸紗製造設備, 故投資較大此外, 幹法纏繞製品的層間剪切強度較低.
(2)濕法纏繞 濕法纏繞是將纖維集束(紗式帶)浸膠後, 在張力控制下直接纏繞到芯模上. 濕法纏繞的優點為: ①成本比幹法纏繞低40%;②產品氣密性好, 因為纏繞張力使多餘的樹脂膠液將氣泡擠出, 並填滿空隙;③纖維排列平行度好;④濕法纏繞時, 纖維上的樹脂膠液, 可減少纖維磨損;⑤生產效率高(達200m/min). 濕法纏繞的缺點為: ①樹脂浪費大, 操作環境差;②含膠量及成品質量不易控制;③可供濕法纏繞的樹脂品種較少.
(3)半幹法纏繞 半幹法纏繞是纖維浸膠後, 到纏繞至芯模的途中, 增加一套烘乾設備, 將浸膠紗中的溶劑除去, 與幹法相比, 省卻了預浸膠工序和設備;與濕法相比, 可使製品中的氣泡含量降低.
三種纏繞方法中, 以濕法纏繞應用最為普遍;幹法纏繞僅用於高性能, 高精度的尖端技術領域.
纖維纏繞成型的優點 ①能夠按產品的受力狀況設計纏繞規律, 使能充分發揮纖維的強度;②比強度高: 一般來講, 纖維纏繞壓力容器與同體積, 同壓力的鋼質容器相比, 重量可減輕40~ 60%;③可靠性高: 纖維纏繞製品易實現機械化和自動化生產, 工藝條件確定後, 纏出來的產品質量穩定, 精確;④生產效率高: 採用機械化或自動化生產, 需要操作工人少, 纏繞速度快(240m/min), 故勞動生產率高;⑤成本低: 在同一產品上, 可合理配選若干種材料(包括樹脂, 纖維和內襯), 使其再複合, 達到最佳的技術經濟效果.
纏繞成型的缺點 ①纏繞成型適應性小, 不能纏任意結構形式的製品, 特別是表面有凹的製品, 因為纏繞時, 纖維不能緊貼芯模表面而架空;②纏繞成型需要有纏繞機, 芯模, 固化加熱爐, 脫模機及熟練的技術工人, 需要的投資大, 技術要求高, 因此, 只有大批量生產時才能降低成本, 才能獲得較的的技術經濟效益.
1, 原材料
纏繞成型的原材料主要是纖維增強材料, 樹脂和填料.
(1)增強材料 纏繞成型用的增強材料, 主要是各種纖維紗: 如無堿玻璃纖維紗, 中堿玻璃纖維紗, 碳纖維紗, 高強玻璃纖維紗, 芳綸纖維紗及表面氈等.
(2)樹脂基體 樹脂基體是指樹脂和固化劑組成的膠液體系. 纏繞製品的耐熱性, 耐化學腐蝕性及耐自然老化性主要取決於樹脂性能, 同時對工藝性, 力學性能也有很大影響. 纏繞成型常用樹脂主要是不飽和聚酯樹脂, 也有時用環氧樹脂和雙馬來醯亞胺樹脂等. 對於一般民用製品如管, 罐等, 多採用不飽和聚酯樹脂. 對力學性能的壓縮強度和層間剪切強度要求高的纏繞製品, 則可選用環氧樹脂. 航天航空製品多採用具有高斷裂韌性與耐濕性能好的雙馬來醯亞胺樹脂.
(3)填料 填料種類很多, 加入後能改善樹脂基體的某些功能, 如提高耐磨性, 增加阻燃性和降低收縮率等. 在膠液中加入空心玻璃微珠, 可提高製品的剛性, 減小密度降低成本等. 在生產大口徑地埋管道時, 常加入30%石英砂, 藉以提高產品的剛性和降低成本. 為了提高填料和樹脂之間的粘接強度, 填料要保證清潔和表面活性處理.
2, 芯模
成型中空製品的內模稱芯模. 一般情況下, 纏繞製品固化後, 芯模要從製品內脫出.
芯模設計的基本要求 ①要有足夠的強度和剛度, 能夠承受製品成型加工過程中施加於芯模的各種載荷, 如自重, 製品重, 纏繞張力, 固化應力, 二次加工時的切削力等;②能滿足製品形狀和尺寸精度要求, 如形狀尺寸, 同心度, 橢圓度, 錐度(脫模), 表面光潔度和平整度等;③保證產品固化後, 能順利從製品中脫出;④製造簡單, 造價便宜, 取材方便.
芯模材料 纏繞成型芯模材料分兩類: 熔, 溶性材料和組裝式材料. 熔, 溶性材料是指石蠟, 水溶性聚乙烯醇型砂, 低熔點金屬等, 這類材料可用澆鑄法製成空心或實心芯模, 製品纏繞成型後, 從開口處通入熱水或高壓蒸汽, 使其溶, 熔, 從製品中流出, 流出的溶體, 冷卻後重複使用. 組裝式芯模材料常用的有鋁, 鋼, 夾層結構, 木材及石膏等. 另外還有內襯材料, 內襯材料是製品的組成部分, 固化後不從製品中取出, 內襯材料的作用主要是防腐和密封, 當然也可以起到芯模作用, 屬於這類材料的有橡膠, 塑料, 不鏽鋼和鋁合金等.
3, 纏繞機
纏繞機是實現纏繞成型工藝的主要設備, 對纏繞機的要求是: ①能夠實現製品設計的纏繞規律和排紗準確;②操作簡便;③生產效率高;④設備成本低.
纏繞機主要由芯模驅動和繞絲嘴驅動兩大部分組成. 為了消除繞絲嘴反向運動時纖維松線, 保持張力穩定及在封頭或錐形纏繞製品紗帶布置精確, 實現小纏繞角(0°~ 15°)纏繞, 在纏繞機上設計有垂直芯軸方向的橫向進給(伸臂)機構. 為防止繞絲嘴反向運動時紗帶轉擰, 伸臂上設有能使繞絲嘴翻志的機構.
我國60年代研製成功鏈條式纏繞機, 70年代引進德國WE-250數控纏繞機, 改進後實現國產化生產, 80年代後我國引進了各種型式纏繞機40多台, 經過改進後, 自己設計製造成功微機控制纏繞機, 並進入國際市場.
機械式纏繞機類型
(1)繞臂式平面纏繞機 其特點是繞臂(裝有繞絲嘴)圍繞芯模做均勻旋轉運動, 芯模繞自身軸線作均勻慢速轉動, 繞臂(即繞絲嘴)每轉一周, 芯模轉過一個小角度. 此小角度對應纏繞容器上一個紗片寬度, 保證紗片在芯模上一個緊挨一個地布滿容器表面. 芯模快速旋轉時, 繞絲嘴沿垂直地面方向緩慢地上下移動, 此時可實現環向纏繞, 使用這種纏繞機的優點是, 芯模受力均勻, 機構運行平穩, 排線均勻, 適用於幹法纏繞中小型短粗筒形容器.
(2)滾翻式纏繞機 這種纏繞機的芯模由兩個搖支承, 纏繞時芯模自身軸旋轉, 兩臂同步旋轉使芯模翻滾一周, 芯模自轉一個與紗片寬相適應的角度, 而纖維紗由固定的伸臂供給, 實現平面纏繞, 環向纏繞由附加裝置來實現. 由於滾翻動作機構不宜過大, 故此類纏繞機只適用於小型製品, 且使用不廣泛.
(3)臥式纏繞機 這種纏繞機是由鏈條帶動小車(繞絲嘴)作往複運動, 並在封頭端有瞬時停歇, 芯模繞自身軸作等速旋轉, 調整兩者速度可以實現平面纏繞, 環向纏繞和螺旋纏繞, 這種纏繞機構造簡單, 用途廣泛, 適宜於纏繞細長的管和容器.
(4)軌道式纏繞機 軌道式纏繞機分立式和臥式兩種. 紗團, 膠槽和繞絲嘴均裝在小車上, 當小車沿環形軌道繞芯模一周時, 芯模自身轉動一個紗片寬度, 芯模軸線和水平面的夾角為平面纏繞角α. 從而形成平面纏繞型, 調整芯模和小車的速度可以實現環向纏繞和螺旋纏繞. 軌道式纏繞機適合於生產大型製品.
(5)行星式纏繞機 芯軸和水平面傾斜成α角(即纏繞角). 纏繞成型時, 芯模作自轉和公轉兩個運動, 繞絲嘴固定不動. 調整芯模自轉和公轉速度可以完成平面纏繞, 環向纏繞和螺旋纏繞. 芯模公轉是主運動, 自轉為進給運動. 這種纏繞機適合於生產小型製品.
(6)球形纏繞機 球形纏繞機有4個運動軸, 球形纏繞機的繞絲嘴轉動, 芯模旋轉和芯模偏擺, 基本上和搖臂式纏繞機相同, 第四個軸運動是利用繞絲嘴步進實現紗片纏繞, 減少極孔外纖維堆積, 提高容器臂厚的均勻性. 芯模和繞絲嘴轉動, 使纖維布滿球體表面. 芯模軸偏轉運動, 可以改變纏繞極孔尺寸和調節纏繞角, 滿足製品受力要求.
(7)電纜式縱環向纏繞機 縱環向電纜式纏繞機適用於生產無封頭的筒形容器和各種管道. 裝有縱向紗團的轉環與芯模同步旋轉, 並可沿芯模軸嚮往複運動, 完成縱向紗鋪放, 環向紗裝在轉環兩邊的小車上, 當芯模轉動, 小車沿芯模軸向作往複運動時, 完成環向紗纏繞. 根據管道受力情況, 可以任意調整縱環向紗數量比例.
(8)新型纏管機 新型纏管機與現行纏繞機的區別在於, 它是靠管芯自轉, 並同時能沿管長方向作往複運動, 完成纏繞過程. 這種新型纏繞機的優點是, 繞絲嘴固定, 為工人處理斷頭, 毛絲以及看管帶來很大方便;多路進紗可實現大容量進絲纏繞, 纏繞速度快, 布絲均勻, 有利於提高產品重量和產量.
六, 連續成型工藝
複合材料製品的連續成型工藝, 是指從投入原材料開始, 經過浸膠, 成型, 固化, 脫模, 切斷等工序, 直到最後獲得成品的整個工藝過程, 都是在連續不斷地進行.
根據生產的產品不同, 連續成型工藝分為連續拉擠成型工藝, 連續纏繞成型工藝和連續制板工藝三種.
連續纏繞成型工藝 主要用於生產不同口徑的玻璃纖維管和罐身. 連續纏繞機的特點是: 生產效率高, 產品質量穩定, 勞動強度低, 節省原材料, 減少芯模數量等, 但這種工藝技術含量高, 設備投資大, 變徑難度大. 另一種工藝是將塑料管擠出技術和纖維纏繞工藝相結合, 塑料內襯玻璃纖維管, 擠出的塑料管同時起到芯模和防腐內襯兩個作用.
拉擠成型工藝 主要用於生產各種玻璃纖維型材, 如玻璃纖維棒, 工字型, 角型, 槽型, 方型, 空腹型及異形斷面型材等. 目前最大的拉擠成型機, 可以生產斷面為800mm×800mm的空腹玻璃纖維型材. 新型拉擠成型技術不斷湧現, 如RIM拉擠成型機, 彎曲形型材拉擠工藝等.
連續制板工藝 主要是用玻璃纖氈, 布為增強材料, 連續不斷地生產各種規格平板, 波紋板和夾層結構板等.
連續成型工藝的共同特點: ①生產過程完全實現機械化身自動化, 生產效率高;②生產過程不間斷, 製品長度不限;③產品無需後加工, 生產過程中邊角廢料少, 節省原料和能源;④產品質量穩定, 重複性好, 成品率高;⑤操作方便, 省人力, 勞動條件好;⑥成本低.
拉擠成型工藝
拉擠成型工藝是將浸漬樹脂膠液的連續玻璃纖維束, 帶或布等, 在牽引力的作用下, 通過擠壓模具成型, 固化, 連續不斷地生產長度不限的玻璃纖維型材. 這種工藝最適於生產各種斷面形狀的玻璃纖維型材, 如棒, 管, 實體型材(工字形, 槽形, 方形型材)和空腹型材(門窗型材, 葉片等)等.
拉擠成型是複合材料成型工藝中的一種特殊工藝, 其優點是: ①生產過程完全實現自動化控制, 生產效率高;②拉擠成型製品中纖維含量可高達80%, 浸膠在張力下進行, 能充分發揮增強材料的作用, 產品強度高;③製品縱, 橫向強度可任意調整, 可以滿足不同力學性能製品的使用要求;④生產過程中無邊角廢料, 產品不需後加工, 故較其它工藝省工, 省原料, 省能耗;⑤製品質量穩定, 重複性好, 長度可任意切斷.
拉擠成型工藝的缺點是產品形狀單調, 只能生產線形型材, 而且橫向強度不高.
(1)拉擠工藝用原材料
①樹脂基體 在拉擠工藝中, 應用最多的是不飽和聚酯樹脂, 約佔本工藝樹脂用量的90以上, 另外還有環氧樹脂, 乙烯基樹脂, 熱固性甲基丙烯酸樹脂, 改性酚醛樹脂, 阻燃性樹脂等.
②增強材料 拉擠工藝用的增強材料, 主要是玻璃纖維及其製品, 如無撚粗紗, 連續纖維氈等. 為了滿足製品的特殊性能要求, 可以選用芳綸纖維, 碳纖維及金屬纖維等. 不論是哪種纖維, 用於拉擠工藝時, 其表面都必須經過處理, 使之與樹脂基體能很好的粘接.
③輔助材料 拉擠工藝的輔助材料主要有脫模劑和填料.
(2)拉擠成型模具
模具是拉擠成型技術的重要工具, 一般由預成型模和成型模兩部分組成. ①預成型模具 在拉擠成型過程中, 增強材料浸漬樹脂後(或被浸漬的同時), 在進入成型模具前, 必須經過由一組導紗元件組成的預成型模具, 預成型模的作用是將浸膠後的增強材料, 按照型材斷面配置形式, 逐步形成近似成型模控形狀和尺寸的預成型體, 然後進入成型模, 這樣可以保證製品斷面含紗量均勻. ②成型模具 成型模具橫截面面積與產品橫截面面積之比一般應大於或等於10, 以保證模具有足夠的強度和剛度, 加熱後熱量分布均勻和穩定. 拉擠模具長度是根據成型過程中牽引速度和樹脂凝膠固化速度決定, 以保證製品拉出時達到脫模固化程度. 一般採用鋼鍍鉻, 模腔表面要求光潔, 耐磨, 藉以減少拉擠成型是的摩擦阻力和提高模具的使用壽命.
(3)拉擠成型工藝
拉擠成型工藝過程是由送紗, 浸膠, 預成型, 固化定型, 牽引, 切斷等工序組成. 無撚粗紗從紗架引出後, 經過排紗器進入浸膠槽浸透樹脂膠液, 然後進入預成型模, 將多餘樹脂和氣泡排出, 再進入成型模凝膠, 固化. 固化後的製品由牽引機連續不斷地從模具拔出, 最後由切斷機定長切斷. 在成型過程中, 每道工序都可以有不同方法: 如送紗工序, 可以增加連續纖維氈, 環向纏繞紗或用三向織物以提高製品橫向強度;牽引工序可以是履帶式牽引機, 也可以用機械手;固化方式可以是模內固化, 也可以用加熱爐固化;加熱方式可以是高頻電加熱, 也可以用熔融金屬(低熔點金屬)等.
(4)其它拉擠成型工藝
拉擠成型工藝除立式和臥式機組外, 尚有彎曲形製品拉擠成型工藝, 反應注射拉擠工藝和含填料的拉擠工藝等.
連續纏管工藝
連續纏管工藝與定長玻璃纖維管相比有如下特點: ①生產連續, 易實現自動化管理和快速固化, 生產效率高;②需要的輔助設備少, 特別是模具需用量少, 產品更換投資少;③產品長度可任意切斷, 使用長這(12m或15m), 可以減少管接頭數量, 降低工程造價;④生產過程自動化, 工藝參數集中控制, 產品質量容易保證.
另一種連續制管工藝採用塑料管和玻璃纖維複合工藝, 即EPF法, 用此法生產的複合材料管比普通玻璃纖維管的防腐, 抗滲性好.
(1)連續纏管原料
連續纏管用的原材料, 要同是滿足產品的使用要求和工藝生產要求.
①增強材料 根據玻璃纖維管和PVC/玻璃纖維複合管的生產要求, 增強材料品種有表面氈, 短切玻纖氈或針刺複合氈與表面氈合用, 無撚粗紗.
②樹脂基體 連續纏管用的樹脂主要是不飽和聚酯樹脂. 連續纏管工藝對樹脂的要求是: 粘度適當, 易浸透纖維, 凝膠時間長, 固化時間短, 固化放熱低, 固化收縮小.
③輔助材料 為了提高管材的剛度, 常加入石英砂, 其添加量可達30%(最高). 脫模劑用聚酯薄膜, 薄膜裁成帶, 寬度為鋼頻寬度一倍, 纏繞搭接1/2.
(2)連續纏管工藝
連續纏管是用預浸玻璃纖維紗或帶(或現浸), 按設計的纏繞規律纏繞在芯模上, 經外, 內加熱固化成型, 在芯模上鋼帶推動下, 連續不斷地向前推進, 脫模, 再經二次固化後定長切斷. 改變管徑時, 只需要更換制管機的芯模便可, 其工藝流程如下:
連續制板工藝
連續制板工藝始於二戰後FRP工業由軍轉民時代, 我國自1965年初開始研究, 首先研究成功的是鋼絲網增強聚氯乙波形板生產紅, 產品為橫波形瓦, 70年代在上海研製成縱波聚酯玻璃纖維生產線, 80年代先後引進3條板材連續生產線, 其生產技術達國際先進水平.
玻璃纖維波形板是建築工業中用量最大的一種產品. 主要用於臨時建築工程, 工業建築的屋頂採光及農業溫室. 與傳統的石棉瓦相比, 具有質量輕, 強度高, 抗衝擊, 能透光及美觀耐久等特點.
玻璃纖維波形板分為縱波板和橫波板兩類, 縱波板的波紋方向平行於板的長邊, 橫波板的波紋方向垂直於板的長邊. 就波紋形狀而言, 有標準型連續圓弧波, 連續異形波紋和不連續異形波紋.
連續制板工藝, 國內外大致相同, 只是在設備的局部構造和工藝措施方面略有不同.
七, 熱塑性複合材料成型工藝
熱塑性複合材料是以玻璃纖維, 碳纖維, 芳綸纖維等增強各種熱塑性樹脂的總稱, 國外稱FRTP(Fiber Rinforced Thermo Plastics). 由於熱塑性樹脂和增強材料種類不同, 其生產工藝和製成的複合材料性能差別很大.
從生產工藝角度分析, 塑性複合材料分為短纖維增強複合材料和連續纖維增強複合材料兩大類: (1)短纖維增強複合材料 ①注射成型工藝;②擠出成型工藝;③離心成型工藝. (2)連續纖維增強及長纖維增強複合材料 ①預浸料模壓成型;②片狀模塑料衝壓成型;③片狀模塑料真空成型;④預浸紗纏繞成型;⑤拉擠成型.
熱塑性複合材料的特殊性能如下:
(1)密度小, 強度高 熱塑性複合材料的密度為1.1~ 1.6g/cm3, 僅為鋼材的1/5~ 1/7, 比熱固性玻璃纖維輕1/3~ 1/4. 它能夠以較小的單位質量獲得更高的機械強度. 一般來講, 不論是通用塑料還是工程塑料, 用玻璃纖維增強後, 都會獲得較高的增強效果, 提高強度應用檔次.
(2)性能可設計性的自由度大 熱塑性複合材料的物理性能, 化學性能, 力學性能, 都是通過合理選擇原材料種類, 配比, 加工方法, 纖維含量和鋪層方式進行設計. 由於熱塑性複合材料的基體材料種類比熱固性複合材料多很多, 因此, 其選材設計的自由度也就大得多.
(3)熱性能 一般塑料的使用溫度為50~ 100℃, 用玻璃纖維增強後, 可提高到100℃以上. 尼龍6的熱變形溫度為65℃, 用30%玻纖增強後, 熱形溫度可提高到190℃. 聚醚醚酮樹脂的耐熱性達220℃, 用30%玻纖增強後, 使用溫度可提高到310℃, 這樣高的耐熱性, 熱固性複合材料是達不到的. 熱塑性複合材料的線膨脹係數比未增強的塑料低1/4~ 1/2, 能夠降低製品成型過程中的收縮率, 提高製品尺寸精度. 其導熱係數為0.3~ 0.36W(㎡·K), 與熱固性複合材料相似.
(4)耐化學腐蝕性 複合材料的耐化學腐蝕性, 主要由基體材料的性能決定, 熱塑性樹脂的種類很多, 每種樹脂都有自己的防腐特點, 因此, 可以根據複合材料的使用環境和介質條件, 對基體樹脂進行優選, 一般都能滿足使用要求. 熱塑性複合材料的耐水性優於熱固性複合材料.
(5)電性能 一般熱塑性複合材料都具有良好的介電性能, 不反射無線電電波, 透過微波性能良好等. 由於熱塑性複合材料的吸水率比熱固性玻璃纖維小, 故其電性能優於後者. 在熱塑性複合材料中加入導電材料後, 可改善其導電性能, 防止產生靜電.
(6)廢料能回收利用 熱塑性複合材料可重複加工成型, 廢品和邊角餘料能回收利用, 不會造成環境汙染.
由於熱塑性複合材料有很多優於熱固性玻璃纖維的特殊性能, 應用領域十分廣泛, 從國外的應用情況分析, 熱塑性複合材料主要用於車輛製造工業, 機電工業, 化工防腐及建築工程等方面.
1, 注射成型工藝
注射成型是熱塑性複合材料的主要生產方法, 曆史悠久, 應用最廣. 其優點是: 成型周期短, 能耗最小, 產品精度高, 一次可成型開關複雜及帶有嵌件的製品, 一模能生產幾個製品, 生產效率高. 缺點是不能生產纖維增強複合材料製品和對模具質量要求較高. 根據目前的技術發展水平, 注射成型的最大產品為5kg, 最小到1g, 這種方法主要用來生產各種機械零件, 建築製品, 家電殼體, 電器材料, 車輛配件等.
2, 擠出成型工藝
擠出成型是熱塑性複合材料製品生產中應用較廣的工藝之一. 其主要特點是生產過程連續, 生產效率高, 設備簡單, 技術容易掌握等. 擠出成型工藝主要用於生產管, 棒, 板及異型斷面型等產品. 增強塑料管玻纖增強門窗異型斷面型材, 在我國有很大市場. 擠出成型複合材料製品的工藝流程如下:
3, 纏繞成型工藝
熱塑性複合材料的纏繞成型工藝原理和纏繞機設備與熱固性玻璃的一樣, 不同的是熱塑性複合材料纏繞製品的增強材料不是玻纖粗紗, 而是經過浸膠(熱塑性樹脂)的預浸紗. 因此, 需要在纏繞機上增加預浸紗預熱裝置和加熱加壓輥. 纏繞成型時, 先將預浸紗加熱到軟化點, 再與芯模的接觸點加熱, 並加壓輥加壓, 使其熔接成一個整體.
4, 熱塑性複合材料拉擠成型
熱塑性複合材料的拉擠成型工藝與熱固性玻璃纖維的基本相似. 只要把進入模具前的浸膠方法加以改造, 生產熱固性玻璃纖維的設備便可使用. 生產熱塑性複合材料拉擠產品的增強材料有兩種: 一種是經過浸膠的預浸紗或預浸帶, 另一種是未浸膠的纖維或纖維帶.
5, 焊接層合法
此法系利用熱塑性複合材料的可焊性, 生產複合材料板材. 其方法如下: 先在工作台上壓鋪一層預浸料(一般寬500mm), 鋪第二層浸料時, 開動壓輥的焊接器, 使預浸料進入壓輥下, 焊接器使上下兩層預浸料在幾秒鐘內同時受熱熔化, 當機器向前移動時, 預浸料在壓輥的壓力(0.3MPa)作用下粘合成一體. 如此重複, 可生產任意厚度的板材.
6, 熱塑性片狀模塑料製品衝壓成型工藝
熱塑性片狀模塑製品衝壓成型與熱固性SMC壓製成型不同, 它要先將坯料預熱, 然後再放放模具加壓成型.
7, 熱塑性複合材料的連接技術
熱塑性複合材料的連接方法很多, 例舉如下: ①鉚接 用於熱塑性複合材料鉚接用的鉚釘, 一般都是用連續纖維增強熱塑性塑料製造, 最好是用拉擠棒材製造. 施工時, 鉚釘預熱到可以加壓塑變的溫度, 鉚釘與孔徑應能嚴密配合, 不能大, 也不能小. 也可以用金屬螺栓. 鉚接的優點是耐衝擊性好, 無電化學腐蝕, 價格便宜. ②焊接 熱塑性複合材料的焊接處理, 是將被連接材料的焊接表面加熱到熔化狀態, 然後搭接加壓, 使之接成一體. 複合材料焊接原理與塑料焊接相似, 但必須注意焊接處的纖維增強效果不能降低很多. ③管件對接焊 熱塑性複合材料管的對接焊方法有直接對接和補強對接焊兩種. 這種連接方法的優點是工藝簡單, 可在現場施工, 不需對管子進行機械加工, 連接強度高, 不易斷裂. 缺點是成本高, 工藝要求嚴格, 要保證尺寸緊密配合. ④纏繞焊接 用預浸帶沿焊縫手工或機械纏繞, 同是用火焰噴槍對接觸點加熱熔融, 使之與被連接件粘牢. 選擇預浸帶時, 要注意纖維的方向和含量. 此法較實用, 被連接材料能保留較好的性能, 但易出現加熱不均的現象. ⑤薄板超聲波焊接 此法是用超聲波對被連接處進行加熱焊接, 一般能夠獲得較高的連接強度.
八, 其它成型工藝
聚合物基複合材料的其它成型工藝, 主要指離心成型工藝, 澆鑄成型工藝, 彈性體貯存樹脂成型工藝(ERM), 增強反應注射成型工藝(RRIM)等.
1, 離心成型工藝
離心成型工藝在複合材料製品生產中, 主要是用於製造管材(地埋管), 它是將樹脂, 玻璃纖維和填料按一定比例和方法加入到旋轉的模腔內, 依靠高速旋轉產生的離心力, 使物料擠壓密實, 固化成型.
離心玻璃纖維管分為壓力管非壓力管兩類, 其使用壓力為0~ 18MPa. 這種管的管徑一般為φ400~ φ2500mm, 最大管徑或達5m, 以φ1200mm以上管徑經濟效果最佳, 離心管的長度2~ 12m, 一般為6 m.
離心玻璃纖維管的優點很多, 與普通玻璃纖維管和混凝土管相比, 它強度高, 重量輕, 防腐, 耐磨(是石棉水泥管的5~ 10倍), 節能, 耐久(50年以上)及綜合工程造價低, 特別是大口徑管等;與纏繞加砂玻璃纖維管相比, 其最大特點是剛度大, 成本低, 管壁可以按其功能設計成多層結構. 離心法制管質量穩定, 原材料損耗少, 其綜合成本低於鋼管. 離心玻璃纖維管可埋深15m, 能隨真空及外壓. 其缺點是內表面不夠光滑, 水力學特性比較差.
離心玻璃纖維管的應用前景十分廣闊, 其主要應用範圍包括: 給水及排水工程幹管, 油田注水管, 汙水管, 化工防腐管等.
(1)原材料
生產離心管的原材料有樹脂, 玻璃纖維及填料(粉狀和粒狀填料)等.
樹脂 應用最廣的是不飽和聚酯樹脂, 可根據使用條件和工藝要求選擇樹脂牌號和固化劑.
增強材料 主工是玻璃纖維及其製品. 玻纖製品有連續纖維氈, 網格布及單向布等, 製造異形斷面製品時, 可先將玻纖製成預製品, 然後放入模內.
填料 填料的作是用增加製品的剛度, 厚度, 降低成本, 填料的種類要根據使用要求選擇, 一般為石英砂, 石英粉, 輝綠岩粉等.
(2)工藝流程
離心制管工藝流程如下:
離心制管的加料方法與纏繞成型工藝不同, 加料系統是把樹脂, 纖維和填料的供料裝置, 統一安裝在可往複運動的小車上.
(3)模具
離心法生產玻璃纖維管的模具, 主要是鋼模, 模具分整體式和拼裝式兩種: 小於φ800mm管的模具, 用整體式, 大於φ800mm管的模具, 可以用拼裝式.
模具設計要保證有足夠的強度和剛度, 防止旋轉, 震動過程中變形. 模具由管身, 封頭, 托輪箍組成. 管身由鋼板卷焊而成, 小直徑管身可用無縫鋼管. 封頭的作用是增加管模端頭的強度和防止物料外流. 托輪箍的作用是支撐模具, 傳遞旋轉力, 使模具在離心機上高速度旋轉, 模具的管身內表面必須平整, 光滑, 一般都要精加工和拋光, 保證順利脫模.
2, 澆注成型工藝
澆注成型主要用於生產無纖維增強的複合材料製品, 如人造大理石, 鈕扣, 包埋動, 植物標本, 工藝品, 錨杆固定劑, 裝飾板等.
澆注成型比較簡單, 但要生產出優質產品, 則需要熟練的操作技術.
(1)鈕扣生產工藝
用聚酯樹脂澆注的鈕扣, 具有硬度高, 光澤好, 耐磨, 耐燙, 耐乾洗, 花色品種多及價格低等優點, 目前在國內外已基本取代了有機玻璃鈕扣, 占鈕扣市場80%以上.
生產鈕扣的原料主要是不飽和聚酯樹脂, 固化劑(引發劑採用過氧化甲乙酮)和輔助材料(包括色漿, 珠光粉, 觸變劑等).
聚酯鈕扣採用離心澆注式棒材澆注法生產, 先製成板材或棒材, 然後經切板, 切棒製成鈕扣, 再經熱處理, 刮面, 刮底, 銑槽, 打眼, 拋光等工序製成鈕扣.
(2)人造石材生產工藝
人造石材是用不飽和聚酯樹脂和填料製成的. 由於所選用的填料不同, 製成的人造石材分為人造大理石, 人造瑪瑙, 人造花崗石和聚酯混凝土等.
生產人造石材的原材料是不飽和聚酯樹脂, 填料和顏料: ①樹脂 生產人造石材的樹脂分面層和結構層兩各, 表面裝飾層樹脂要求收縮性小, 有韌性, 硬度好, 耐熱, 耐磨, 耐水等, 同時要求易調色. 辛戌二醇鄰苯型樹脂用於人造石材, 辛戌二醇間苯型樹脂用於生產衛生潔具. 固化體系, 常用過氧化甲乙酮, 萘酸鈷溶液. ②填料 生產人造石材的填料有很多, 生產人造大理石的填料是大理石粉, 石英粉, 白雲石粉, 碳酸鈣粉等, 生產人造花崗石的填料是用粒料級配, 不同品種花崗石用不同色彩的粒料, 生產人瑪瑙的填料要有一定透明性, 一般選用氫氧化鋁或三氧化二鋁等. ③顏料 生產人造石材需要各色顏料, 如制人造大理石或人造瑪瑙浴盆, 應選擇耐熱, 耐水的色漿, 製造裝飾板及工藝品時, 要選用耐光, 耐水及耐久的顏料.
生產人造大理石, 花崗石板材用的模具材料有玻璃纖維, 不鏽鋼, 塑料, 玻璃等. 生產人造石板材的模板, 要求表面平整, 光澤, 有足夠的強度和剛度, 能經受生產過程中的熱應力, 搬運荷載及碰撞等.
3, 彈性體貯樹脂模塑成型技術
彈性體貯樹脂模塑成型(Elastic Reservir Molding, ERM)是80年代在歐美出現的新工藝, 它是用柔性材料(開孔聚氨酯泡沫塑料)作為芯材並滲入樹脂糊. 這種滲有樹脂糊的泡沫體留在成型好的ERM材料中間, 泡沫體使ERM製成的產品密度降低, 衝擊強度和剛度提高, 故可稱為壓製成型的夾層結構製品.
ERM與SMC一樣, 同屬於模壓成型的片狀模塑料, 只是由於ERM具有夾層結構的構造, 給它帶來優於SMC的特點: (1)重量輕: ERM比用氈和SMC製成的製品輕30%以上;(2)ERM製品的比剛度優於SMC, 鋁和鋼製成的製品;(3)搞衝擊強度高: 在增強材料含量相同的條件下, ERM比SMC的抗衝擊強度高很多;(4)物理力學性能高: 在增強材料含量相同的條件下, ERM製品的物理力學性能優於SMC製品;(5)投資費用低: ERM成型機組比SMC機組簡單, ERM製品成型壓力比SMC製品低10倍左右, 故生產ERM製品時可以採用低噸位壓機和低強度材料模具, 從而減少建投資.
ERM製品生產工藝分為ERM製造和ERM製品成型兩個過程:
(1)ERM生產工藝 ERM生產原材料為開孔聚氨酯泡沫塑料, 各種纖維製品(如玻璃纖維, 碳纖維, 芳綸纖維製成的短切氈, 連續纖維氈, 針織氈等)和各種熱固性樹脂. 其生產過程如下: 先在ERM機組上將調好的樹脂糊浸漬開孔聚氨酯泡沫塑料, 通過塗刮器將樹脂糊塗到泡沫上, 用壓輥將樹脂糊壓擠到泡沫體的孔內, 然後將兩層泡沫複合到一起, 最後在上下兩個面鋪放玻纖維氈或其它纖維製品, 製成ERM夾層材料, 切割成適宜的尺寸, 用於壓製成型或貯存.
(2)ERM製品生產工藝 ERM製品生產過程與其它熱固性模壓料(玻纖布或氈預浸料, SMC等)相比, 需要在熱壓條件下固化成型, 但成型壓力比SMC小很多, 大約是SMC成型壓力的1/10, 為0.5~ 0.7MPa.
ERM技術目前主要用於汽車工業材料和輕質建築複合材料工業. 由於ERM具有夾層結構材料的特點, 是適用於生產大型結構的組合部件, 各種輕質板材, 活動房屋, 雷達罩, 房門等. 在汽車工業中的製品有行李車拖鬥, 蓋板, 儀錶盤, 保險杠, 車門, 底板等.
4, 增強反應注射模塑技術
增強反應注射模塑工藝(Reinforced Reaction Injection Molding, RRIM)是利用高壓衝擊來混合兩種單體物料及短纖維增強材料, 並將其注射到模腔內, 經快速固化反應形成製品的一種成型方法. 如果不用增強材料, 則稱為反應注射模塑(ReactionInjection Moling, RIM). 採用連續纖維增強時, 稱為結構反應注射模塑(Structure Reaction Injection Molding, SRIM).
RRIM的原材料分樹脂體系和增強材料兩類
(1)樹脂體系 生產RRIM的樹脂應滯如下要求: ①必須由兩種以上的單體組成;②單體在室溫條件下能保持穩定;③粘度適當, 容易用泵輸送;④單體混合後, 能快速固化;⑤固化反應不產生副產物. 應用最多的是聚氨酯樹脂, 不飽和聚酯樹脂和環氧樹脂.
(2)增強材料 常用的增強材料有玻璃纖維粉, 玻璃纖維和玻璃微珠. 為了增加增強材料與樹脂的粘接強度, 上述增強材料都採用增強偶聯劑進行表面處理.
RRIM的工藝特點: ①產品設計自由度大, 可以生產大尺寸部件;②成型壓力低(0.35~ 0.7MPa), 反應成型時, 無模壓應力, 產品在模內發熱量小;③製品收縮率低, 尺寸穩定性好, 因加有大量填料和增強材料, 減少了樹脂固化收縮;④製品鑲嵌件工藝簡便;⑤製品表面質量好, 玻璃粉和玻璃微珠能提高製品耐磨性和耐熱性;⑥生產設備簡單, 模具費用低, 成型周期短, 製品生產成本低.
RRIM製品的最大用戶是汽車工為, 可做汽車保險杠, 儀錶盤, 高強度RRIM製品可以做汽車的結構材料, 承載材料. 由於其成型周期短, 性能可設計, 在電絕緣工程, 防腐工程, 機械儀錶工業中代替工程塑料及高分子合金應用.