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各种复合材料成型工艺详解

2019-03-29 10:22   森昂机电

    复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础和条件。随着复合材料应用领域的拓宽,复合材料工业得到迅速发展,一些成型工艺日臻完善,新的成型方法不断涌现,目前聚合物基复合材料的成型方法已有20多种,并成功地用于工业生产,如:
    (1)手糊成型工艺——湿法铺层成型法;
    (2)喷射成型工艺;
    (3)树脂传递模塑成型技术(RTM技术);
    (4)袋压法(压力袋法)成型;
    (5)真空袋压成型;
    (6)热压罐成型技术;
    (7)液压釜法成型技术;
    (8)热膨胀模塑法成型技术;
    (9)夹层结构成型技术;
    (10)模压料生产工艺;
    (11)ZMC模压料注射技术;
    (12)模压成型工艺;
    (13)层合板生产技术;
    (14)卷制管成型技术;
    (15)纤维缠绕制品成型技术;
    (16)连续制板生产工艺;
    (17)浇铸成型技术;
    (18)拉挤成型工艺;
    (19)连续缠绕制管工艺;
    (20)编织复合材料制造技术;
    (21)热塑性片状模塑料制造技术及冷模冲压成型工艺;
    (22)注射成型工艺;
    (23)挤出成型工艺;
    (24)离心浇铸制管成型工艺;
    (25)其它成型技术。
    视所选用的树脂基体材料的不同,上述方法分别适用于热固性和热塑性复合材料的生产,有些工艺两者都适用。
    复合材料制品成型工艺特点:与其它材料加工工艺相比,复合材料成型工艺具有如下特点:
    (1)材料制造与制品成型同时完成一般情况下,复合材料的生产过程,也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计,因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时,都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。
    (2)制品成型比较简便一般热固性复合材料的树脂基体,成型前是流动液体,增强材料是柔软纤维或织物,因此,用这些材料生产复合材料制品,所需工序及设备要比其它材料简单的多,对于某些制品仅需一套模具便能生产。
    一、接触低压成型工艺
    接触低压成型工艺的特点是以手工铺放增强材料,浸清树脂,或用简单的工具辅助铺放增强材料和树脂。接触低压成型工艺的另一特点,是成型过程中不需要施加成型压力(接触成型),或者只施加较低成型压力(接触成型后施加0。01~0。7MPa压力,最大压力不超过2。0MPa)。
    接触低压成型工艺过程,是先将材料在阴模、阳模或对模上制成设计形状,再通过加热或常温固化,脱模后再经过辅助加工而获得制品。属于这类成型工艺的有手糊成型、喷射成型、袋压成型、树脂传递模塑成型、热压罐成型和热膨胀模塑成型(低压成型)等。其中前两种为接触成型。
    接触低压成型工艺中,手糊成型工艺是聚合物基复合材料生产中最先发明的,适用范围最广,其它方法都是手糊成型工艺的发展和改进。接触成型工艺的最大优点是设备简单,适应性广,投资少,见效快。根据近年来的统计,接触低压成型工艺在世界各国复合材料工业生产中,仍占有很大比例,如美国占35%,西欧占25%,日本占42%,中国占75%。这说明了接触低压成型工艺在复合材料工业生产中的重要性和不可替代性,它是一种永不衰落的工艺方法。但其最大缺点是生产效率低、劳动强度大、产品重复性差等。
    1、原材料
    接触低压成型的原材料有增强材料、树脂和辅助材料等。
    (1)增强材料
    接触成型对增强材料的要求:①增强材料易于被树脂浸透;②有足够的形变性,能满足制品复杂形状的成型要求;③气泡容易扣除;④能够满足制品使用条件的物理和化学性能要求;⑤价格合理(尽可能便宜),来源丰富。
    用于接触成型的增强材料有玻璃纤维及其织物,碳纤维及其织物,芳纶纤维及其织物等。
    (2)基体材料
    接触低压成型工艺对基体材料的要求:①在手糊条件下易浸透纤维增强材料,易排除气泡,与纤维粘接力强;②在室温条件下能凝胶,固化,而且要求收缩小,挥发物少;③粘度适宜:一般为0。2~0。5Pa·s,不能产生流胶现象;④无毒或低毒;⑤价格合理,来源有保证。
    生产中常用的树脂有:不饱和聚酯树脂,环氧树脂,有进也用酚醛树脂,双马来酰亚胺树脂,聚酰亚胺树脂等。
    几种接触成型工艺对树脂的性能要求:
    成型方法对树脂性能要求
    胶衣制作
    1、成型时不流淌,易消泡
    2、色调均匀,不浮色
    3、固化快,不产生皱纹,与铺层树脂粘接性好
    手糊成型
    1、浸渍性好,易浸透纤维,易排除气泡
    2、铺敷后固化快,放热少、收缩小
    3、易挥发物少,制品表面不发粘
    4、层间粘接性好
    喷射成型
    1、保证手糊成型的各项要求
    2、触变性恢复更早
    3、温度对树脂粘度影响小
    4、树脂适用期要长,加入促进剂后,粘度不应增大
    袋压成型
    1、浸润性好,易浸透纤维,易排出气泡
    2、固化快,固化放热量要小
    3、不易流胶,层间粘接力强
    (3)辅助材料
    接触成型工艺中的辅助材料,主要是指填料和色料两类,而固化剂、稀释剂、增韧剂等,归属于树脂基体体系。
    2、模具及脱模剂
    (1)模具
    模具是各种接触成型工艺中的主要设备。模具的好坏,直接影响产品的质量和成本,必须精心设计制造。
    设计模具时,必须综合考虑以下要求:①满足产品设计的精度要求,模具尺寸精确、表面光滑;②要有足够的强度和刚度;③脱模方便;④有足够的热稳定性;⑤重量轻、材料来源充分及造价低。
    模具构造接触成型模具分为:阴模、阳模和对模三种,不论是哪种模具,都可以根据尺寸大小,成型要求,设计成整体或拼装模。
    模具材料造反模具材料时,应满足以下要求:
    ①能够满足制品的尺寸精度,外观质量及使用寿命要求;
    ②模具材料要有足够的强度和刚度,保证模具在使用过程中不易变形和损坏;
    ③不受树脂侵蚀,不影响树脂固化;
    ④耐热性好,制品固化和加热固化时,模具不变形;
    ⑤容易制造,容易脱模;
    ⑥昼减轻模具重量,方便生产;
    ⑦价格便宜,材料容易获得。能用作手糊成型模具的材料有:木材,金属,石膏,水泥,低熔点金属,硬质泡沫塑料及玻璃钢等。
    脱模剂基本要求:
    1。不腐蚀模具,不影响树脂固化,对树脂粘接力小于0。01MPa;
    ②成膜时间短,厚度均匀,表面光滑;
    ③使用安全,无毒害作用;
    ④耐热、能以受加热固化的温度作用;
    ⑤操作方便,价格便宜。
    接触成型工艺的脱模剂主要有薄膜型脱模剂、液体脱模剂和油膏、蜡类脱模剂。
    手糊成型工艺
    手糊成型的工艺流程如下:
    (1)生产准备
    场地手糊成型工作场地的大小,要根据产品大小和日产量决定,场地要求清洁、干燥、通风良好,空气温度应保持在15~35℃之间,后加工整修段,要设有抽风除尘和喷水装置。
    模具准备准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。
    树脂胶液配制配制时,要注意两个问题:①防止胶液中混入气泡;②配胶量不能过多,每次配量要保证在树脂凝胶前用完。
    增强材料准备增强材料的种类和规格按设计要求选择。
    (2)糊制与固化
    铺层糊制手工铺层糊制分湿法和干法两种:①干法铺层用预浸布为原料,先将预学好料(布)按样板裁剪成坏料,铺层时加热软化,然后再一层一层地紧贴在模具上,并注意排除层间气泡,使密实。此法多用于热压罐和袋压成型。②湿法铺层直接在模具上将增强材料浸胶,一层一层地紧贴在模具上,扣除气泡,使之密实。一般手糊工艺多用此法铺层。湿法铺层又分为胶衣层糊制和结构层糊制。
    手糊工具手糊工具对保证产品质量影响很大。有羊毛辊、猪鬃辊、螺旋辊及电锯、电钻、打磨抛光机等。
    固化制品固化分硬化和熟化两个阶段:从凝胶到三角化一般要24h,此时固化度达50%~70%(巴柯尔硬性度为15),可以脱模,脱后在自然环境条件下固化1~2周才能使制品具有力学强度,称熟化,其固化度达85%以上。加热可促进熟化过程,对聚酯玻璃钢,80℃加热3h,对环氧玻璃钢,后固化温度可控制在150℃以内。加热固化方法很多,中小型制品可在固化炉内加热固化,大型制品可采用模内加热或红外线加热。
    (3)脱模和修整
    脱模脱模要保证制品不受损伤。脱模方法有如下几种:①顶出脱模在模具上预埋顶出装置,脱模时转动螺杆,将制品顶出。②压力脱模模具上留有压缩空气或水入口,脱模时将压缩空气或水(0。2MPa)压入模具和制品之间,同时用木锤和橡胶锤敲打,使制品和模具分离。③大型制品(如船)脱模可借助千斤顶、吊车和硬木楔等工具。④复杂制品可采用手工脱模方法先在模具上糊制二三层玻璃钢,待其固化后从模具上剥离,然后再放在模具上继续糊制到设计厚度,固化后很容易从模具上脱下来。
    修整修整分两种:一种是尺寸修整,另一种缺陷修补。①尺寸修整成型后的制品,按设计尺寸切去超出多余部分;②缺陷修补包括穿孔修补,气泡、裂缝修补,破孔补强等。
    喷射成型技术
    喷射成型技术是手糊成型的改进,半机械化程度。喷射成型技术在复合材料成型工艺中所占比例较大,如美国占9。1%,西欧占11。3%,日本占21%。目前国内用的喷射成型机主要是从美国进口。
    (1)喷射成型工艺原理及优缺点
    喷射成型工艺是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷出,同时将切断的玻纤粗纱,由喷枪中心喷出,使其与树脂均匀混合,沉积到模具上,当沉积到一定厚度时,用辊轮压实,使纤维浸透树脂,排除气泡,固化后成制品。
    喷射成型的优点:①用玻纤粗纱代替织物,可降低材料成本;②生产效率比手糊的高2~4倍;③产品整体性好,无接缝,层间剪切强度高,树脂含量高,抗腐蚀、耐渗漏性好;④可减少飞边,裁布屑及剩余胶液的消耗;⑤产品尺寸、形状不受限制。其缺点为:①树脂含量高,制品强度低;②产品只能做到单面光滑;③污染环境,有害工人健康。
    喷射成型效率达15kg/min,故适合于大型船体制造。已广泛用于加工浴盆、机器外罩、整体卫生间,汽车车身构件及大型浮雕制品等。
    (2)生产准备
    场地喷射成型场地除满足手糊工艺要求外,要特别注意环境排风。根据产品尺寸大小,操作间可建成密闭式,以节省能源。
    材料准备原材料主要是树脂(主要用不饱和聚酯树脂)和无捻玻纤粗纱。
    模具准备准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。
    喷射成型设备喷射成型机分压力罐式和泵供式两种:①泵式供胶喷射成型机,是将树脂引发剂和促进剂分别由泵输送到静态混合器中,充分混合后再由喷枪喷出,称为枪内混合型。其组成部分为气动控制系统、树脂泵、助剂泵、混合器、喷枪、纤维切割喷射器等。树脂泵和助剂泵由摇臂刚性连接,调节助剂泵在摇臂上的位置,可保证配料比例。在空压机作用下,树脂和助剂在混合器内均匀混合,经喷枪形成雾滴,与切断的纤维连续地喷射到模具表面。这种喷射机只有一个胶液喷枪,结构简单,重量轻,引发剂浪费少,但因系内混合,使完后要立即清洗,以防止喷射堵塞。②压力罐式供胶喷射机是将树脂胶液分别装在压力罐中,靠进入罐中的气体压力,使胶液进入喷枪连续喷出。安是由两个树脂罐、管道、阀门、喷枪、纤维切割喷射器、小车及支架组成。工作时,接通压缩空气气源,使压缩空气经过气水分离器进入树脂罐、玻纤切割器和喷枪,使树脂和玻璃纤维连续不断的由喷枪喷出,树脂雾化,玻纤分散,混合均匀后沉落到模具上。这种喷射机是树脂在喷枪外混合,故不易堵塞喷枪嘴。
    (3)喷射成型工艺控制
    喷射工艺参数选择:①树脂含量喷射成型的制品中,树脂含量控制在60%左右。②喷雾压力当树脂粘度为0。2Pa·s,树脂罐压力为0。05~0。15MPa时,雾化压力为0。3~0。55MPa,方能保证组分混合均匀。③喷枪夹角不同夹角喷出来的树脂混合交距不同,一般选用20°夹角,喷枪与模具的距离为350~400mm。改变距离,要高速喷枪夹角,保证各组分在靠近模具表面处交集混合,防止胶液飞失。
    喷射成型应注意事项:①环境温度应控制在(25±5)℃,过高,易引起喷枪堵塞;过低,混合不均匀,固化慢;②喷射机系统内不允许有水分存在,否则会影响产品质量;③成型前,模具上先喷一层树脂,然后再喷树脂纤维混合层;④喷射成型前,先调整气压,控制树脂和玻纤含量;⑤喷枪要均匀移动,防止漏喷,不能走弧线,两行之间的重叠富庶小于1/3,要保证覆盖均匀和厚度均匀;⑥喷完一层后,立即用辊轮压实,要注意棱角和凹凸表面,保证每层压平,排出气泡,防止带起纤维造成毛刺;⑦每层喷完后,要进行检查,合格后再喷下一层;⑧最后一层要喷薄些,使表面光滑;⑨喷射机用完后要立即清洗,防止树脂固化,损坏设备。
    树脂传递模塑成型
    树脂传递模塑成型简称RTM(ResinTransferMolding)。RTM起始于50年代,是手糊成型工艺改进的一种闭模成型技术,可以生产出两面光的制品。在国外属于这一工艺范畴的还有树脂注射工艺(ResinInjection)和压力注射工艺(PressureInfection)。
    RTM的基本原理是将玻璃纤维增强材料铺放到闭模的模腔内,用压力将树脂胶液注入模腔,浸透玻纤增强材料,然后固化,脱模成型制品。
    从上前的研究水平来看,RTM技术的研究发展方向将包括微机控制注射机组,增强材料预成型技术,低成本模具,快速树脂固化体系,工艺稳定性和适应性等。
    RTM成型技术的特点:①可以制造两面光的制品;②成型效率高,适合于中等规模的玻璃钢产品生产(20000件/年以内);③RTM为闭模操作,不污染环境,不损害工人健康;④增强材料可以任意方向铺放,容易实现按制品受力状况例题铺放增强材料;⑤原材料及能源消耗少;⑥建厂投资少,上马快。
    RTM技术适用范围很广,目前已广泛用于建筑、交通、电讯、卫生、航空航天等工业领域。已开发的产品有:汽车壳体及部件、娱乐车构件、螺旋浆、8。5m长的风力发电机叶片、天线罩、机器罩、浴盆、沐浴间、游泳池板、座椅、水箱、电话亭、电线杆、小型游艇等。
    (1)RTM工艺及设备
    成型工艺RTM全部生产过程分11道工序,各工序的操作人员及工具、设备位置固定,模具由小车运送,依次经过每一道工序,实现流水作业。模具在流水线上的循环时间,基本上反映了制品的生产周期,小型制品一般只需十几分钟,大型制品的生产周期可以控制在1h以内完成。
    成型设备RTM成型设备主要是树脂压注机和模具。
    ①树脂村注机树脂压注机由树脂泵、注射枪组成。树脂泵是一组活塞式往复泵,最上端是一个空气动力泵。当压缩空气驱动空气泵活塞上下运动时,树脂泵将桶中树脂经过流量控制器、过滤器定量地抽入树脂贮存器,侧向杠杆使催化剂泵运动,将催化剂定量地抽至贮存器。压缩空气充入两个贮存器,产生与泵压力相反的缓冲力,保证树脂和催化剂能稳定的流向注射枪头。注射枪口后有一个静态紊流混合器,可使树脂和催化剂在无气状态下混合均匀,然后经枪口注入模具,混合器后面设计有清洗剂入口,它与一个有0。28MPa压力的溶剂罐相联,当机器使用完后,打开开关,溶剂自动喷出,将注射枪清洗干净。
    ②模具RTM模具分玻璃钢模、玻璃钢表面镀金属模和金属模3种。玻璃钢模具容易制造,价格较低,聚酯玻璃钢模具可使用2000次,环氧玻璃钢模具可使用4000次。表面镀金属的玻璃钢模具可使用10000次以上。金属模具在RTM工艺中很少使用,一般来讲,RTM的模具费仅为SMC的2%~16%。
    (2)RTM原材料
    RTM用的原材料有树脂体系、增强材料和填料。
    树脂体系RTM工艺用的树脂主要是不饱和聚酯树脂。
    增强材料一般RTM的增强材料主要是玻璃纤维,其含量为25%~45%(重量比);常用的增强材料有玻璃纤维连续毡、复合毡及方格布。
    填料填料对RTM工艺很重要,它不仅能降低成本,改善性能,而且能在树脂固化放热阶段吸收热量。常用的填料有氢氧化铝、玻璃微珠、碳酸钙、云母等。其用量为20%~40%。
    袋压法、热压罐法、液压釜法和
    热膨胀模塑法成型
    袋压法、热压罐法、液压釜法和热膨胀模塑法统称为低压成型工艺。其成型过程是用手工铺叠方式,将增强材料和树脂(含预浸材料)按设计方向和顺序逐层铺放到模具上,达到规定厚度后,经加压、加热、固化、脱模、修整而获得制品。四种方法与手糊成型工艺的区别仅在于加压固化这道工序。因此,它们只是手糊成型工艺的改进,是为了提高制品的密实度和层间粘接强度。
    以高强度玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维和环氧树脂为原材料,用低压成型方法制造的高性能复合材料制品,已广泛用于飞机、导弹、卫星和航天飞机。如飞机舱门、整流罩、机载雷达罩,支架、机翼、尾翼、隔板、壁板及隐形飞机等。
    (1)袋压法
    袋压成型是将手糊成型的未固化制品,通过橡胶袋或其它弹性材料向其施加气体或液体压力,使制品在压力下密实,固化。
    袋压成型法的优点是:①产品两面光滑;②能适应聚酯、环氧和酚醛树脂;③产品重量比手糊高。
    袋压成型分压力袋法和真空袋法2种:①压力袋法压力袋法是将手糊成型未固化的制品放入一橡胶袋,固定好盖板,然后通入压缩空气或蒸汽(0。25~0。5MPa),使制品在热压条件下固化。②真空袋法此法是将手糊成型未固化的制品,加盖一层橡胶膜,制品处于橡胶膜和模具之间,密封周边,抽真空(0。05~0。07MPa),使制品中的气泡和挥发物排除。真空袋成型法由于真空压力较小,故此法仅用于聚酯和环氧复合材料制品的湿法成型。
    (2)热压釜和液压釜法
    热压釜和液压釜法都是在金属容器内,通过压缩气体或液体对未固化的手糊制品加热、加压,使其固化成型的一种工艺。
    热压釜法热压釜是一个卧式金属压力容器,未固化的手糊制品,加上密封胶袋,抽真空,然后连同模具用小车推进热压釜内,通入蒸汽(压力为1。5~2。5MPa),并抽真空,对制品加压、加热,排出气泡,使其在热压条件下固化。它综合了压力袋法和真空袋法的优点,生产周期短,产品质量高。热压釜法能够生产尺寸较大、形状复杂的高质量、高性能复合材料制品。产品尺寸受热压釜限制,目前国内最大的热压釜直径为2。5m,长18m,已开发应用的产品有机翼、尾翼、卫星天线反射器,导弹再入体、机载夹层结构雷达罩等。此法的最大缺点是设备投资大,重量大,结构复杂,费用高等。
    液压釜法液压釜是一个密闭的压力容器,体积比热压釜小,直立放置,生产时通入压力热水,对未固化的手糊制品加热、加压,使其固化。液压釜的压力可达到2MPa或更高,温度为80~100℃。用油载体、热度可达200℃。此法生产的产品密实,周期短,液压釜法的缺点是设备投资较大。
    (3)热膨胀模塑法
    热膨胀模塑法是用于生产空腹、薄壁高性能复合材料制品的一种工艺。其工作原理是采用不同膨胀系数的模具材料,利用其受热体积膨胀不同产生的挤压力,对制品施工压力。热膨胀模塑法的阳模是膨胀系数大的硅橡胶,阴模是膨胀系数小的金属材料,手糊未固化的制品放在阳模和阴模之间。加热时由于阳、阴模的膨胀系数不同,产生巨大的变形差异,使制品在热压下固化。
    二、夹层结构制造技术
    夹层结构一般是由三层材料制成的复合材料。夹层复合材料的上下面层是高强度、高模量材料,中间层是较厚的轻质材料,玻璃钢夹层结构实际上是复合材料与其它轻质材料的再复合。采用夹层结构方式是为了提高材料的有效利用率和减轻结构重量,以梁板构件为例,在使用过程中,一要满足强度要求,二要满足刚度的需要,玻璃钢材料的特点是强度高,模量低。因此,用单一的玻璃钢材料制造梁板,满足强度要求时,挠度往往很大,如果按允许挠度进行设计,则强度大大超过,造成浪费。只有采用夹层结构形式进行设计,才能合理的解决这一矛盾。这也是夹层结构得以发展的主要原因。
    由于玻璃钢夹层结构的强度高,重量轻,刚度大,耐腐蚀,电绝缘及透微波等,目前已广泛用于航空工业和宇航工业的飞机、导弹、飞船及样板、屋面板,能大幅度的减轻建筑物的重量和改善使用功能。透明玻璃钢夹层结构板,已广泛用于寒冷地区的工业厂房、大型公用建筑及温室的采光屋顶。在造船和交通领域,玻璃钢夹层结构广泛用于玻璃钢潜艇、扫雷艇、游艇中的许多构件。我国设计制造的玻璃钢过街人行桥、公路桥、汽车和火车保温泠藏车等,均采用了玻璃钢夹层结构,满足了重量轻、强度高、刚度大、隔热、保温等多性能要求。在要求透微波的雷过罩中,玻璃钢夹层结构已成为其它材料不能与之相比的专用材料。
    1、玻璃钢夹层结构的种类与特点
    根据夹层结构所用的芯材种类和形式不同,玻璃钢夹层结构分为:泡沫夹层结构,蜂窝夹层结构,梯形板夹层结构,矩形夹层结构和圆形夹层结构。
    (1)泡沫塑料夹层结构泡沫塑料夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮(面板),泡沫塑料做夹芯层,泡沫塑料夹层结构的最大特点是蒙皮和泡沫塑料夹芯层粘接牢固、受力不大和保温隔热性能要求高的部件,如飞机尾翼、保温通风管道及样板等。
    (2)蜂窝夹层结构蜂窝夹层结构是采用玻璃钢薄板作蒙皮,蜂窝材料(玻璃布蜂窝、纸蜂窝或其它棉布及铝蜂窝等)做夹芯层。蜂窝夹层结构的重量轻,强度高,刚度大,多用作结构尺寸大、强度要求高的结构件,如玻璃钢桥的承重板、球形屋顶结构、雷达罩、反射面、冷藏车地板及箱体结构等。
    (3)梯形和矩形带头作用层结构这种带头作用层结构的面板(蒙皮)为玻璃钢薄板,夹芯层是玻璃钢梯形板或矩形板。这种夹层结构方向性强,仅适用于做高强平板,不宜用于弯曲形状的制品。
    (4)圆环形夹层结构它是用玻璃钢薄板作蒙皮,用玻璃钢圆环做夹芯层。这种夹层结构的特点是芯材耗量少,强度比较高,平板受力无方向性,最适宜做采光用的透明玻璃钢夹层结构板材,具有遮挡少、透光率高的特点。
    蜂窝夹层结构制造技术
    (1)蜂窝种类蜂窝的强度与选用原材料和蜂窝几何形状有关,根据平面投影几何形状,蜂窝夹芯材料可分为六边形、菱形、矩形、正弦曲线形和有加强带六边形等。在这些蜂窝夹芯材料中,以加强带六边形强度最高,正方形蜂窝次之。由于正六边形蜂窝制造简单,用料省,强度也较高,故应用最广。
    (2)原材料夹层结构的蒙皮和夹芯材料种类很多,如果用铝、钛合金做蒙皮和芯材,则称为金属夹层结构;用玻璃钢薄板,木质胶合板和无机复合材料板做蒙皮,用玻璃钢蜂窝、纸蜂窝及泡沫塑料做夹芯材料,则称为非金属材料夹层结构。目前,以玻璃钢薄板做蒙皮、玻璃钢蜂窝和泡沫塑料做芯材的夹层结构应用最广。①玻璃纤维布(增强材料)生产玻璃钢夹层结构的玻璃布分为面层布和蜂窝布两种:面层布是经过增强处理的中碱和无碱平纹布,其厚度一般为0。1~0。2mm。为加强蒙皮和蜂窝之间的粘度强度,常在两者之间加一层短切玻璃纤维毡。选用含蜡玻璃布做蜂窝材料,可以防止树脂浸透到玻璃布背面,减少蜂窝块层间的粘接,有利于蜂窝成孔拉伸。②纸生产蜂窝夹层结构的纸,要求有良好的树脂浸润性和足够的拉伸强度。③粘接剂(树脂)制造蜂窝夹层结构用的树脂分蒙皮用树脂、蜂窝用树脂和蜂窝与蒙皮粘接用树脂。根据夹层结构的使用条件,可分别选用环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、有机硅树脂及邻苯二甲酸二丙烯酯等。制造蜂窝胶条时,通常采用环氧树脂、改性酚醛树脂、聚醋酸乙烯酯胶和聚乙烯醇缩丁醛胶等。在这些胶粘剂中,环氧树脂粘接强度高,改性酚醛树脂价格低,故应用较多。聚醋酸乙烯酯胶无毒,价格便宜,可以室温固化,但用此胶制造的蜂条,不能浸聚酯胶胶液,因为聚酯树脂中的苯乙烯能溶解聚醛酸乙烯,使蜂条开胶、破坏。
    (3)蜂窝夹芯制造生产玻璃布夹芯材料时,主要彩胶接拉伸法。其工艺过程是先在制造蜂窝芯材的玻璃布上涂胶条,然后重叠粘接成蜂窝叠块,固化后按需要蜂窝高度切成蜂窝条,经拉伸预成型,最后浸胶,固化定型成蜂窝芯材。制造蜂窝夹芯叠块的胶条上胶法,可以采用手械涂胶,也可以使用机械化涂胶。
    (4)蜂窝夹层结构制造玻璃布蜂窝夹层结构制造技术分湿法和干法两种。①干法成型此法是先将蜂窝夹芯和面板作好,然后再将它们粘接成夹层结构。为了保证芯材和面板牢固粘接,常在面板上铺一层薄毡(浸过胶),铺上蜂窝,加热加压,使之固化成一体。这种方法制造的夹层结构,蜂芯和面板的粘接强度可提高到3MPa以上。干法成型的优点主要是产品表面光滑,平整,生产过程中每道工序都能及时检查,产品质量容易保证,缺点是生产周期长。②湿法成型此法是面板和蜂窝夹芯均处于未固化状态,在模具上一次胶接成型。生产时,先在模具上制好上、下面板,然后将蜂窝条浸胶拉开,放到上、下面板之间,加压(0。01~0。08MPa)、固化,脱模后修整成产品。湿法成型的优点是蜂窝和面板间粘接强度高,生产周期短,最适合于球面、壳体等异形结构产品生产。其缺点是产品表面质量差,生产过程较难控制。
    泡沫塑料夹层结构制造技术
    (1)原材料泡沫塑料夹层结构用的原材料分为面板(蒙皮)材料、夹芯材料和粘接剂。
    ①面板材料主要是用玻璃布和树脂制成的薄板,与蜂窝夹层结构面板用的材料相同。
    ②粘接剂面板和夹芯材料的粘接剂,主要取决于泡沫塑料种类,如聚苯乙烯泡沫塑料,不能用不饱和聚酯树脂粘接。
    ③泡沫夹芯材料泡沫塑料的种类很多,其分类方法有两种:一种是按树脂基体分,可分为: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,环氧及不饱和聚酯等热固性泡沫塑料等。另一种是近硬度分,可分为硬质、半硬质和软质三种。用泡沫塑料芯材生产夹层结构的最大优点是防寒、绝热,隔音性能好,质量轻,与蒙面粘接面大,能均匀传递荷载,抗冲击性能好等。
    (2)泡沫塑料制造技术生产泡沫塑料的发泡方法较多,有机械发泡法、惰性气体混溶减压发泡法、低沸点液体蒸发发泡法、发泡剂分解放气发泡法和原料组分相互反应放气发泡法等。①机械发泡法利用强烈机械搅拌,将气体混入到聚合物溶液、乳液或悬浮液中,形成泡沫体,然后经固化而获得泡沫塑料。②惰性气体混溶减压发泡法利用惰性气体(如氮气、二氧化碳等)无色、无臭、难与其它化学元素化合的原理,在高压下压入聚合物中,经升温、减压、使气体膨胀发泡。]14;低沸点液体蒸发发泡法将低沸点液体压入聚合物中,然后加热聚合物,当聚合物软化、液体达到沸点时,借助液体气化产生的蒸气压力,使聚合物发泡成泡沫体。④化学发泡剂发泡法借助发泡剂在热作用下分解产生的气体,使聚合物体积膨胀,形成泡沫塑料。⑤原料化学反应发泡法此法是利用能发泡的原料组分,相互反应放出二氧化碳或氮气等使聚合物膨胀发泡成泡沫体。
    (3)泡沫塑料夹层结构制造泡沫塑料夹层结构的制造方法有:预制粘接法、现场浇注成型法和连续机械成型法三种。①预制粘接法将蒙皮和泡沫塑料芯材分别制造,然后再将它们粘接成整体。预制成型法的优点是能适用各种泡沫塑料,工艺简单,不需要复杂机械设备等。其缺点是生产效率低,质量不易保证。②整体浇注成型法先预制好夹层结构的外壳,然后将混合均匀的泡沫料浆浇入壳体内,经过发泡成型和固化处理,使泡沫涨满腔体,并和壳体粘接成一个整体结构。③连续成型法适用于生产泡沫塑料夹层结构板材。
    三、模压成型工艺
    模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内,经加热、加压固化成型的方法。
    模压成型工艺的主要优点:
    ①生产效率高,便于实现专业化和自动化生产;②产品尺寸精度高,重复性好;③表面光洁,无需二次修饰;④能一次成型结构复杂的制品;⑤因为批量生产,价格相对低廉。
    模压成型的不足之处在于模具制造复杂,投资较大,加上受压机限制,最适合于批量生产中小型复合材料制品。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改进和发展,压机吨位和台面尺寸不断增大,模压料的成型温度和压力也相对降低,使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展,目前已能生产大型汽车部件、浴盆、整体卫生间组件等。
    模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种可分为如下几种:①纤维料模压法是将经预混或预浸的纤维状模压料,投入到金属模具内,在一定的温度和压力下成型复合材料制品的方法。该方法简便易行,用途广泛。根据具体操作上的不同,有预混料模压和预浸料模压法。②碎布料模压法将浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物,如麻布、有机纤维布、石棉布或棉布等的边角料切成碎块,然后在金属模具中加温加压成型复合材料制品。③织物模压法将预先织成所需形状的两维或三维织物浸渍树脂胶液,然后放入金属模具中加热加压成型为复合材料制品。④层压模压法将预浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物,裁剪成所需的形状,然后在金属模具中经加温或加压成型复合材料制品。⑤缠绕模压法将预浸过树脂胶液的连续纤维或布(带),通过专用缠绕机提供一定的张力和温度,缠在芯模上,再放入模具中进行加温加压成型复合材料制品。⑥片状塑料(SMC)模压法将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料,然后将多层片材叠合后放入金属模具中加热加压成型制品。⑦预成型坯料模压法先将短切纤维制成品形状和尺寸相似的预成型坯料,将其放入金属模具中,然后向模具中注入配制好的粘结剂(树脂混合物),在一定的温度和压力下成型。
    模压料的品种有很多,可以是预浸物料、预混物料,也可以是坯料。当前所用的模压料品种主要有:预浸胶布、纤维预混料、BMC、DMC、HMC、SMC、XMC、TMC及ZMC等品种。
    1、原材料
    (1)合成树脂复合材料模压制品所用的模压料要求合成树脂具有:①对增强材料有良好的浸润性能,以便在合成树脂和增强材料界面上形成良好的粘结;②有适当的粘度和良好的流动性,在压制条件下能够和增强材料一道均匀地充满整个模腔;③在压制条件下具有适宜的固化速度,并且固化过程中不产生副产物或副产物少,体积收缩率小;④能够满足模压制品特定的性能要求。按以上的选材要求,常用的合成树脂有:不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基树脂、呋喃树脂、有机硅树脂、聚丁二烯树脂、烯丙基酯、三聚氰胺树脂、聚酰亚胺树脂等。为使模压制品达到特定的性能指标,在选定树脂品种和牌号后,还应选择相应的辅助材料、填料和颜料。
    (2)增强材料模压料中常用的增强材料主要有玻璃纤维开刀丝、无捻粗纱、有捻粗纱、连续玻璃纤维束、玻璃纤维布、玻璃纤维毡等,也有少量特种制品选用石棉毡、石棉织物(布)和石棉纸以及高硅氧纤维、碳纤维、有机纤维(如芳纶纤维、尼龙纤维等)和天然纤维(如亚麻布、棉布、煮炼布、不煮炼布等)等品种。有时也采用两种或两种以上纤维混杂料作增强材料。
    (3)辅助材料一般包括固化剂(引发剂)、促进剂、稀释剂、表面处理剂、低收缩添加剂、脱模剂、着色剂(颜料)和填料等辅助材料。
    2、模压料的制备
    以玻璃纤维(或玻璃布)浸渍树脂制成的模压料为例,其生产工艺可分为预混法和预浸法两种。
    (1)预混法先将玻璃纤维切割成30~50mm的短切纤维,经蓬松后在捏合机中与树脂胶液充分捏合至树脂完全浸润玻璃纤维,再经烘干(晾干)至适当粘度即可。其特点是纤维松散无定向,生产量大,用此法生产的模压料比容大,流动性好,但在制备过程中纤维强度损失较大。
    (2)预浸法纤维预浸法是将整束连续玻璃纤维(或布)经过浸胶、烘干、切短而成。其特点是纤维成束状,比较紧密,制备模压料的过程中纤维强度损失较小,但模压料的流动性及料束之间的相容性稍差。
    SMC、BMC、HMC、XMC、TMC及ZMC生产技术
    片状模压料(SheetMoldingCompound,SMC)是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡,两边覆盖聚乙烯薄膜而制成的一类片状模压料,属于预浸毡料范围。是目前国际上应用最广泛的成型材料之一。
    SMC是用不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂和着色剂等混合成树脂糊浸渍短切纤维粗纱或玻璃纤维毡,并在两面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起来形成的片状模压料。SMC作为一种发展迅猛的新型模压料,具有许多特点:①重现性好,不受操作者和外界条件的影响;②操作处理方便;③操作环境清洁、卫生,改善了劳动条件;④流动性好,可成型异形制品;⑤模压工艺对温度和压力要求不高,可变范围大,可大幅度降低设备和模具费用;⑥纤维长度40~50mm,质量均匀性好,适宜于压制截面变化不大的大型薄壁制品;⑦所得制品表面光洁度高,采用低收缩添加剂后,表面质量更为理想;⑧生产效率高,成型周期短,易于实现全自动机械化操作,生产成本相对较低。
    SMC作为一种新型材料,根据具体用途和要求的不同又发展出一系列新品种,如BMC、TMC、HNC、XMC等。①团状模压料(BulkMoldingCompound,BMC)其组成与SMC极为相似,是一种改进型的预混团状模压料,可用于模压和挤出成型。两者的区别仅在于材料形态和制作工艺上。BMC中纤维含量较低,纤维长度较短,约6~18mm,填料含料较大,因而BMC制品的强度比SMC制品的强度低,BMC比较适合于压制小型制品,而SMC适合于大型薄壁制品。②厚片状模压料(ThickMoldingCompound,TMC)其组成和制作与SMC相似,厚达50mm。由于TMC厚度大,玻璃纤维能随机分布,改善了树脂对玻璃纤维的浸润性。此外,该材料还可以采用注射和传递成型。③高强度模压料(HightMoldingCompound,HMC)和高强度片状模压料XMC主要用于制造汽车部件。HMC中不加或少加填料,采用短切玻璃纤维,纤维含量为65%左右,玻璃纤维定向分布,具有极好的流动性和成型表面,其制品强度约是SMC制品强度的3倍。XMC用定向连续纤维,纤维含量达70%~80%,不含填料。④ZMCZMC是一种模塑成型技术,ZMC三个字母并无实际含义,而是包含模塑料、注射模塑机械和模具三种含义。ZMC制品既保持了较高的强度指标,又具有优良的外观和很高的生产效率,综合了SMC和BMC的优点,获得了较快的发展。
    1、SMC的原材料
    SMC的原材料由合成树脂、增强材料和辅助材料三大类组成。
    (1)合成树脂合成树脂为不饱和聚酯树脂,不同的不饱和树脂对树脂糊的增稠效果、工艺特性以及制品性能、收缩率、表面状态均有直接的影响。SMC对不饱和聚酯树脂有以下要求:①粘度低,对玻璃纤维浸润性能好;②同增稠剂具有足够的反应性,满足增稠要求;③固化迅速,生产周期短,效率高;④固化物有足够的热态强度,便于制品的热脱模;⑤固化物有足够的韧性,制品发生某些变形时不开裂;⑥较低的收缩率。
    (2)增强材料增强材料为短切玻璃纤维粗纱或原丝。在不饱和聚酯树脂模塑料中,用于SMC的增强材料目前只有短切玻璃纤维毡,而用于预混料的增强材料比较多,有短切玻璃纤维,石棉纤维、麻和其它各种有机纤维。在SMC中,玻璃纤维含量可在5%~50%之间调节。
    (3)辅助材料辅助材料包括固化剂(引发剂)、表面处理剂、增稠剂、低收缩添加剂、脱模剂、着色剂、填料和交联剂。
    2、SMC的制备工艺
    SMC生产的工艺流程主要包括树脂糊制备、上糊操作、纤维切割沉降及浸渍、树脂稠化等过程,其工艺流程图如下:
    (1)树脂糊的制备及上糊操作树脂糊的制备有两种方法——间歇法和连续法。间歇法程序如下:①将不饱和聚酯树脂和苯乙烯倒入配料釜中,搅拌均匀;②将引发剂倒入配料釜中,与树脂和苯乙烯混匀;③在搅拌作用下加入增稠剂和脱模剂;④在低速搅拌下加入填料和低收缩添加剂;⑤在配方所列各组分分散为止,停止搅拌,静置待用。连续法是将SMC配方中的树脂糊分为两部分,即增稠剂、脱模剂、部分填料和苯乙烯为一部分,其余组分为另一部分,分别计量、混匀后,送入SMC机组上设置的相应贮料容器内,在需要时由管路计量泵计量后进入静态混合器,混合均匀后输送到SMC机组的上糊区,再涂布到聚乙烯薄膜上。
    (2)浸渍和压实经过涂布树脂糊的下承载薄膜在机组的牵引下进入短切玻璃纤维沉降室,切割好的短切玻璃纤维均匀沉降在树脂糊上,达到要求的沉降量后,随传动装置离开沉降室,并和涂布有树脂糊的上承载薄膜相叠合,然后进入由一系列错落排列的锟阵中,在张力和辊的作用下,下、上承载薄膜将树脂糊和短切玻璃纤维紧紧压在一起,经过多次反复,使短切玻璃纤维浸渍树脂并赶走其中的气泡,形成密实而均匀的连续SMC片料。
    复合材料模压料按其成型周期的长短,一般可分为快速成型工艺和慢速成型工艺两种。快速成型工艺适用于压制小型薄壁复合材料制品,慢速成型工艺适用于压制大型厚壁复合材料制品。
    四、层压及卷管成型工艺
    1、层压成型工艺
    层压成型是将预浸胶布按照产品形状和尺寸进行剪裁、叠加后,放入两个抛光的金属模具之间,加温加压成型复合材料制品的生产工艺。它是复合材料成型工艺中发展较早、也较成熟的一种成型方法。该工艺主要用于生产电绝缘板和印刷电路板材。现在,印刷电路板材已广泛应用于各类收音机、电视机、电话机和移动电话机、电脑产品、各类控制电路等所有需要平面集成电路的产品中。
    层压工艺主要用于生产各种规格的复合材料板材,具有机械化、自动化程度高、产品质量稳定等特点,但一次性投资较大,适用于批量生产,并且只能生产板材,且规格受到设备的限制。
    层压工艺过程大致包括:预浸胶布制备、胶布裁剪叠合、热压、冷却、脱模、加工、后处理等工序,如图所示:
    2、卷管成型工艺
    卷管成型工是用预浸胶布在卷管机上热卷成型的一种复合材料制品成型方法,其原理是借助卷管机上的热辊,将胶布软化,使胶布上的树脂熔融。在一定的张力作用下,辊筒在运转过程中,借助辊筒与芯模之间的摩擦力,将胶布连续卷到芯管上,直到要求的厚度,然后经冷辊冷却定型,从卷管机上取下,送入固化炉中固化。管材固化后,脱去芯模,即得复合材料卷管。
    卷管成型按其上布方法的不同而可分为手工上布法和连续机械法两种。其基本过程是:首先清理各辊筒,然后将热辊加热到设定温度,调整好胶布张力。在压辊不施加压力的情况下,将引头布先在涂有脱模剂的管芯模上缠上约1圈,然后放下压辊,将引头布贴在热辊上,同时将胶布拉上,盖贴在引头布的加热部分,与引头布相搭接。引头布的长度约为800~1200mm,视管径而定,引头布与胶布的搭接长度,一般为150~250mm。在卷制厚壁管材时,可在卷制正常运行后,将芯模的旋转速度适当加快,在接近设计壁厚时再减慢转速,至达到设计厚度时,切断胶布。然后在保持压辊压力的情况下,继续使芯模旋转1~2圈。最后提升压辊,测量管坯外径,合格后,从卷管机上取出,送入固化炉中固化成型。
    3、预浸胶布制备工艺
    预浸胶布是生产复合材料层压板材、卷管和布带缠绕制品的半成品。
    (1)原材料预浸胶布生产所需的主要原材料有增强材料(如玻璃布、石棉布、合成纤维布、玻璃纤维毡、石棉毡、碳纤维、芳纶纤维、石棉纸、牛皮等)和合成树脂(如酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂等)。
    (2)预浸胶布的制备工艺预浸胶布的制备是使用经热处理或化学处理的玻璃布,经浸胶槽浸渍树脂胶液,通过刮胶装置和牵引装置控制胶布的树脂含量,在一定的温度下,经过一定时间的洪烤,使树脂由A阶转至B阶,从而得到所需的预浸胶布。通常将此过程称之为玻璃的浸胶。
    五、缠绕成型工艺
    缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维(或布带、预浸纱)按照一定规律缠绕到芯模上,然后经固化、脱模,获得制品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同,分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。
    (1)干法缠绕干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带,在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸纱(或带)是专业生产,能严格控制树脂含量(精确到2%以内)和预浸纱质量。因此,干法缠绕能够准确地控制产品质量。干法缠绕工艺的最大特点是生产效率高,缠绕速度可达100~200m/min,缠绕机清洁,劳动卫生条件好,产品质量高。其缺点是缠绕设备贵,需要增加预浸纱制造设备,故投资较大此外,干法缠绕制品的层间剪切强度较低。
    (2)湿法缠绕湿法缠绕是将纤维集束(纱式带)浸胶后,在张力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点为:①成本比干法缠绕低40%;②产品气密性好,因为缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡挤出,并填满空隙;③纤维排列平行度好;④湿法缠绕时,纤维上的树脂胶液,可减少纤维磨损;⑤生产效率高(达200m/min)。湿法缠绕的缺点为:①树脂浪费大,操作环境差;②含胶量及成品质量不易控制;③可供湿法缠绕的树脂品种较少。
    (3)半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后,到缠绕至芯模的途中,增加一套烘干设备,将浸胶纱中的溶剂除去,与干法相比,省却了预浸胶工序和设备;与湿法相比,可使制品中的气泡含量降低。
    三种缠绕方法中,以湿法缠绕应用最为普遍;干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。
    纤维缠绕成型的优点①能够按产品的受力状况设计缠绕规律,使能充分发挥纤维的强度;②比强度高:一般来讲,纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比,重量可减轻40~60%;③可靠性高:纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产,工艺条件确定后,缠出来的产品质量稳定,精确;④生产效率高:采用机械化或自动化生产,需要操作工人少,缠绕速度快(240m/min),故劳动生产率高;⑤成本低:在同一产品上,可合理配选若干种材料(包括树脂、纤维和内衬),使其再复合,达到最佳的技术经济效果。
    缠绕成型的缺点①缠绕成型适应性小,不能缠任意结构形式的制品,特别是表面有凹的制品,因为缠绕时,纤维不能紧贴芯模表面而架空;②缠绕成型需要有缠绕机,芯模,固化加热炉,脱模机及熟练的技术工人,需要的投资大,技术要求高,因此,只有大批量生产时才能降低成本,才能获得较的的技术经济效益。
    1、原材料
    缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树脂和填料。
    (1)增强材料缠绕成型用的增强材料,主要是各种纤维纱:如无碱玻璃纤维纱,中碱玻璃纤维纱,碳纤维纱,高强玻璃纤维纱,芳纶纤维纱及表面毡等。
    (2)树脂基体树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。缠绕制品的耐热性,耐化学腐蚀性及耐自然老化性主要取决于树脂性能,同时对工艺性、力学性能也有很大影响。缠绕成型常用树脂主要是不饱和聚酯树脂,也有时用环氧树脂和双马来酰亚胺树脂等。对于一般民用制品如管、罐等,多采用不饱和聚酯树脂。对力学性能的压缩强度和层间剪切强度要求高的缠绕制品,则可选用环氧树脂。航天航空制品多采用具有高断裂韧性与耐湿性能好的双马来酰亚胺树脂。
    (3)填料填料种类很多,加入后能改善树脂基体的某些功能,如提高耐磨性,增加阻燃性和降低收缩率等。在胶液中加入空心玻璃微珠,可提高制品的刚性,减小密度降低成本等。在生产大口径地埋管道时,常加入30%石英砂,借以提高产品的刚性和降低成本。为了提高填料和树脂之间的粘接强度,填料要保证清洁和表面活性处理。
    2、芯模
    成型中空制品的内模称芯模。一般情况下,缠绕制品固化后,芯模要从制品内脱出。
    芯模设计的基本要求①要有足够的强度和刚度,能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷,如自重、制品重,缠绕张力,固化应力,二次加工时的切削力等;②能满足制品形状和尺寸精度要求,如形状尺寸,同心度、椭圆度、锥度(脱模),表面光洁度和平整度等;③保证产品固化后,能顺利从制品中脱出;④制造简单,造价便宜,取材方便。
    芯模材料缠绕成型芯模材料分两类:熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材料是指石蜡,水溶性聚乙烯醇型砂,低熔点金属等,这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模,制品缠绕成型后,从开口处通入热水或高压蒸汽,使其溶、熔,从制品中流出,流出的溶体,冷却后重复使用。组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还有内衬材料,内衬材料是制品的组成部分,固化后不从制品中取出,内衬材料的作用主要是防腐和密封,当然也可以起到芯模作用,属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。
    3、缠绕机
    缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备,对缠绕机的要求是:①能够实现制品设计的缠绕规律和排纱准确;②操作简便;③生产效率高;④设备成本低。
    缠绕机主要由芯模驱动和绕丝嘴驱动两大部分组成。为了消除绕丝嘴反向运动时纤维松线,保持张力稳定及在封头或锥形缠绕制品纱带布置精确,实现小缠绕角(0°~15°)缠绕,在缠绕机上设计有垂直芯轴方向的横向进给(伸臂)机构。为防止绕丝嘴反向运动时纱带转拧,伸臂上设有能使绕丝嘴翻志的机构。
    我国60年代研制成功链条式缠绕机,70年代引进德国WE-250数控缠绕机,改进后实现国产化生产,80年代后我国引进了各种型式缠绕机40多台,经过改进后,自己设计制造成功微机控制缠绕机,并进入国际市场。
    机械式缠绕机类型
    (1)绕臂式平面缠绕机其特点是绕臂(装有绕丝嘴)围绕芯模做均匀旋转运动,芯模绕自身轴线作均匀慢速转动,绕臂(即绕丝嘴)每转一周,芯模转过一个小角度。此小角度对应缠绕容器上一个纱片宽度,保证纱片在芯模上一个紧挨一个地布满容器表面。芯模快速旋转时,绕丝嘴沿垂直地面方向缓慢地上下移动,此时可实现环向缠绕,使用这种缠绕机的优点是,芯模受力均匀,机构运行平稳,排线均匀,适用于干法缠绕中小型短粗筒形容器。
    (2)滚翻式缠绕机这种缠绕机的芯模由两个摇支承,缠绕时芯模自身轴旋转,两臂同步旋转使芯模翻滚一周,芯模自转一个与纱片宽相适应的角度,而纤维纱由固定的伸臂供给,实现平面缠绕,环向缠绕由附加装置来实现。由于滚翻动作机构不宜过大,故此类缠绕机只适用于小型制品,且使用不广泛。
    (3)卧式缠绕机这种缠绕机是由链条带动小车(绕丝嘴)作往复运动,并在封头端有瞬时停歇,芯模绕自身轴作等速旋转,调整两者速度可以实现平面缠绕、环向缠绕和螺旋缠绕,这种缠绕机构造简单,用途广泛,适宜于缠绕细长的管和容器。
    (4)轨道式缠绕机轨道式缠绕机分立式和卧式两种。纱团、胶槽和绕丝嘴均装在小车上,当小车沿环形轨道绕芯模一周时,芯模自身转动一个纱片宽度,芯模轴线和水平面的夹角为平面缠绕角α。从而形成平面缠绕型,调整芯模和小车的速度可以实现环向缠绕和螺旋缠绕。轨道式缠绕机适合于生产大型制品。
    (5)行星式缠绕机芯轴和水平面倾斜成α角(即缠绕角)。缠绕成型时,芯模作自转和公转两个运动,绕丝嘴固定不动。调整芯模自转和公转速度可以完成平面缠绕、环向缠绕和螺旋缠绕。芯模公转是主运动,自转为进给运动。这种缠绕机适合于生产小型制品。
    (6)球形缠绕机球形缠绕机有4个运动轴,球形缠绕机的绕丝嘴转动,芯模旋转和芯模偏摆,基本上和摇臂式缠绕机相同,第四个轴运动是利用绕丝嘴步进实现纱片缠绕,减少极孔外纤维堆积,提高容器臂厚的均匀性。芯模和绕丝嘴转动,使纤维布满球体表面。芯模轴偏转运动,可以改变缠绕极孔尺寸和调节缠绕角,满足制品受力要求。
    (7)电缆式纵环向缠绕机纵环向电缆式缠绕机适用于生产无封头的筒形容器和各种管道。装有纵向纱团的转环与芯模同步旋转,并可沿芯模轴向往复运动,完成纵向纱铺放,环向纱装在转环两边的小车上,当芯模转动,小车沿芯模轴向作往复运动时,完成环向纱缠绕。根据管道受力情况,可以任意调整纵环向纱数量比例。
    (8)新型缠管机新型缠管机与现行缠绕机的区别在于,它是靠管芯自转,并同时能沿管长方向作往复运动,完成缠绕过程。这种新型缠绕机的优点是,绕丝嘴固定,为工人处理断头、毛丝以及看管带来很大方便;多路进纱可实现大容量进丝缠绕,缠绕速度快,布丝均匀,有利于提高产品重量和产量。
    六、连续成型工艺
    复合材料制品的连续成型工艺,是指从投入原材料开始,经过浸胶、成型、固化、脱模、切断等工序,直到最后获得成品的整个工艺过程,都是在连续不断地进行。
    根据生产的产品不同,连续成型工艺分为连续拉挤成型工艺、连续缠绕成型工艺和连续制板工艺三种。
    连续缠绕成型工艺主要用于生产不同口径的玻璃钢管和罐身。连续缠绕机的特点是:生产效率高、产品质量稳定、劳动强度低、节省原材料、减少芯模数量等,但这种工艺技术含量高、设备投资大、变径难度大。另一种工艺是将塑料管挤出技术和纤维缠绕工艺相结合,塑料内衬玻璃钢管,挤出的塑料管同时起到芯模和防腐内衬两个作用。
    拉挤成型工艺主要用于生产各种玻璃钢型材,如玻璃钢棒、工字型、角型、槽型、方型、空腹型及异形断面型材等。目前最大的拉挤成型机,可以生产断面为800mm×800mm的空腹玻璃钢型材。新型拉挤成型技术不断涌现,如RIM拉挤成型机,弯曲形型材拉挤工艺等。
    连续制板工艺主要是用玻璃纤毡、布为增强材料,连续不断地生产各种规格平板,波纹板和夹层结构板等。
    连续成型工艺的共同特点:①生产过程完全实现机械化身自动化,生产效率高;②生产过程不间断,制品长度不限;③产品无需后加工,生产过程中边角废料少,节省原料和能源;④产品质量稳定,重复性好,成品率高;⑤操作方便,省人力、劳动条件好;⑥成本低。
    拉挤成型工艺
    拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、带或布等,在牵引力的作用下,通过挤压模具成型、固化,连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。这种工艺最适于生产各种断面形状的玻璃钢型材,如棒、管、实体型材(工字形、槽形、方形型材)和空腹型材(门窗型材、叶片等)等。
    拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺,其优点是:①生产过程完全实现自动化控制,生产效率高;②拉挤成型制品中纤维含量可高达80%,浸胶在张力下进行,能充分发挥增强材料的作用,产品强度高;③制品纵、横向强度可任意调整,可以满足不同力学性能制品的使用要求;④生产过程中无边角废料,产品不需后加工,故较其它工艺省工,省原料,省能耗;⑤制品质量稳定,重复性好,长度可任意切断。
    拉挤成型工艺的缺点是产品形状单调,只能生产线形型材,而且横向强度不高。
    (1)拉挤工艺用原材料
    ①树脂基体在拉挤工艺中,应用最多的是不饱和聚酯树脂,约占本工艺树脂用量的90以上,另外还有环氧树脂、乙烯基树脂、热固性甲基丙烯酸树脂、改性酚醛树脂、阻燃性树脂等。
    ②增强材料拉挤工艺用的增强材料,主要是玻璃纤维及其制品,如无捻粗纱、连续纤维毡等。为了满足制品的特殊性能要求,可以选用芳纶纤维、碳纤维及金属纤维等。不论是哪种纤维,用于拉挤工艺时,其表面都必须经过处理,使之与树脂基体能很好的粘接。
    ③辅助材料拉挤工艺的辅助材料主要有脱模剂和填料。
    (2)拉挤成型模具
    模具是拉挤成型技术的重要工具,一般由预成型模和成型模两部分组成。①预成型模具在拉挤成型过程中,增强材料浸渍树脂后(或被浸渍的同时),在进入成型模具前,必须经过由一组导纱元件组成的预成型模具,预成型模的作用是将浸胶后的增强材料,按照型材断面配置形式,逐步形成近似成型模控形状和尺寸的预成型体,然后进入成型模,这样可以保证制品断面含纱量均匀。②成型模具成型模具横截面面积与产品横截面面积之比一般应大于或等于10,以保证模具有足够的强度和刚度,加热后热量分布均匀和稳定。拉挤模具长度是根据成型过程中牵引速度和树脂凝胶固化速度决定,以保证制品拉出时达到脱模固化程度。一般采用钢镀铬,模腔表面要求光洁,耐磨,借以减少拉挤成型是的摩擦阻力和提高模具的使用寿命。
    (3)拉挤成型工艺
    拉挤成型工艺过程是由送纱、浸胶、预成型、固化定型、牵引、切断等工序组成。无捻粗纱从纱架引出后,经过排纱器进入浸胶槽浸透树脂胶液,然后进入预成型模,将多余树脂和气泡排出,再进入成型模凝胶、固化。固化后的制品由牵引机连续不断地从模具拔出,最后由切断机定长切断。在成型过程中,每道工序都可以有不同方法:如送纱工序,可以增加连续纤维毡,环向缠绕纱或用三向织物以提高制品横向强度;牵引工序可以是履带式牵引机,也可以用机械手;固化方式可以是模内固化,也可以用加热炉固化;加热方式可以是高频电加热,也可以用熔融金属(低熔点金属)等。
    (4)其它拉挤成型工艺
    拉挤成型工艺除立式和卧式机组外,尚有弯曲形制品拉挤成型工艺,反应注射拉挤工艺和含填料的拉挤工艺等。
    连续缠管工艺
    连续缠管工艺与定长玻璃钢管相比有如下特点:①生产连续,易实现自动化管理和快速固化,生产效率高;②需要的辅助设备少,特别是模具需用量少,产品更换投资少;③产品长度可任意切断,使用长这(12m或15m),可以减少管接头数量,降低工程造价;④生产过程自动化,工艺参数集中控制,产品质量容易保证。
    另一种连续制管工艺采用塑料管和玻璃钢复合工艺,即EPF法,用此法生产的复合材料管比普通玻璃钢管的防腐、抗渗性好。
    (1)连续缠管原料
    连续缠管用的原材料,要同是满足产品的使用要求和工艺生产要求。
    ①增强材料根据玻璃钢管和PVC/玻璃钢复合管的生产要求,增强材料品种有表面毡,短切玻纤毡或针刺复合毡与表面毡合用,无捻粗纱。
    ②树脂基体连续缠管用的树脂主要是不饱和聚酯树脂。连续缠管工艺对树脂的要求是:粘度适当,易浸透纤维,凝胶时间长,固化时间短,固化放热低,固化收缩小。
    ③辅助材料为了提高管材的刚度,常加入石英砂,其添加量可达30%(最高)。脱模剂用聚酯薄膜,薄膜裁成带,宽度为钢带宽度一倍,缠绕搭接1/2。
    (2)连续缠管工艺
    连续缠管是用预浸玻璃纤维纱或带(或现浸),按设计的缠绕规律缠绕在芯模上,经外、内加热固化成型,在芯模上钢带推动下,连续不断地向前推进,脱模,再经二次固化后定长切断。改变管径时,只需要更换制管机的芯模便可。
    连续制板工艺
    连续制板工艺始于二战后FRP工业由军转民时代,我国自1965年初开始研究,首先研究成功的是钢丝网增强聚氯乙波形板生产红,产品为横波形瓦,70年代在上海研制成纵波聚酯玻璃钢生产线,80年代先后引进3条板材连续生产线,其生产技术达国际先进水平。
    玻璃钢波形板是建筑工业中用量最大的一种产品。主要用于临时建筑工程、工业建筑的屋顶采光及农业温室。与传统的石棉瓦相比,具有质量轻,强度高,抗冲击,能透光及美观耐久等特点。
    玻璃钢波形板分为纵波板和横波板两类,纵波板的波纹方向平行于板的长边,横波板的波纹方向垂直于板的长边。就波纹形状而言,有标准型连续圆弧波,连续异形波纹和不连续异形波纹。
    连续制板工艺,国内外大致相同,只是在设备的局部构造和工艺措施方面略有不同。
    七、热塑性复合材料成型工艺
    热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强各种热塑性树脂的总称,国外称FRTP(FiberRinforcedThermoPlastics)。由于热塑性树脂和增强材料种类不同,其生产工艺和制成的复合材料性能差别很大。
    从生产工艺角度分析,塑性复合材料分为短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料两大类:(1)短纤维增强复合材料①注射成型工艺;②挤出成型工艺;③离心成型工艺。(2)连续纤维增强及长纤维增强复合材料①预浸料模压成型;②片状模塑料冲压成型;③片状模塑料真空成型;④预浸纱缠绕成型;⑤拉挤成型。
    热塑性复合材料的特殊性能如下:
    (1)密度小、强度高热塑性复合材料的密度为1。1~1。6g/cm3,仅为钢材的1/5~1/7,比热固性玻璃钢轻1/3~1/4。它能够以较小的单位质量获得更高的机械强度。一般来讲,不论是通用塑料还是工程塑料,用玻璃纤维增强后,都会获得较高的增强效果,提高强度应用档次。
    (2)性能可设计性的自由度大热塑性复合材料的物理性能、化学性能、力学性能,都是通过合理选择原材料种类、配比、加工方法、纤维含量和铺层方式进行设计。由于热塑性复合材料的基体材料种类比热固性复合材料多很多,因此,其选材设计的自由度也就大得多。
    (3)热性能一般塑料的使用温度为50~100℃,用玻璃纤维增强后,可提高到100℃以上。尼龙6的热变形温度为65℃,用30%玻纤增强后,热形温度可提高到190℃。聚醚醚酮树脂的耐热性达220℃,用30%玻纤增强后,使用温度可提高到310℃,这样高的耐热性,热固性复合材料是达不到的。热塑性复合材料的线膨胀系数比未增强的塑料低1/4~1/2,能够降低制品成型过程中的收缩率,提高制品尺寸精度。其导热系数为0。3~0。36W(㎡·K),与热固性复合材料相似。
    (4)耐化学腐蚀性复合材料的耐化学腐蚀性,主要由基体材料的性能决定,热塑性树脂的种类很多,每种树脂都有自己的防腐特点,因此,可以根据复合材料的使用环境和介质条件,对基体树脂进行优选,一般都能满足使用要求。热塑性复合材料的耐水性优于热固性复合材料。
    (5)电性能一般热塑性复合材料都具有良好的介电性能,不反射无线电电波,透过微波性能良好等。由于热塑性复合材料的吸水率比热固性玻璃钢小,故其电性能优于后者。在热塑性复合材料中加入导电材料后,可改善其导电性能,防止产生静电。
    (6)废料能回收利用热塑性复合材料可重复加工成型,废品和边角余料能回收利用,不会造成环境污染。
    由于热塑性复合材料有很多优于热固性玻璃钢的特殊性能,应用领域十分广泛,从国外的应用情况分析,热塑性复合材料主要用于车辆制造工业、机电工业、化工防腐及建筑工程等方面。
    1、注射成型工艺
    注射成型是热塑性复合材料的主要生产方法,历史悠久,应用最广。其优点是:成型周期短,能耗最小,产品精度高,一次可成型开关复杂及带有嵌件的制品,一模能生产几个制品,生产效率高。缺点是不能生产纤维增强复合材料制品和对模具质量要求较高。根据目前的技术发展水平,注射成型的最大产品为5kg,最小到1g,这种方法主要用来生产各种机械零件,建筑制品,家电壳体,电器材料,车辆配件等。
    2、挤出成型工艺
    挤出成型是热塑性复合材料制品生产中应用较广的工艺之一。其主要特点是生产过程连续,生产效率高,设备简单,技术容易掌握等。挤出成型工艺主要用于生产管、棒、板及异型断面型等产品。增强塑料管玻纤增强门窗异型断面型材,在我国有很大市场。挤出成型复合材料制品的工艺流程如下:
    3、缠绕成型工艺
    热塑性复合材料的缠绕成型工艺原理和缠绕机设备与热固性玻璃的一样,不同的是热塑性复合材料缠绕制品的增强材料不是玻纤粗纱,而是经过浸胶(热塑性树脂)的预浸纱。因此,需要在缠绕机上增加预浸纱预热装置和加热加压辊。缠绕成型时,先将预浸纱加热到软化点,再与芯模的接触点加热,并加压辊加压,使其熔接成一个整体。
    4、热塑性复合材料拉挤成型
    热塑性复合材料的拉挤成型工艺与热固性玻璃钢的基本相似。只要把进入模具前的浸胶方法加以改造,生产热固性玻璃钢的设备便可使用。生产热塑性复合材料拉挤产品的增强材料有两种:一种是经过浸胶的预浸纱或预浸带,另一种是未浸胶的纤维或纤维带。
    5、焊接层合法
    此法系利用热塑性复合材料的可焊性,生产复合材料板材。其方法如下:先在工作台上压铺一层预浸料(一般宽500mm),铺第二层浸料时,开动压辊的焊接器,使预浸料进入压辊下,焊接器使上下两层预浸料在几秒钟内同时受热熔化,当机器向前移动时,预浸料在压辊的压力(0。3MPa)作用下粘合成一体。如此重复,可生产任意厚度的板材。
    6、热塑性片状模塑料制品冲压成型工艺
    热塑性片状模塑制品冲压成型与热固性SMC压制成型不同,它要先将坯料预热,然后再放放模具加压成型。
    7、热塑性复合材料的连接技术
    热塑性复合材料的连接方法很多,例举如下:①铆接用于热塑性复合材料铆接用的铆钉,一般都是用连续纤维增强热塑性塑料制造,最好是用拉挤棒材制造。施工时,铆钉预热到可以加压塑变的温度,铆钉与孔径应能严密配合,不能大,也不能小。也可以用金属螺栓。铆接的优点是耐冲击性好,无电化学腐蚀,价格便宜。②焊接热塑性复合材料的焊接处理,是将被连接材料的焊接表面加热到熔化状态,然后搭接加压,使之接成一体。复合材料焊接原理与塑料焊接相似,但必须注意焊接处的纤维增强效果不能降低很多。③管件对接焊热塑性复合材料管的对接焊方法有直接对接和补强对接焊两种。这种连接方法的优点是工艺简单,可在现场施工,不需对管子进行机械加工,连接强度高,不易断裂。缺点是成本高,工艺要求严格,要保证尺寸紧密配合。④缠绕焊接用预浸带沿焊缝手工或机械缠绕,同是用火焰喷枪对接触点加热熔融,使之与被连接件粘牢。选择预浸带时,要注意纤维的方向和含量。此法较实用,被连接材料能保留较好的性能,但易出现加热不均的现象。⑤薄板超声波焊接此法是用超声波对被连接处进行加热焊接,一般能够获得较高的连接强度。
    八、其它成型工艺
    聚合物基复合材料的其它成型工艺,主要指离心成型工艺、浇铸成型工艺、弹性体贮存树脂成型工艺(ERM)、增强反应注射成型工艺(RRIM)等。
    1、离心成型工艺
    离心成型工艺在复合材料制品生产中,主要是用于制造管材(地埋管),它是将树脂、玻璃纤维和填料按一定比例和方法加入到旋转的模腔内,依靠高速旋转产生的离心力,使物料挤压密实,固化成型。
    离心玻璃钢管分为压力管非压力管两类,其使用压力为0~18MPa。这种管的管径一般为φ400~φ2500mm,最大管径或达5m,以φ1200mm以上管径经济效果最佳,离心管的长度2~12m,一般为6m。
    离心玻璃钢管的优点很多,与普通玻璃钢管和混凝土管相比,它强度高、重量轻,防腐、耐磨(是石棉水泥管的5~10倍)、节能、耐久(50年以上)及综合工程造价低,特别是大口径管等;与缠绕加砂玻璃钢管相比,其最大特点是刚度大,成本低,管壁可以按其功能设计成多层结构。离心法制管质量稳定,原材料损耗少,其综合成本低于钢管。离心玻璃钢管可埋深15m,能随真空及外压。其缺点是内表面不够光滑,水力学特性比较差。
    离心玻璃钢管的应用前景十分广阔,其主要应用范围包括:给水及排水工程干管,油田注水管、污水管、化工防腐管等。
    (1)原材料
    生产离心管的原材料有树脂、玻璃纤维及填料(粉状和粒状填料)等。
    树脂应用最广的是不饱和聚酯树脂,可根据使用条件和工艺要求选择树脂牌号和固化剂。
    增强材料主工是玻璃纤维及其制品。玻纤制品有连续纤维毡、网格布及单向布等,制造异形断面制品时,可先将玻纤制成预制品,然后放入模内。
    填料填料的作是用增加制品的刚度、厚度、降低成本,填料的种类要根据使用要求选择,一般为石英砂、石英粉、辉绿岩粉等。
    (2)工艺流程
    离心制管工艺流程如下:
    离心制管的加料方法与缠绕成型工艺不同,加料系统是把树脂、纤维和填料的供料装置,统一安装在可往复运动的小车上。
    (3)模具
    离心法生产玻璃钢管的模具,主要是钢模,模具分整体式和拼装式两种:小于φ800mm管的模具,用整体式,大于φ800mm管的模具,可以用拼装式。
    模具设计要保证有足够的强度和刚度,防止旋转、震动过程中变形。模具由管身、封头、托轮箍组成。管身由钢板卷焊而成,小直径管身可用无缝钢管。封头的作用是增加管模端头的强度和防止物料外流。托轮箍的作用是支撑模具,传递旋转力,使模具在离心机上高速度旋转,模具的管身内表面必须平整,光滑,一般都要精加工和抛光,保证顺利脱模。
    2、浇注成型工艺
    浇注成型主要用于生产无纤维增强的复合材料制品,如人造大理石,钮扣、包埋动、植物标本、工艺品、锚杆固定剂、装饰板等。
    浇注成型比较简单,但要生产出优质产品,则需要熟练的操作技术。
    (1)钮扣生产工艺
    用聚酯树脂浇注的钮扣,具有硬度高,光泽好,耐磨、耐烫、耐干洗、花色品种多及价格低等优点,目前在国内外已基本取代了有机玻璃钮扣,占钮扣市场80%以上。
    生产钮扣的原料主要是不饱和聚酯树脂、固化剂(引发剂采用过氧化甲乙酮)和辅助材料(包括色浆、珠光粉、触变剂等)。
    聚酯钮扣采用离心浇注式棒材浇注法生产,先制成板材或棒材,然后经切板、切棒制成钮扣,再经热处理、刮面、刮底、铣槽、打眼、抛光等工序制成钮扣。
    (2)人造石材生产工艺
    人造石材是用不饱和聚酯树脂和填料制成的。由于所选用的填料不同,制成的人造石材分为人造大理石、人造玛瑙、人造花岗石和聚酯混凝土等。
    生产人造石材的原材料是不饱和聚酯树脂,填料和颜料:①树脂生产人造石材的树脂分面层和结构层两各,表面装饰层树脂要求收缩性小,有韧性、硬度好,耐热、耐磨、耐水等,同时要求易调色。辛戌二醇邻苯型树脂用于人造石材,辛戌二醇间苯型树脂用于生产卫生洁具。固化体系,常用过氧化甲乙酮、萘酸钴溶液。②填料生产人造石材的填料有很多,生产人造大理石的填料是大理石粉,石英粉、白云石粉、碳酸钙粉等,生产人造花岗石的填料是用粒料级配,不同品种花岗石用不同色彩的粒料,生产人玛瑙的填料要有一定透明性,一般选用氢氧化铝或三氧化二铝等。③颜料生产人造石材需要各色颜料,如制人造大理石或人造玛瑙浴盆,应选择耐热、耐水的色浆,制造装饰板及工艺品时,要选用耐光、耐水及耐久的颜料。
    生产人造大理石、花岗石板材用的模具材料有玻璃钢、不锈钢、塑料、玻璃等。生产人造石板材的模板,要求表面平整,光泽、有足够的强度和刚度,能经受生产过程中的热应力、搬运荷载及碰撞等。

    3、弹性体贮树脂模塑成型技术
    弹性体贮树脂模塑成型(ElasticReservirMolding,ERM)是80年代在欧美出现的新工艺,它是用柔性材料(开孔聚氨酯泡沫塑料)作为芯材并渗入树脂糊。这种渗有树脂糊的泡沫体留在成型好的ERM材料中间,泡沫体使ERM制成的产品密度降低,冲击强度和刚度提高,故可称为压制成型的夹层结构制品。
    ERM与SMC一样,同属于模压成型的片状模塑料,只是由于ERM具有夹层结构的构造,给它带来优于SMC的特点:(1)重量轻:ERM比用毡和SMC制成的制品轻30%以上;(2)ERM制品的比刚度优于SMC、铝和钢制成的制品;(3)搞冲击强度高:在增强材料含量相同的条件下,ERM比SMC的抗冲击强度高很多;(4)物理力学性能高:在增强材料含量相同的条件下,ERM制品的物理力学性能优于SMC制品;(5)投资费用低:ERM成型机组比SMC机组简单,ERM制品成型压力比SMC制品低10倍左右,故生产ERM制品时可以采用低吨位压机和低强度材料模具,从而减少建投资。
    ERM制品生产工艺分为ERM制造和ERM制品成型两个过程:
    (1)ERM生产工艺ERM生产原材料为开孔聚氨酯泡沫塑料,各种纤维制品(如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维制成的短切毡、连续纤维毡、针织毡等)和各种热固性树脂。其生产过程如下:先在ERM机组上将调好的树脂糊浸渍开孔聚氨酯泡沫塑料,通过涂刮器将树脂糊涂到泡沫上,用压辊将树脂糊压挤到泡沫体的孔内,然后将两层泡沫复合到一起,最后在上下两个面铺放玻纤维毡或其它纤维制品,制成ERM夹层材料,切割成适宜的尺寸,用于压制成型或贮存。
    (2)ERM制品生产工艺ERM制品生产过程与其它热固性模压料(玻纤布或毡预浸料、SMC等)相比,需要在热压条件下固化成型,但成型压力比SMC小很多,大约是SMC成型压力的1/10,为0。5~0。7MPa。
    ERM技术目前主要用于汽车工业材料和轻质建筑复合材料工业。由于ERM具有夹层结构材料的特点,是适用于生产大型结构的组合部件,各种轻质板材,活动房屋、雷达罩,房门等。在汽车工业中的制品有行李车拖斗、盖板、仪表盘、保险杠、车门、底板等。
    4、增强反应注射模塑技术
    增强反应注射模塑工艺(ReinforcedReactionInjectionMolding,RRIM)是利用高压冲击来混合两种单体物料及短纤维增强材料,并将其注射到模腔内,经快速固化反应形成制品的一种成型方法。如果不用增强材料,则称为反应注射模塑(ReactionInjectionMoling,RIM)。采用连续纤维增强时,称为结构反应注射模塑(StructureReactionInjectionMolding,SRIM)。
    RRIM的原材料分树脂体系和增强材料两类
    (1)树脂体系生产RRIM的树脂应滞如下要求:①必须由两种以上的单体组成;②单体在室温条件下能保持稳定;③粘度适当,容易用泵输送;④单体混合后,能快速固化;⑤固化反应不产生副产物。应用最多的是聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂和环氧树脂。
    (2)增强材料常用的增强材料有玻璃纤维粉、玻璃纤维和玻璃微珠。为了增加增强材料与树脂的粘接强度,上述增强材料都采用增强偶联剂进行表面处理。
    RRIM的工艺特点:①产品设计自由度大,可以生产大尺寸部件;②成型压力低(0。35~0。7MPa),反应成型时,无模压应力,产品在模内发热量小;③制品收缩率低,尺寸稳定性好,因加有大量填料和增强材料,减少了树脂固化收缩;④制品镶嵌件工艺简便;⑤制品表面质量好,玻璃粉和玻璃微珠能提高制品耐磨性和耐热性;⑥生产设备简单,模具费用低,成型周期短,制品生产成本低。
    RRIM制品的最大用户是汽车工为,可做汽车保险杠、仪表盘,高强度RRIM制品可以做汽车的结构材料、承载材料。由于其成型周期短,性能可设计,在电绝缘工程、防腐工程、机械仪表工业中代替工程塑料及高分子合金应用。
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