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1、1 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 FRP工艺培训教材 一 成型工艺 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 2 一 FRP简介 我们知道世界上千姿百态的材料分四类 1 无机非金属材料2 金属材料3 有机高分子材料4 复合材料其中复合材料又分为 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料和金属基复合材料三大类 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 3 复合材料 有两种或是两种以上不同性质的或不同形态的原材料 通过复合工艺组合而成的一种材料 它既保持了原组分材料的主要特点 又具备了原组分所没有的新型能的一种多相材料 复合材料的特点 1 可设计性 2 材料与结构的同一性 3 发挥复合效应的优越性4 材料性能对工
2、艺的依赖性 复合材料结构形成过程中有组分材料的物理和化学的变化 过程非常复杂 因此构建的性能对工艺方法 工艺参数 工艺过程等依赖性较大 同时也由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数 所以一般来说复合材料的性能分散性也比较大 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 4 FRP FiberReinforcedPlastic FRP 是树脂基复合材料材料 RMC 也称纤维增强塑料 我国俗称 玻璃钢 1932年出现在美国 1940年手糊成型的纤维增强聚酯军用雷达罩问世 1946年纤维缠绕成型技术在美国出现 1949年研究成功玻璃纤维预混料并制出表面光洁 尺寸 形状准确的复合材料模压件 1950年真空袋和和
3、压力袋成型工艺研究成功 1960年玻璃纤维 聚酯树脂喷射成型技术得到应用 1961年片状模塑料 SheetMouldingCompound简称SMC 在法国问世 1963年前后美 法 日等国先后开发出高产量 大幅宽 连续生产的玻璃纤维复合材料板材生产线 拉挤成型工艺50年代开始研究 60年代中期实现连续化生产 70年代又有了这重大技术突破 70年代树脂反应注射成型 ReactionInjectionMolding简称RIM 和增强树脂反应注射成型技术 简称RRIM 研究成功 1972年美国PPG公司研究成功热塑性片状模塑料 简称GMT 80年代法国研究成功湿法生产热塑性片状模塑料 GMT 并成
4、功地用于汽车制造工业 离心浇铸成型工艺同时得到了发展 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 5 当今复合材料的树脂基体仍以热固性树脂为主 根据2000年的统计 全世界树脂基复合材料制品种类超过40000种 总产量达600万吨 其中高性能树脂基复合材料产量超过300万吨 高性能热塑性复合材料产量为120多万吨 树脂基复合材料的应用领域十分广阔 表1为美国 西欧 日本等几个主要国家的树脂基复合材料在汽车 建筑和造船等工业中用量比例 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 6 我国树脂基复合材料始于1958年 当年以手糊工艺研制了树脂基复合材料渔船 以层压和卷制工艺研制成功树脂基复合材料板 管和火箭筒等
5、1961年研制成耐烧蚀端头 1962年引进不饱和聚酯树脂和蜂窝成型机及喷射成型机 开发了飞机螺旋桨和风机叶片 1962年研究成功缠绕工艺并生产一批氧气瓶等压力容器 1970年用手糊夹层结构板制造了直径44米的大型树脂基复合材料雷达罩 1971年以前我国的树脂基复合材料工业主要是军工产品 70年代后开始转向民用 1987年起各地大量引进国外先进技术如池窑拉丝 短切毡 表面毡生产线及各种牌号的聚酯树脂 美 德 荷 英 意 日 和环氧树脂 日 德 等生产技术 在成型工艺方面 引进了缠绕管 罐生产线 拉挤工艺生产线 SMC生产线 连续制板机组 树脂传递模塑 RTM 成型机 喷射成型技术 树脂注射成型技
6、术及渔竿生产线等 形成了从研究 设计 生产及原材料配套的完整的工业体系 截止2000年底 我国树脂基复合材料生产企业达3000多家 已有51家通过ISO9000质量体系认证 产品品种3000多种 总产量达73万吨 年 居世界第二位 产品主要用于建筑 防腐 轻工 交通运输 造船等工业领域 近年来碳纤维片材补强建筑结构 拉挤复合材料门窗 SMC或BMC模压电表箱 RTM制品等兴起 在建筑方面 树脂基复合材料已广泛应用于内外墙板 透明瓦 冷却塔 空调罩 风机 玻璃钢水箱 卫生洁具 净化槽等 在石油化工方面 主要用于管道及贮罐 其中玻璃钢管道有定长管 离心浇铸管及连续管道 按压力等级分为中低压管道和高
7、压管道 我国 八五 九五 期间引进管罐生产线40条 现场缠绕大型贮罐最大直径12米 贮罐最大容积1万立方米 国内研制与生产的玻璃钢管罐生产设备部分技术指标已超过国外同类设备的技术水平 在交通运输方面 为了使交通工具轻型化 节约耗油量 提高使用寿命和安全系数 目前在交通工具上已经大量使用复合材料 汽车上主要有车身 引擎盖 保险杠等配件 火车上有车厢板 门窗 座椅等 在船艇方面主要有气垫船 救生艇 侦察艇 渔船等 目前我国制造的玻璃钢渔船最长达33米 在机械及电器领域如屋顶风机 轴流风机 电缆桥架 绝缘棒 集成电路板等产品都具有相当的规模 在航空航天及军事领域 如轻型飞机 尾翼 卫星天线 火箭喷管
8、 防弹板 防弹衣 鱼雷等都取得了重大突破 为我国的国防事业作出了重大贡献 高性能热固性树脂基复合材料所采用的基体主要有环氧树脂 酚醛树脂 乙烯基酯树脂等 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 7 二 FRP的原料 概述复合材料是由两种或两种以上组分材料组成 FRP主要材料 纤维和树脂 其他有胶衣 添加剂等 下面我来详细讲解以下和我公司产品有关系的材料 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 8 树脂 FRP使用的树脂主要有 不饱和聚酯树脂 环氧树脂 酚醛树脂 聚氨酯树脂 其他热固性树脂和热塑性树脂 这里重点介绍不饱和聚酯树脂 环氧树脂和酚醛树脂 聚氨酯树脂在模具里做一介绍 什么是不饱和聚酯树脂 是不
9、饱和二元羧酸 或酸酐 或它们与饱和二元羧酸 或酸酐 组成混合酸与多元醇缩聚而成的 具有酯键和不饱和双键的线性高分子化合物 在聚酯化缩聚反应结束后 趁热加入一定量的乙烯基单体 配制成粘稠的液体 这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 9 不饱和聚酯树脂的固化机理粘流态树脂体系发生交联反应而转变为不溶 不熔的具有体型网络的固态树脂的过程成为树脂固化 固化过程一般具有三个不同的阶段 从起始粘流态树脂 或加热时可流动的固态树脂 转变为不能流动的凝胶 最后转变为不溶 不熔坚硬的固体 不饱和聚酯树脂在固化过程中分凝胶 定型和熟化三个阶段 不饱和聚酯树脂熟化阶段所需要的时间
10、比较长 不饱和聚酯树脂一般通过引发剂 光 高能辐射等引发不饱和聚酯中的双键与可聚合乙烯基类单体进行游离基型共聚反应 是线性的聚酯分子链交联成具有三向网络结构的体型分子 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 10 不饱和聚酯树脂分类 1 邻苯型不饱和聚酯树脂和间苯型不饱和聚酯树脂 用邻苯二甲酸酯或是间苯二甲酸酯 2 双酚A型不饱和聚酯树脂 耐水 耐酸 耐碱性好 3 乙烯基树脂 又称环氧丙烯酸树脂 4 卤代不饱和聚酯 由氯茵酸酐作为不饱和二元酸合成得到的一种氯代不饱和聚酯树脂 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 11 环氧树脂环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上的环氧基团 的有机高分子化合物 除个
11、别品种 它们的分子质量都不高 a 性能和特性 b 形式多样 c 固化方便 选用各种不同的固化剂 环氧树脂体系几乎可以在0 180 范围内固化d 收缩率小 附着力高 耐腐蚀等 CH CH 0 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 12 环氧树脂的固化与常用固化剂 环氧树脂本身是显性结构 不能直接应用 必须在向树脂中加入第二组分 在一定温度下进行交联固化反应 生成体型网状结构的高聚物后才使用 第二组分叫固化剂 环氧树脂通过逐步聚合反应的固化过程 环氧树脂与多元伯胺 聚酰胺 多元酚多元羧酸酐可与环氧树脂进行逐步聚合反应而形成网状交联 环氧树脂通过离子型聚合反应的固化过程 这是一类催化性的固化剂 它们仅
12、仅起固化反应的催化作用 引发树脂分子中环氧基开环聚合反应 从而交联成高聚物 环氧树脂通过其他反应的固化过程 除上述反应外 还有些固化剂如 双氰胺 含硼化合物 金属盐类和多异氰酸酯等 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 13 环氧树脂稀释剂 某些环氧树脂粘度比较大 在某些应用中不能满足工艺要求 为此 就需要在固化体系中加入稀释剂 稀释剂主要用来降低环氧树脂粘度 使树脂对增强材料有较好的浸润性 选择适当的稀释剂还有利于控制环氧树脂与固化剂的反应热 延长熟化自固化剂体系的使用期 稀释剂一般分为 非活性稀释剂与活性稀释剂两种 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 14 酚醛树脂 酚醛树脂是由酚类 苯酚
13、甲酚 二甲酚等 和醛类 甲醛 糠醛等 在酸或碱催化剂作用下合成的聚合物 酚醛分为 热固性酚醛树脂 一阶树脂Resol 热塑性酚醛树脂 二阶树脂Novolac 热固性酚醛树脂的固化 热固性酚醛树脂可以在加热的条件下固化 也可以在酸性条件下固化 热固化温度一般低于170 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 15 玻璃纤维制作玻璃纤维的玻璃 E 玻璃也称无碱玻璃是一种硼硅酸盐玻璃 C 玻璃亦称中碱玻璃 高强玻璃纤维 美国欧文斯 科宁S和S 2 法国圣戈尔班的R等属于高强玻璃纤维 玻璃纤维浸润剂与织物的表面处理 在拉制连续玻璃纤维过程中 在单根纤维表面涂敷的一种粘接组分 润滑组分和表面活性剂等配制而成
14、的乳液统称为浸润剂 分为纺织型浸润剂与增强性浸润剂 纺织型浸润剂又分石蜡型与淀粉型浸润剂 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 16 玻璃纤维制品1 玻璃纤维无捻粗纱 是由平行原丝或平行单丝技术而成 分为喷射用 SMC用 缠绕用 拉挤用和制造用 2 无捻粗纱织物 方格布 方格布是无捻粗纱的平纹织物 是手糊玻璃钢的重要材料 面积重量从200g m2到1000g m2之间 3 玻璃纤维毡片a 短切原丝毡 将玻璃原丝 有时也用无捻粗纱 切割成50mm长 将其随机但均匀地铺陈在网带上 随后施以乳液粘结剂或撒布上粉末粘结剂经加热固化后粘结成短切原丝毡 单位面积重量在150g m2 900 m2 按照粘结剂
15、在液体树脂中的溶解速度 短切毡可分高溶解度型和低溶解度型 前者用于手糊和连续制板 后者用于对模模压和SMC b 连续原丝毡 将拉丝过程中形成的玻璃原丝或是原丝筒退解出来的连续原丝呈8字形铺敷在连续移动网带上 经粉末粘结剂粘结而成 单位重量150 650g m2之间分高溶型和低溶型 C 表面毡 玻璃钢制品通常需要形成富树脂层 这一般用中碱表面毡来实现 表面毡一般分干法和湿法 单位面积重量30 150g m2 d 针刺毡 针刺毡分为短切纤维针刺毡和连续原丝针刺毡 短切针刺毡是将玻璃纤维粗纱段切成50mm 随机铺放在预先放置在传送带上 然后用带倒钩的针进行针刺 针将短切纤维刺进底材中 钩针又将一些纤
16、维向上带起形成三维结构 单位质量 300 350g m2 e 缝合毡 短切玻璃纤维从50mm乃至60mm长均可用编制机将其缝合成短切纤维毡或长纤维粘 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 17 4 短切原丝与磨碎纤维5 玻璃纤维织物a 玻璃布 用玻璃纤维原丝经制造而成的 分为平纹 斜纹 缎纹 纱罗和充纱罗 席纹等 b 玻璃带c 单向织物d 立体织物 织物 这里主要讲一下 织物的玻璃含量 一般的单向材料 纤维体积含有率可以轻易超过70 而2D的纤维布在适度压力下成形也可超过60 但是对于3D织物若能超过50 就算是相当高了 玻璃纤维缝编织物分单轴织物 双轴织物 三轴织物 四轴织物 及以上的任何一种与短切纤维毡或碳纤维毡缝合起来 组合玻璃纤维增强材料 如各种短切纤维 无捻粗纱等 青岛欧特美交通设备有限公司玻璃钢厂 18 玻璃纤维以外的增强材料1 碳纤维 是由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500 形成的纤维状碳材料 含碳量90 以上 主要有PAN 聚丙烯腈 和沥青类碳纤维等 2 芳纶 凡聚合物大分子的主链有芳香环和酰胺键构成的 且其中至少85 的酰胺基直接键合在芳香环上 每个重复单元的酰胺
