玻璃钢的材质说明

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1、纤维增强环氧树脂复合材料（玻璃钢）成型工艺及应用一、前言相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的特性，自二次大战以来发展 很快。尽管产量小（据法国Vtrotex公司统计，2003年全球复合材料达700万 吨），但复合材料的水平已是衡量一个国家或地区科技、经济水平的标志之一。 美、日、西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产量的33%与 32%，以中 国（含台湾省）、日本为主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻班纤维增强塑料（玻 璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称“玻璃钢”）逾90万吨，已居世界第二位 （美国2003年为169万吨，日本不足70万吨）。复合材料主要由增强材料与基体材料两大部分组

2、成：增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合材料的主要力学性能，如玻 璃钢中的玻璃纤维，CFRP （碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增强材料。基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP ）中的树脂（本文谈 到的环氧树脂）就是基体。按基体材料不同，复合材料可分为三大类：树脂复合材料金属基复合材料无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。 环氧树脂基复合材料的优点：1、为什么采用环氧树脂做基体？1）固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8%；2）粘结力强；3）有 B 阶段，有利于生产工艺；4）可低压固化，挥发份甚低；5）固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。6）值

3、得指出的是环氧树脂耐有机溶剂、耐碱性能较常用的酚醛与不饱和聚酯树 脂为佳，然耐酸性差；固化后一般较脆，韧性较差。2、环氧玻璃钢性能（按 ASTM）以FW （纤维缠绕）法制造的玻纤增强环氧树脂的产品为例，将其与钢比较。表1 GF/EPR与钢的性能比较（准确性值得商榷，请参看相关资料）项目玻璃含量GF/EPR （玻纤含量 80wt%）AISI1008冷轧钢项目玻璃含量GF/EPR （玻纤含量 80wt%）AISI1008冷轧钢相对密度/V2.087.86燃烧性(UL-94)V-O/拉伸强度551.6MPa331.0MPa比热容535J/kgk233J/kgk拉伸模量27.58GPa206.7GPa

4、膨胀系数4.0X10-6k-16.7X10-6k-1伸长率1.6%37.0%热变形温度204C (1.82MPa)/弯曲强度699.5MPa/热导率1.85W/m k33.7W/m k弯曲模量34.48GPa/介电强度11.8X106V/m/压缩强度310.3MPa331.0MPa吸水率0.5%(24h)/悬臂梁冲击强度2385J/m/表2 几种常用材料与复合材料的比强度和比模量（准确性值得商榷，请参看相关资料）材料名称密度g/cm3拉伸强度X104MPa弹性模量X106MPa比强度X106cm比模量X109cm钢7.810.1020.590.130.27铝2.84.617.350.170.2

5、6钛4.59.4111.180.210.25玻璃钢2.010.403.920.530.21碳纤维/环氧树脂1.4514.7113.73/碳纤维/环氧树脂1.610.4923.54/芳纶纤维/环氧树脂1.413.737.85/硼纤维/环氧树脂2.113.5320.59/硼纤维/铝2.659.8119.610.750.2图1复合材料的比强度与比刚性二、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介1、手糊成型（hand lay up）图2手糊成型示意图（1）概要依次在模具表面上施加脱模剂胶衣一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性树脂（须待胶衣凝结后）一层纤维增强材料（玻纤、芳纶、碳纤维），纤维增

6、强材料有表面毡、无捻粗纱布（方格布）等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强材料，并驱除气泡，压实基层。铺层操作反复多次， 直到达到制品的设计厚度。树脂因聚合反应，常温固化。可加热加速固化。（2）原材料树脂 不饱和聚酯树脂、已烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。纤维 玻纤、碳纤、芳纶等。虽然厚的芳纶织物难于手工将树脂浸透，亦可用。芯材 任意。（3）优点1）适合少量生产；2）可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；3）可制造大型制品和型状复杂产品；4）树脂和增强材料可自由组合，易进行材料设计；5）可采用加强筋局部增强，可嵌入金属件；6）可用胶衣层获得具有自由色彩和光泽的表面（如开模成型则一面不平滑

7、）；7）玻纤含量较喷射成型高。无捻粗纱布50%左右织物 35%-45%短切原丝毡30%-40%（4）缺点1）属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练程度决定；2）玻纤含量不可能太高；树脂需要粘度较低才易手工操作，溶剂/苯乙烯量高，力学与热性能受限 制；3）手糊用树脂分子量低；通常可能较分子量高的树脂有害于人的健康和安全。（5）典型产品 舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、建筑模型。2、树脂传递成型（RTM）-扭/鹑斜萍 口图3树脂传递成型示意图（1）概要RTM是一种闭模低压成型的方法。将纤维增强材料置于上下模之间；合模并将模具夹紧；在压力下注射树脂；树脂固化后打开模具, 取下产品。树脂胶

8、凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压力促使树脂快速传递到模个内，浸渍纤维材料。RTM是一低压系统，树脂注射压力范围0.4-0.5MPa,当制造高纤维含量（体积比超过50%）的制品，如 航空航天用零部件时，压力甚至达0.7MPa。纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型大致形状（带粘结剂），再在第二个模具内注射成型。 为了提高树脂浸透纤维能力，可选择真空辅助注射（VARI-vacuum saaistedrsin injection）。注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热条件 下进行。模具可以复合材料与钢材料制作。若采用加热工艺。宜用钢模。（2）原材料

9、树脂：一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛；当加温时，高温树脂台双马列来酰亚胺树脂 亦可用。法国Vetrotex公司开发了热塑性树脂RTM。纤维：任意。常用玻纤连续毡、缝编材料（其纤维间的缝隙得于树脂传递）、无捻粗纱布；玻纤与热 塑性塑料的复合纱及其织物与片材（法国Vetrotex商品名TWINTEX）。芯材：不用蜂窝，因蜂窝空格全被树脂填满，压力会导致其破坏。可用耐溶剂发泡材料PU、PP、CL、 VC等。（3）优点1）制品纤维含量可较高，未被树脂浸得部分非常少；2）闭模成型，生产环境好；3）劳动强度低，对工人技术熟练程度的要求也比手糊与喷射成型低；4）制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精

10、度也比较咼；5）成型周期较短；6）产品可大型化；7）强度可按设计要求具有方向性；8）可与芯村、嵌件一体成型；9）相对注射设备与模具成本较低。（4）缺点1）不易制作较小产品；2）因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具要重和复杂，价位也高一些;3）能有未被浸渍的材料，导致边角料浪费。（5）典型产品小型飞机与汽车零部件、客车座椅、仪表壳3、纤维缠绕（FW）图4纤维缠绕示意图（1）概要通常采用直接无捻粗纱作为增强材料。粗纱排列在纱架上。粗纱自纱架上退绕，通过张力系统、树 脂槽、绕丝嘴，由小车带动其往复移动并缠绕在回转的芯轴（模）上。纤维缠绕角度与纤维排列密度 根据强度设计，并由芯轴（模）转速与小车往复

11、速度之比，精确地控制。固化后将缠绕的复合材料制 品脱模。对某些两端密闭的产品不用脱模，芯模即包在复合材料产品内，作为内衬。（2）原材料树脂：任意。环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚醛树脂。纤维：任意。无捻粗纱、缝编和无纺织物。生产管罐时，常用表面毡、短切原丝作为内衬材料。 芯材：可用。虽然复合材料制品通常是单一壳体，一般不用。（3）优点1）因为纤维迳直以合理的线形铺设，承担负荷，故复合材料制品的结构特性可非常高；2）由于同内衬层组合，可制得耐腐蚀、耐压、耐热的制品；3）可制造两端封闭的制品；4）铺放材料快、经济、用无捻粗纱，材料费用低；5）可采用树脂计量，然浸胶后的纤维通过挤胶或口模，控制树脂含量

12、；6）可大理生产和自动化；7）机械成型，复合材料材质及方向性均匀，质量稳定。（4）缺点1）制品形状限于圆柱形或其它回转体；2）纤维不易沿制品长度方向精确排列；3）对于大型制品，芯模成本高；4）成品外表不是“模制”的，不尽人意；5）对于承受压力的制品，如选择树脂不合适或无内衬，就易发生渗漏。（5）典型产品 管道、贮罐、气瓶（消防呼吸气瓶、压缩天然气瓶等）、固体火箭发动机壳体。4、RIM（Reaction Injection Molding-反应注射成型）图5RIM示意图(1)概要将两种或两种以上的组分在混合区低压(0.5MPa)混合后，即在低压(0.5-1.5MPa)下注射到闭模中反 应成型，此

13、即为工艺过程。若组分一为多元醇，一为异氰酸酯，则反应生成聚氨酯。为增加强度, 可直接在一种组分内行加入磨碎玻纤原丝和(或)填料。弈可采用长纤维(如连续纤维毡、织物、复 合毡、短切原丝等的预成型物等)增强，在注射前，将长纤维增强材料预先置模具内。用此法可得 到高力学性能的制品。这种工艺称为SRIM(Struetural Reaction Injection Molding-结构反应注 射成型)。(2) 原材料树脂：常用聚氨酯体系或聚氨酯/脲混合体系；亦可采用环氧、尼龙、聚酯等基本；纤维：常用长0.2-0.4mm的磨碎玻璃纤维；芯材：不用。(3) 优点1) 制造成本比热塑性塑料注射工艺低；2) 可

14、制造大尺寸、开头复杂的产品；3) 固化快，适于快速生产。(4) 缺点采用磨碎玻璃纤维增强原料费用高，荐用矿物复合材料取代之。(5) 主要产品汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、电绝缘件。5、拉挤成型（Pul trusion）（1）概要主要采用玻璃纤维无捻粗纱（使用前预先放置在纱架上），它提供纵向（沿生产线方向）增强。其它类型的增强有连续原丝毡、织物等，它们补充横向增强，表面毡则用于提高成品表面质量。树 脂中可加入填料，改进型材料性能（如阻燃），并降低成本。拉挤成型的程序是1）使玻璃纤维增强材料浸渍树脂；2）玻璃纤维预成型后进入加热模具内，进一步浸渍（挤胶）、基本树脂固化、复合材料定型；3）将型材按要求长度切断。现在已有变截面的、长度方向呈弧型的拉挤制品成型技术。拉挤成型将增强材料浸渍树脂有两种方式：胶槽浸渍法：通常采用此法，即将增强材料通过树脂槽浸胶，然后进入模具。此法设备便宜作业性 好，适于不饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂。注入浸渍法（图6）:玻纤增强材料进入模具后，被注入模具内的树脂所浸渍。此法适于凝胶时间短、 粘度高、生产附产物的树脂基体，如酚醛、环氧、双马来酰亚胺树脂。