《玻璃钢的材质说明》由会员分享,可在线阅读,更多相关《玻璃钢的材质说明(15页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
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
2、分组成: 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。
3、6)值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27.58GPa206.7
4、GPa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2.84.617.350.17
5、0.26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)
6、,纤维增强材料有表面毡、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
7、型则一面不平滑);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)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
8、品。树脂胶凝过程开始前,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
9、模。(2) 原材料 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
10、作有表面胶衣的制品,精度也比较高;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
11、由芯轴(模)转速与小车往复速度之比,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
12、维通过挤胶或口模,控制树脂含量;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
13、)下注射到闭模中反 应成型,此即为工艺过程。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
14、性塑料注射工艺低;2)可制造大尺寸、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 (Pultrusion)(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。图6注入浸渍法(2)原材料树脂:常用不饱和聚