复合材料成型工艺与特点

第五章复合材料成型工艺与特点5.1手糊、喷射成型技术与特点5.1.1手糊成型技术与特点1)手糊成型原理手糊成型工艺是树脂基复合材料生产中最早使用和应用普遍的一种成型方法，它是指将纤维浸渍树脂后手工地铺层在模具上，黏结在一起然后固化的成型工艺。手糊成型技术很少受制品形状及大小的限制，模具费用低，对于那些品种多、生产量小的大型制品，手糊成型技术是非常适合的。2)手糊成型工艺的原材料手糊成型工艺所用的原材料包括：增强材料、树脂和辅助材料。（1）增强材料手糊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。其中常用的玻璃纤维增强材料有以下几种：无捻粗纱、无捻粗纱布、加捻布、短切玻璃纤维毡、玻璃纤维织物。（2）基体材料手糊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。在手糊成型技术中，最常用的是不饱和聚酯树脂，其次是环氧树脂、酚醛树脂和呋喃树脂，乙烯基树脂等也有少数应用。（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。3)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。模具材料应满足以下要求：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。手糊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。4)手糊成型的工艺流程（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。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。5)手糊成型工艺的优缺点手糊成型工艺有以下优点：（1）不需要复杂的设备，只需要简单的模具、工具，固定投资少、见效快，比较适合我国乡镇企业的发展；（2）生产技术易掌握，只需要经过短期的培训即可进行生产；（3）所制作的复合材料产品不受尺寸、形状限制，如大型游船、圆屋顶、水槽等均可；（4）可与其他材料（如金属、木材、泡沫等）同时复合成一体；（5）对一些不宜运输的大型制品（如大罐、大型屋面）均可现场制作。但是手糊成型也存在许多缺点：（1）生产效率低、速度慢、生产周期长，对于批量大的产品不太适合：（2）产品质量不够稳定，由于操作人员的技能水平不同及制作环境条件的影响，产品的质量稳定性较差；（3）生产环境差，气味大，加工时粉尘多，故需从劳动保护上加以解决。6)手糊成型的应用由于手糊工艺设计自由，因此可根据产品的技术要求设计出理想的外观、造型及多种多样的复合材料制品。手糊成型工艺制作的复合材料产品的用途比较广泛，主要有以下几个方面：(1)建筑制品波形瓦、采光罩、风机、浴盆、组合式卫生间、冷却塔、活动房屋、玻璃钢大棚等。(2)造船业渔船、游船、游艇、交通艇、救生艇，灯塔、水中浮标、养殖船等。(3)机械电器设备机器罩、配电箱、医疗器械外罩、电池箱、开关盒等。(4)体育游乐设备赛艇、舢板、滑板、各种球杆、人造攀岩墙、冰车、风帆车、海底游乐设备等。5.1.2喷射成型技术与特点喷射成型是利用喷枪将玻璃纤维及树脂同时喷到模具上而制得复合材料的工艺方法。具体作法是，加了引发剂的树脂和加了促进剂的树脂分别由喷枪上的两个喷嘴喷出。同时切割器将连续玻璃纤维切割成短切纤维，由喷枪的第三个喷嘴均匀地喷到模具表面上，用小辊压实，经固化而成制品。喷射成型也称半机械化手糊法。在国外，喷射成型的发展方向是代替手糊。喷射成型的优点是:①利用粗纱代替玻璃布，可降低材料费用;②半机械操作，生产效率比手糊法高2~4倍，尤其对大型制品，这种优点更为突出。③喷射成型无搭缝，制品整体性好;④减少飞边、裁屑和胶液剩余损耗。喷射成型的缺点是树脂含量高;制品强度低;现场粉尘大;工作环境差。喷射成型机按喷射方式分类，可分为:(1)高压型:①用泵把树脂送入喷枪，借泵压进行喷射;②用空压机将树脂罐和固化剂罐加压，在该压力下，将树脂和固化剂压入喷枪进行喷射。(2)气动型:树脂、固化剂或它们的混合物借压缩空气喷出的力与空气雾化、喷出。按混合形式分类，可分为:(1内部混合型:在喷枪内部混入引发剂后进行喷射。(2)外部混合型:分别含有促进剂和引发剂的树脂由喷枪喷出呈雾状相互混合，有单独喷射引发剂和喷射含引发剂树脂的两种类型。(3)已混合型:事先调配好含促进剂和引发剂的树脂，由喷枪喷出。1）喷射成型工艺在喷射成型开始以前，应该先检查树脂的凝胶时间，测定方法是将少量的树脂喷入小罐中，测定其凝胶时间;还必须检查树脂对玻璃纤维的比例，一般树脂对玻璃纤维的比例在2.5比1到3.5比1之间。待胶衣树脂凝胶后{发软而不粘手)，就可以开始喷射成型操作。如果没有胶衣树脂，应先在模具上喷一层树脂。然后开动切割器，开始喷射树脂和纤维的混合物。第一层应该喷射得薄一些(约1mm厚)，并且仔细滚压，首先用短的马海毛滚，然后用螺旋滚.以确保树脂和固化剂混合均匀以及玻璃纤维被完全浸润。仔细操作，确保在这一层中没有气泡，而且这一层必须完全润湿胶衣树脂，待这一层凝胶后再喷下一层。接下来的每一层约喷射2mm厚，如果太厚，则气泡难以除去，制品质量不能保证。每喷射一层都要仔细滚压除去气泡。如此重复，直至达到设计厚度。要获得较高强度的制品，则必须与粗纱布并用，在使用粗纱布时，应先在模具上喷射足够量的树脂，再铺上粗纱布，仔细滚压，这样有利于除去气泡。对大多数喷射设备，其喷射速率一般是2-10kg/min。与手糊成型一样，最后一层可以使用表面毡，再涂上外涂层。固化、修整、后固化及脱模等工序与手糊成型法相同。2）喷射成型常见的缺陷分析（1）浸渍不良产生的原因及对策:若因树脂含量低所致，则可适当增加树脂含量。若因树脂黏度过大所致，则应调节树脂黏度。若因树脂的触变度不够而造成树脂流失所致，则应选择有适宜触变度的树脂，或加触变剂。若因粗纱质量不好，不易被树脂浸透所致，则应更换粗纱。因固化时间过短，在喷射操作中就凝胶，应调节树脂的凝胶时间，如减少促进剂量，加人阻聚剂，调节环境温度。（2）脱落产生的原因及对策:若因树脂含量多所致，则应减少树脂喷出量。若因树脂的黏度、触变度低所致，则应提高树脂的黏度和触变度。若因喷枪与成型模面距离小所致，则应控制喷射的距离和方向。若因粗纱的切割长度不合适所致.则应按制品的大小和形状，改变纤维的切割长度。（3）固化不足及固化不均产生的原因及对策:若因各喷嘴的喷吐量不稳定，而造成配比失调，则要确定各喷嘴的喷吐量，必要时作相应的调整。若因喷出的树脂不能形成适当的雾状，则应调整雾化，使树脂呈雾状。若因树脂和短切粗纱喷射形状不一致，则模面与喷枪之间的距离及方向要保持适当。若由于喷枪型号的原因，初始时喷出的固化剂量不足，则可用空吹法调节固化剂达到一定喷出量后，再喷出树脂和纤维。若因空压机内混入冷凝水，则将空压机内的冷凝水排放掉，并定期排放。（4）粗纱切割不良产生的原因及对策:若因切割刀片磨损所致，则应更换，一般应按刀片的材质.在使用一定时间后主动更换。若是支持辊磨损所致，则应视磨损程度及时更换。若因粗纱根数太多所致，则应减少粗纱根数，通常以切割2根粗纱为宜。若因切割器的空气压低所致，则应提高空气压，增大空压机容量。（5）空洞、气泡产生的原因及对策;若是脱泡不充分所致，则应按操作规范仔细操作。若是树脂浸渍不良所致，则应加些消泡剂，再次检查树脂和纤维的质量。若脱泡程度难以判断，可将模具做成黑色，以便观察脱泡和浸渍情况。若是在凝胶前就送入高温的后固化炉所致，则应该在室温下固化后再送入炉内固化。（6）厚度不匀产生的原因及对策：由于未掌握好喷射操作所致，则应通过训练以提高熟练程度。由于脱泡操作不熟练所致，则应选用合适的脱泡工具，熟练掌握脱泡操作。若因纤维的切割性不好所致，则应调整或更换切割器。若因纤维的分散性不好所致，则应检查粗纱的质量。（7）白化及龟裂。产生的原因及对策:由于树脂的反应活性高，在短时间内固化，固化时发热量大，而引起树脂和纤维的界面剥离。则应选择反应活性适宜的树脂，检查引发剂和促进剂的种类和用量以及固化条件。由丁纤维表面附有妨碍树脂浸润的物质(如水、油、润滑脂等)所致，则应作适当处理，平时要注意粗纱的保管和使用。若因一次喷射太厚所致，则可采用分次喷射，边控制固化发热量边喷射。若是喷枪中各喷嘴的喷出量不匀所致，.则应调整树脂的喷出量。若是树脂中混有水所致，则应改善树脂的保管、操作方法、使用条件，空压机的冷凝水管要经常放水。5.2树脂传递模塑成型技术与特点随着复合材料应用领域的不断拓宽，复合材料工业得到迅速发展，成型技术日益完善，新的成型方法不断涌现。目前树脂基复合材料的成型技术主要有手糊成型、喷射成型、树脂传递模塑成型（ResinTransferMolding，RTM）、模压成型、注射成型、结构反应注射成型(SRIM)、真空袋成型、压力袋成型、高压釜成型、纤维缠绕法、拉挤成型法以及其它成型