工業(yè)玻璃材料技術(shù)探究

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1.復(fù)合材料

由兩種或者兩種以上的組分材料通過(guò)適當(dāng)?shù)闹苽涔に噺?fù)合在一起,即保留原組分的性能,又具有原組分所沒(méi)有的優(yōu)異性能的材料稱為復(fù)合材料。近年來(lái)各種復(fù)合材料在工業(yè)技術(shù)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料分為:無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料,有機(jī)高分子基復(fù)合材料,及金屬基復(fù)合材料。玻璃鋼復(fù)合材料就是目前使用比較廣泛的有機(jī)高分子基復(fù)合材料,簡(jiǎn)稱玻璃鋼。用玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料的玻璃鋼叫做熱固性玻璃鋼(FRP);用玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的玻璃鋼叫做熱塑性玻璃鋼(FIP)。目前在生產(chǎn)中使用比較多的是熱固性塑料玻璃鋼。玻璃鋼由于具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、易成型的特點(diǎn),從而能有效的減輕產(chǎn)品的質(zhì)量、提高產(chǎn)品的使用性能、縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本,所以在目前的工業(yè)技術(shù)中獲得日益廣泛的應(yīng)用。如汽車作為人們廣泛應(yīng)用的交通工具,但是能耗較大,目前節(jié)能技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)研究的一個(gè)重要課題,汽車輕量化是一個(gè)重要的發(fā)展方向。試驗(yàn)表明,汽車每減少質(zhì)量10%,油耗可降低8%-10%,所以目前汽車零部件大量的采用了玻璃鋼復(fù)合材料,特別在車身大型覆蓋件方面獲得了的較廣泛應(yīng)用。玻璃鋼工業(yè)起步于20世紀(jì)40年代初期,經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,全世界已形成玻璃鋼從原材料、成型工藝、技術(shù)設(shè)備、制品生產(chǎn)到相關(guān)性能檢測(cè)等較系統(tǒng)完整的工業(yè)技術(shù),其標(biāo)準(zhǔn)化工作也日臻完善,正在向傳統(tǒng)材料挑戰(zhàn)。隨著玻璃鋼的新材料、新工藝、新設(shè)備的日益發(fā)展,在工業(yè)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域?qū)@得更加廣泛的應(yīng)用。

2.玻璃鋼的組成及性能

2.1玻璃鋼的組成玻璃鋼是玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)的俗稱,是以高分子有機(jī)樹(shù)脂為基體,采用玻璃纖維進(jìn)行性能增強(qiáng)的復(fù)合材料。玻璃鋼與金屬和普通均質(zhì)塑料不同之處在于它是由不同模量和強(qiáng)度的兩種材料組成。其中,具有較高模量與強(qiáng)度的玻璃纖維在玻璃鋼中起增強(qiáng)作用,是受力組分;而樹(shù)脂的作用是作為玻璃纖維的載體,將分散的玻璃鋼纖維牢固地粘結(jié)在一起,使之共同受力,所以它綜合了樹(shù)脂與玻璃纖維各自的優(yōu)點(diǎn)。玻璃鋼的力學(xué)性能不及碳纖維復(fù)合材料,但是由于其成本低,所以目前的應(yīng)用范圍比碳纖維復(fù)合材料大的多。玻璃纖維是一種人造無(wú)機(jī)纖維,與玻璃成分相似,均為無(wú)機(jī)氧化物的融合體。在目前眾多玻璃纖維制品中,其纖維有粗紗、細(xì)紗、捻紗、無(wú)捻紗之分,玻璃纖維布有細(xì)紗薄布和無(wú)捻粗紗布之分。常用樹(shù)脂分為熱固性、熱塑性兩種。熱固性樹(shù)脂目前用的較多的有酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、呋喃樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂等;熱塑性樹(shù)脂有聚氯乙烯、聚丙烯等。通常在各種樹(shù)脂中通常還需要加入各種添加劑以達(dá)到提高其使用性能和加工性能的目的。各種添加劑有:填料、顏料、穩(wěn)定劑、增塑劑等,另外還有引發(fā)劑、促進(jìn)劑、交聯(lián)劑等。引發(fā)劑和促進(jìn)劑合稱固化劑,以控制樹(shù)脂的固化速度(固化速度過(guò)快或過(guò)慢都可能造成制品缺陷),固化劑還能夠起到使固化趨于完全,穩(wěn)定制品質(zhì)量的作用。交聯(lián)劑能使樹(shù)脂固化后形成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),以改善樹(shù)脂性能并能調(diào)節(jié)樹(shù)脂溶液的粘度,起稀釋作用,使樹(shù)脂更易于浸潤(rùn)玻璃纖維。

2.2玻璃鋼的性能

2.2.1玻璃鋼的物理性能

(1)體積質(zhì)量小。其密度僅為1.6-2.1,是鋼鐵的1/4-1/5,鋁材的3/5左右。(2)耐腐蝕、耐老化、不生銹、防水、密封效果好。樹(shù)脂成分具有良好的耐腐蝕性能,在酸堿、有機(jī)溶劑、海水等介質(zhì)中性能穩(wěn)定,其耐腐蝕性能超過(guò)了不銹鋼。(3)吸振、隔音、隔熱。由于玻璃纖維與基體界面之間具有吸振的能力,其振動(dòng)阻尼很高,減振效果好,抗沖擊強(qiáng)度高。(4)電絕緣性能優(yōu)良,抗磁電性能強(qiáng)。玻璃鋼不受電磁作用影響,它不反射電磁波,微波透過(guò)性好。

2.2.2玻璃鋼的力學(xué)性能

(1)抗拉強(qiáng)度。組成玻璃鋼的玻璃纖維其抗拉強(qiáng)度為200MPa左右,玻璃鋼的抗拉強(qiáng)度略低于碳鋼,見(jiàn)表2所示。實(shí)驗(yàn)表明:隨著玻璃纖維含量的增加,玻璃鋼強(qiáng)度與彈性模量都逐漸增加,纖維含量每提高5%,強(qiáng)度分別提高8%-12%,彈性模量提高5%-10%。纖維含量的提高對(duì)強(qiáng)度提高的影響大于對(duì)彈性模量的影響,纖維含量達(dá)到60%以后,對(duì)強(qiáng)度與摸量的提高不再顯著。(2)比強(qiáng)度。比強(qiáng)度定義為材料的強(qiáng)度與質(zhì)量的比值,玻璃鋼的比強(qiáng)度較一般碳鋼大2-5倍。比強(qiáng)度大說(shuō)明零件自重小。(3)比模量。玻璃鋼比模量較一般碳鋼大得多。比模量大即表示零件的剛性大。(4)剛度。實(shí)驗(yàn)表明:2.5mm左右厚度的玻璃鋼與1.0mm厚度的鋼板具有相同的剛度。(5)抗疲勞強(qiáng)度。玻璃鋼的抗疲勞強(qiáng)度幾乎接近鋼材的一半。疲勞破壞實(shí)驗(yàn)表明:在交變載荷作用下,金屬材料的破壞是由里向外發(fā)展的,事前沒(méi)有任何預(yù)兆,而玻璃鋼卻不同,如果由于疲勞破壞而產(chǎn)生裂紋時(shí),因纖維與界面能阻止裂紋的擴(kuò)展,并且由于疲勞破壞總是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始,逐漸擴(kuò)展到結(jié)合面上,所以破壞前有明顯的預(yù)兆。金屬材料疲勞極限為抗拉強(qiáng)度的40%-50%,而玻璃鋼的疲勞極限為抗拉強(qiáng)度的60%-70%。RaifSakin等人認(rèn)為玻璃鋼的各向異性是其抗疲勞強(qiáng)度的主要影響因素,試驗(yàn)結(jié)果顯示,纖維分布的密度,纖維排布的角度,樹(shù)脂的滲透率等等是影響抗疲勞強(qiáng)度的主要參數(shù)。

2.2.3玻璃鋼的成型工藝性能

玻璃鋼具有優(yōu)良的成型工藝性能,由于其在比較低的溫度下(所用樹(shù)脂的熔融溫度,100℃-150℃)具有流動(dòng)性能,所以玻璃鋼制品不受零部件形狀的限制,許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)件可以很容易的使用玻璃鋼成型。汽車的覆蓋件形狀要求空氣阻力小,同時(shí)要求外形美觀,所以其形狀通常為空間曲面,如采用鋼板沖壓成型就比較困難,而使用玻璃鋼復(fù)合材料時(shí)利用它的流動(dòng)性,就很容易達(dá)到空氣動(dòng)力學(xué)的要求以及美觀方面的需要;同時(shí)使用玻璃鋼可制備形狀復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)件,使幾個(gè)零件集成于一個(gè)零件,從而減少零件數(shù)量;一次成型可提高制件的扭轉(zhuǎn)剛性;并且有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。與金屬零件的加工制造相比,簡(jiǎn)化了工序,減少了工裝設(shè)備,從而使得制造成本大幅下降,投資少,生產(chǎn)周期變短。特別是較大的覆蓋件,玻璃鋼良好的成型性能可通過(guò)一次模壓工藝制造出“A”級(jí)表面質(zhì)量的覆蓋件。

3.目前玻璃鋼的分類及其應(yīng)用

玻璃鋼根據(jù)采用的樹(shù)脂性能,主要分為:玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料(將樹(shù)脂加熱到一定溫度后固化成形,成形后不再具有塑性性能)和玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(樹(shù)脂加熱后,冷卻成形,再加熱又能夠恢復(fù)其塑性性能Thermoplastic)。

3.1玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料

增強(qiáng)熱固性塑料使用的玻璃纖維有無(wú)捻粗紗、無(wú)捻粗布紗、短切原絲氈、針刺氈、短切紗等。目前應(yīng)用廣泛的玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料為片狀模塑料(SheetMoldingCompound,簡(jiǎn)稱SMC)和團(tuán)狀模塑料(BulkMoldingCompound,簡(jiǎn)稱BMC),是由樹(shù)脂糊浸漬纖維或短切纖維氈,兩邊覆蓋聚乙烯薄膜而制成的一類片狀模壓料。SMC、BMC所用基體為聚酯,SMC短切纖維可以用紆子紗或無(wú)捻粗紗,長(zhǎng)度一般為35mm-40mm。目前利用其優(yōu)異的力學(xué)性能可制造的功能結(jié)構(gòu)零件有:驅(qū)動(dòng)軸、油箱、風(fēng)扇葉片、油氣踏板、空氣濾清氣罩、保險(xiǎn)杠、板簧、車端部骨架、散熱器支架和各類支撐件,與用鋼鐵材料制造這些零件相比,可減少重量60%-70%。利用其良好的成型性能、表面質(zhì)量和力學(xué)性能,目前制造的功能結(jié)構(gòu)零件有:轎車和客車的車身、車門、后尾門、頂棚、舉升門、貨車車廂等。利用其高的比強(qiáng)度生產(chǎn)汽車的內(nèi)飾件,如駕駛室內(nèi)的儀表盤、地板、座椅,外飾件如擋泥板、導(dǎo)流罩,可減少質(zhì)量40%左右。利用其良好的物理化學(xué)性能可生產(chǎn)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)零件有:閥門罩、頂蓋、前蓋、定時(shí)鏈條罩、油槽等,不僅可減少質(zhì)量30%,同時(shí)可以大大減小運(yùn)行中的噪聲與振動(dòng),且無(wú)需外涂飾,尺寸穩(wěn)定,密封性能好。

3.2玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料

玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料根據(jù)纖維增強(qiáng)方式的不同,分為短玻纖(SFT)、長(zhǎng)玻纖(LFT)和玻璃纖維氈(GMT)增強(qiáng)三種類型。SFT是目前應(yīng)用最多的玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料,但其材料性能不高。SFT最常用的基體塑料有聚酰胺、聚丙烯、聚碳酸酯、聚乙烯等,在汽車中多使用聚丙烯和聚酰胺,近年來(lái)又?jǐn)U展到ABS、熱塑性聚酯(PET、PBT、PTT)等。SFT中的玻璃纖維含量為30%左右。材料中的纖維能賦予制品良好的熱力學(xué)性能,因而適用制作靠近熱源的器件,主要用作非結(jié)構(gòu)零部件。LFT的基體塑料主要為聚丙烯(目前占70%以上),還有聚酰胺、PBT、聚氨酯等。LFT的玻璃纖維長(zhǎng)度控制在4mm以上,其玻璃纖維較長(zhǎng),可以提高制品的力學(xué)性能,特別是能夠顯著提高沖擊強(qiáng)度。剛度與質(zhì)量比高,變形小;韌性高;抗蠕變性能好,尺寸穩(wěn)定;耐疲勞性能優(yōu)良;其成形性能好,可采用注塑和其他成型方法(而GMT只能采用壓塑);其模塑成型性能比SFT好。目前在歐洲,LFT已成為前端托架、車門部件、儀表盤支架、車地防護(hù)件及其他結(jié)構(gòu)間的標(biāo)準(zhǔn)材料。GMT是連續(xù)纖維或者長(zhǎng)纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。GMT所用基體塑料主要是聚丙烯,其他還有聚酰胺、聚乙烯等。GMT中玻璃纖維含量一般為20%-45%。GMT具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、韌性好、可回收利用等優(yōu)點(diǎn),因而躋身于金屬、工程塑料等材料之間,具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。尤其是GMT抗沖擊強(qiáng)度好,蠕變小,耐熱性好,成型收縮小,特別適合于汽車制造業(yè),其典型制品有前端組件、保險(xiǎn)杠、儀表盤、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車底防護(hù)板、座椅靠背、備胎倉(cāng)、蓄電池支架、車門組件等。

3.3玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料與玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料性能比較

樹(shù)脂基復(fù)合材料幾十年來(lái)主要是熱固性樹(shù)脂基材料,進(jìn)入20世紀(jì)90年代,隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,以通用和高性能的工程塑料為基體樹(shù)脂的熱塑性復(fù)合材料受到人們的關(guān)注,并已成為復(fù)合材料異常活躍的研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。人們普遍認(rèn)為,熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料具有很大的應(yīng)用潛力,其與熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料相比具有:韌性比較高;成型加工周期短;加工工藝簡(jiǎn)單,無(wú)環(huán)境污染,可重復(fù)使用;維修方便;有類似于金屬的加工特性;成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3.4玻璃鋼新技術(shù)的應(yīng)用

3.4.1納米技術(shù)的應(yīng)用

納米技術(shù)的應(yīng)用將使玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料性能到進(jìn)一步的提高,有機(jī)或無(wú)機(jī)納米粉分散在熱固性聚合物基體中,能夠有效地阻礙其團(tuán)聚傾向;顯著改善其熱性能,使其熱膨脹系數(shù)降低,熱導(dǎo)系數(shù)增加,可為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件的制造提供良好的發(fā)展前景。FlorianH.Gojny等人研究了碳納米管對(duì)玻璃鋼性能的影響,研究表明:少量碳納米管就可顯著提高玻璃鋼的力學(xué)性能,這主要是能夠大大改善玻璃鋼基體的性能,但其拉伸性能不受影響(因?yàn)閺?fù)合材料的拉伸性能是玻璃纖維起主導(dǎo)作用)。

3.4.2低密度SMC玻璃鋼復(fù)合材料的應(yīng)用

低密度SMC玻璃鋼的比重為1.3,比標(biāo)準(zhǔn)的材料(比重為1.8-2.0)重量輕30%以上。使用這種低密度SMC與用鋼制作的同類部件相比可減少質(zhì)量大約45%。低密度SMC發(fā)動(dòng)機(jī)罩比鋼件減少質(zhì)量達(dá)35%。

3.4.3高含量玻璃纖維增強(qiáng)的片狀模塑料的應(yīng)用

高含量玻璃纖維增強(qiáng)的片狀模塑料由于具有多種功能,被廣泛認(rèn)為在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具有很大的優(yōu)勢(shì),因此推廣應(yīng)用于汽車儀表板、轉(zhuǎn)向機(jī)、散熱器系統(tǒng)及電子裝置上。

3.4.4天然纖維增強(qiáng)塑料的研究應(yīng)用

由于天然纖維價(jià)格比玻璃纖維更便宜,而且密度更低,這就可能降低材料成本和制件重量;天然纖維復(fù)合材料還具有顯著的環(huán)保優(yōu)越性,天然纖維來(lái)自可再生資源,可生物降解,極易回收處理。所以天然纖維增強(qiáng)塑料的研究在國(guó)內(nèi)、外正開(kāi)展的如火如荼,已有部分產(chǎn)品用于輕便客貨兩用車的門板、儀表盤、小件行李架、駕駛室后壁板等部件。可以預(yù)見(jiàn),不久的將來(lái)天然纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料應(yīng)用將得到更快速的發(fā)展。

4.玻璃鋼成型工藝簡(jiǎn)介

不同種類的玻璃鋼,其成形工藝方法亦不同。

4.1玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料的成型工藝

4.1.1手糊成型工藝手糊成型工藝是早期采用的一種簡(jiǎn)單成熟的成型工藝,其典型工藝過(guò)程是:在涂有脫模劑的模具上,將加有固化劑的樹(shù)脂混合料和玻璃纖維織物手工逐層鋪放,浸膠并排除氣泡,疊層至要求的厚度后固化,形成所需的制件。手糊成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:無(wú)需專用設(shè)備,投資少;不受制品形狀和尺寸的限制,操作方便,容易掌握,便于推廣,成本低等。缺點(diǎn)是:制品質(zhì)量不易控制,人為因素大;制品的強(qiáng)度和尺寸精度較低;勞動(dòng)條件差,開(kāi)模麻煩,污染較嚴(yán)重;人工操作,生產(chǎn)效率低,邊角料廢渣較多等。

4.1.2噴射成型工藝

噴射成型工藝是手糊成型的改進(jìn),屬于半機(jī)械化成型工藝。它是將混有引發(fā)劑和促進(jìn)劑的兩種聚酯樹(shù)脂分別從噴槍兩側(cè)噴出,同時(shí)將切斷的玻纖粗紗由噴槍中心噴出,使其與樹(shù)脂均勻混合,沉積到模具上;當(dāng)沉積到一定厚度時(shí),用輥輪壓實(shí),使纖維浸透樹(shù)脂,排除氣泡固化后成制品。噴射成型的優(yōu)點(diǎn)是:用玻纖粗紗代替織物,可降低材料成本;生產(chǎn)效率比手糊的高2-4倍;產(chǎn)品整體性好,無(wú)接縫,層間剪切強(qiáng)度高,制品耐腐蝕、耐滲漏性好;產(chǎn)品尺寸、形狀不受限制。缺點(diǎn)是:樹(shù)脂含量高,制品強(qiáng)度低;產(chǎn)品只能做到單面光滑;污染環(huán)境,有害工人健康。

4.1.3模壓法

模壓法又分為熱壓法、冷壓法。熱壓法目前常用的有酚醛坯料模壓和SMC、BMC模壓兩種。模壓工藝要嚴(yán)格控制兩個(gè)工藝參數(shù),即壓力和溫度。下面主要介紹SMC及BMC成型工藝和低溫模壓法。SMC(片狀模塑料)及BMC(團(tuán)狀模塑料)成型工藝:將片狀模塑料和團(tuán)狀模塑料兩面的薄膜撕去,按制品的尺寸裁剪、疊層,放入金屬模具中加溫加壓,即可得到所需要的制品。SMC可在加熱的模具中流動(dòng),便于制造帶有筋、凸起及不等厚的覆蓋件。其成型時(shí)間取決于成型溫度、壓力和所用樹(shù)脂、引發(fā)劑系統(tǒng)及制件壁厚(一般1mm壁厚為1min)。成型溫度為130℃-150℃,還可根據(jù)需要對(duì)模具的上下部設(shè)置不同的溫度,要求光潔的一面模具溫度應(yīng)高出10℃-15℃。它是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的成型材料之一。壓制SMC、BMC產(chǎn)品的工藝條件見(jiàn)表3。SMC/BMC成型工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是:生產(chǎn)效率高,成型周期短,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn);產(chǎn)品尺寸精度高,重復(fù)性好;閉模成型,可最大程度較少樹(shù)脂等有害成分對(duì)人體和環(huán)境的毒害;制品表面光潔,無(wú)需二次修飾;模具壽命可達(dá)100萬(wàn)次,大批量生產(chǎn)時(shí)可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。SMC/BMC的不足之處在于模具制造復(fù)雜,初期投資大。低溫模壓法的特點(diǎn)為:成型壓力較低,只有0.2-0.5MPa;玻璃纖維不是短切預(yù)混料,而是以片狀坯料形式入模;由于壓力低,陰陽(yáng)模具一般可用FRP做模,不必用金屬模具;成型溫度為常溫至60℃,不需外界加熱。

4.1.4RTM成型工藝

樹(shù)脂傳遞模塑(ResinTransferMolding,簡(jiǎn)稱RTM)是手糊成型工藝的另一種改進(jìn)的閉模成型技術(shù),它的基本原理是將璃纖維增強(qiáng)材料放到封閉的模腔內(nèi),用壓力將樹(shù)脂膠液注入腔,浸透玻纖增強(qiáng)材料,然后固化,脫模后成制品。圖2為RTM的工藝流程圖。RTM成型玻璃鋼增強(qiáng)材料有:片狀增強(qiáng)材料,將玻璃纖維紗切成定長(zhǎng)加粘合材料制成氈;預(yù)型體,在玻纖中粘合劑制成預(yù)成型物,與成型形狀相仿的坯料。開(kāi)發(fā)適合RTM工藝的樹(shù)脂是關(guān)鍵環(huán)節(jié),對(duì)樹(shù)脂的一般要求主要有:低粘度,注入速度快,無(wú)壓力堆積;固化后不宜發(fā)生裂紋;從凝膠到脫模的時(shí)間短;固化時(shí)發(fā)熱少,并且要求低溫時(shí)不固化,溫度提高到60℃-80℃時(shí)能快速固化;有足夠適應(yīng)操作的時(shí)間;控制容易,清洗方便;能夠加入較多的填料。RTM成型技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是:可以制造大中尺寸、復(fù)雜形狀、兩面光潔的整體結(jié)構(gòu)件;成型效率高,適合于中等規(guī)模的玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)(30000件/年以內(nèi));RTM工藝采用低粘度快速固化樹(shù)脂,生產(chǎn)效率高和產(chǎn)品質(zhì)量好;RTM為閉模操作,不污染環(huán)境,不損害工人健康;原材料及能源消耗少;初期投資少。缺點(diǎn)是:生產(chǎn)技術(shù)要求高;修整工序復(fù)雜。

4.1.5拉擠成型工藝

拉擠成型工藝是將浸漬樹(shù)脂膠液的連續(xù)玻璃纖維束、帶或布等,在牽引力的作用下,通過(guò)擠壓模具成型、固化、連續(xù)不斷地生產(chǎn)長(zhǎng)度不限的玻璃鋼型材。如各種棒、管、實(shí)體型材(工字形、槽形、方形型材)和空腹型材(門窗型材、葉片等)等。拉擠成型是復(fù)合材料成型工藝中的一種特殊工藝,其優(yōu)點(diǎn)是:生產(chǎn)過(guò)程完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,生產(chǎn)效率高;拉擠成型制品中纖維含量可高達(dá)80%,產(chǎn)品強(qiáng)度高;制品縱、橫向強(qiáng)度可任意調(diào)整可以滿足不同力學(xué)性能制品的使用要求;生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)邊角廢料,產(chǎn)品不需后加工,故較其它工藝省工,省原料,省能耗;制品質(zhì)量穩(wěn)定,重復(fù)性好,長(zhǎng)度可任意切斷。缺點(diǎn)是:產(chǎn)品形狀單調(diào),只能生產(chǎn)線形型材,制品橫向強(qiáng)度不高。但近年來(lái)使用纖維布和復(fù)合氈拉擠后橫向強(qiáng)度得到了提高。在國(guó)外,擠拉法成型已經(jīng)工業(yè)化,近來(lái)我國(guó)已有數(shù)十家從國(guó)外引進(jìn)了工藝和設(shè)備。擠拉法在我國(guó)已形成規(guī)模化生產(chǎn)。

4.1.6纏繞成型法

纏繞成型法:在若干股無(wú)捻粗紗上施以一定的張力并浸漬樹(shù)脂(或已浸漬樹(shù)脂),按一定規(guī)律纏在芯軸上,纏到所需厚度后,經(jīng)固化脫模而得到制品。各種成型工藝方法、成型應(yīng)用范圍、及制品質(zhì)量比較。

4.2玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的成型方法

玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的成型具有玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料成型的特征,同時(shí)由于它又具有金屬材料成型的特點(diǎn)。

4.2.1層壓成型技術(shù)

纖維氈、布預(yù)浸料和共混織物、混合纖維織物適合于層壓成型。其加工過(guò)程為:在兩塊熱平板之間加熱板狀預(yù)浸料,加熱溫度高于基體的熔點(diǎn);然后快速將熱板送入處于室溫的成型系統(tǒng)中,;熱壓、冷卻形成制品。

4.2.2熱壓成型

熱壓成型也稱為預(yù)熱坯料成型,與前面所提的模壓成型類似,是一種快速、大量成型熱塑性塑料制品的工藝方法。

4.2.3樹(shù)脂傳遞模塑

樹(shù)脂傳遞模塑是一種從熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料成型借鑒過(guò)來(lái)的新的熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料成型方法。在成型制品時(shí),首先將樹(shù)脂粉末在室溫下放入不銹鋼壓力容器中,逐漸加熱到達(dá)注入溫度時(shí),加入引發(fā)劑粉末,攪拌均勻,再用氮?dú)饨o壓力容器充壓,樹(shù)脂通過(guò)底部開(kāi)口和加熱管道注入纖維層狀物或預(yù)成型物的模腔中,當(dāng)樹(shù)脂充滿模腔后,將模具溫度提高到聚合溫度,樹(shù)脂進(jìn)一步聚合,聚合完成后,將模具按要求降溫、開(kāi)模即得到最終制品。

4.2.4拉擠成型技術(shù)與纏繞成型法

與熱固性玻璃鋼的成形方法相似;只有成形所使用的玻璃纖維材料、長(zhǎng)度、以及工藝參數(shù)不同。因篇幅所限,在此不再詳述,可參考其他的相關(guān)資料。

4.3目前玻璃鋼件成形新工藝簡(jiǎn)介

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中,為了降低制品的生產(chǎn)成本,提高制品的質(zhì)量,人們不斷的研究成功了許多新的玻璃鋼先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù),如:LPMC(1owpressuremoldingComproma1)工藝,它將RTM的低壓低溫成形和SMC的工藝結(jié)合起來(lái),形成在RTM條件工藝參數(shù)SMCBMC成型溫度(℃)130-150120-170成型時(shí)間(min)50-10030-70成型壓力(MPa)0.2-30.1-3模具速度(mm/c)(1)100-300100-350(2)10-7020-70(3)0.1-300.1-20下即可生產(chǎn)出性能和SMC相似的制品。TERTM(ThermolExpansionResinTransferMoulding,熱膨脹樹(shù)脂傳遞模塑料)工藝。能夠制造重量輕,強(qiáng)度高,具有理想的扭曲強(qiáng)度和良好的尺寸穩(wěn)定性,熱膨脹系數(shù)低的制品,如汽車的防撞檔板等。美國(guó)、加拿大、日本、西歐等國(guó)家和地區(qū)的TERTM都申請(qǐng)了專利,其技術(shù)處于領(lǐng)先水平。VARTM(Vacuum-AssistedResinTransterMoulding)技術(shù),可使用更輕型模具,提高模具的使用壽命;通過(guò)抽真空可增加制品的強(qiáng)度;提高制品的質(zhì)量。軟模壓制成型技術(shù)(RPM)。該技術(shù)使用的下模材料為鋼類硬質(zhì)金屬,上模為易于變形的橡膠類材料制成的軟模。有利于應(yīng)力在成型件表面的重新均勻分布(其中應(yīng)力包括變形應(yīng)力和因軟模成型所產(chǎn)生的靜水壓應(yīng)力)。輻射固化(radiationcuring)技術(shù)。采用α、β-、β+、γ和中子射線作輻射源,在室溫或低溫下進(jìn)行固化成形。制品殘余熱應(yīng)力小;尺寸穩(wěn)定;成型周期短;同時(shí)不需要化學(xué)引發(fā)劑,對(duì)人和環(huán)境的危害極小;能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)固化,工藝操作方便;最適合固化面積大的制品。GMT材料的“整合/集成”技術(shù)。通常GMT材料的片材制備和制品成型過(guò)程是分開(kāi)的,如將兩者結(jié)合起來(lái),可以避免片材制備中的冷卻以及制品成型前的重新預(yù)熱,即可減少設(shè)備投入,又可節(jié)約能耗。目前國(guó)外已有幾家公司采用了這種技術(shù)。

4.4玻璃鋼復(fù)合材料的回收利用

據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界玻璃鋼復(fù)合材料的年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到600萬(wàn)噸,其廢棄物也超過(guò)了100萬(wàn)噸,但是回收利用率只有10%左右。玻璃鋼復(fù)合材料的廢棄物對(duì)環(huán)境存在污染,所以目前玻璃鋼復(fù)合材料制品的回收再生利用技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用性階段,回收方法主要有以下兩種:(1)機(jī)械粉碎法:機(jī)械粉碎法是將玻璃鋼復(fù)合材料廢棄物經(jīng)多次粉碎、碾磨成粒徑很小的粉劑,代替碳酸鈣重新用作填料,用量約占制品重量的10%,德國(guó)再生料的最高用量已高達(dá)20%-30%左右,制品可達(dá)到A級(jí)表面質(zhì)量要求。(2)化學(xué)熱解法:化學(xué)熱解法是將玻璃鋼復(fù)合材料廢棄物在無(wú)氧情況下。利用高溫分解成為燃?xì)狻⑷加?、固體副產(chǎn)物三種成分,燃?xì)夂腿加涂梢杂米髂茉?固體副產(chǎn)物可重新作為復(fù)合材料的填料。