拉挤成型主要工序、工艺原理及常见缺陷原因分析.ppt

复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 拉挤成型 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 拉挤成型工艺特点 拉挤是指玻璃纤维粗纱或其织物在外力牵引下 经过浸胶 挤压成型 加热固化 定长切割 连续生产玻璃钢线型制品的一种方法 它不同于其它生产玻璃钢成型工艺的地方是外力拉拔浸胶玻璃钢纤维或织物 挤压通过加热模具成型 固化形成玻璃钢线型材 用于生产断面形状固定不变的玻璃钢制品 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 6 6 1拉挤成型工艺流程 玻璃纤维粗纱排布 浸胶 预成型 拉挤模塑及固化 牵引 切割 制品 包装 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 主要成型工序 1 排纱排纱是将安装在纱架上的增强材料从纱筒上引出并均匀整齐排布的过程 排纱系统包括如纱架 毡铺展装置 缠绕机或编织机等 增强材料输送排纱时 为了排纱平整 一般采用旋转芯轴 纤维从纱筒外壁引出的 这样可避免扭转现象 如采用纤维从纱筒内壁引出的 纱筒固定会使纱发生扭曲不利于玻璃纤维的整齐排布 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 2 树脂浸渍 是将排布整齐的增强纤维均匀浸渍上已配制好的不饱和树脂的过程 一般是采用将纤维通过装有树脂胶槽时进行的 一般分为 直槽浸渍法 滚筒浸渍法 其中以直槽浸渍法最为常用 在整个浸渍过程中 必须保证纤维和毡排列十分整齐 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 3 预成型 预浸好的增强材料穿过预成型装置 以连续方式运转 以便确保它们的相应位置 经预成型装置将预浸好的增强材料逐步过度成为型材的形状同时挤出多余的树脂 然后进入模具 进行成型固化 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 4 模塑及固化 成为型材形状的浸胶增强材料进入模具在模具中固化成型 模具的温度根据固化工艺过程进行设计 主要根据树脂在固化中的放热曲线及物料与模具的摩擦性能 一般将模具分成三个不同的加热区 预热区 凝胶区和固化区 以控制固化速度 模塑及固化是拉挤成型工艺中最关键的部分 典型模具的长度范围在500 1500mm之间 模具出口与牵引机械之间要有一定的距离 一般采用风冷的方式冷却型材 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 5 牵引切割 牵引装置可以是一个履带型牵引机 它将固化型材从模具中拉出来 它一般应具有10t以上的拉力 也可以用液压拉拔机 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 6 6 2拉挤成型设备 增强材料架 预成型导向装置 树脂浸渍装置 带加热控制的金属模具 固化炉 牵引设备 切割设备 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 1 送纱装置 作用将无捻粗纱从安装在纱架上的纱筒中引出 通过导纱装置进入浸胶槽浸胶 最简单的送纱装置是纱架 纱架结构及大小取决于产品规格及所用纱团的数量 纱架结构根据需要可制成整体式或组合式 纱筒在纱架上可以纵向或横向安装 需要精确导向时 通常使用孔板导纱器或塑料管导纱器 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 2 浸胶装置 浸胶装置一般包括导向辊 树脂槽 压辊 分纱栅板 挤胶辊等 由纱架引出的玻璃纤维粗纱 在浸胶槽中浸渍树脂 并通过挤胶辊的加紧来控制树脂含量 胶槽长度根据浸胶时间长短和玻璃纤维运行速度而定 胶槽中的胶液应连续不断地循环更新 以防止因胶液中溶剂挥发造成树脂粘度加大 胶槽一般采用夹层结构 通过调控夹套中的水温来保持胶液的温度 挤胶辊的作用是使树脂进一步浸渍增强材料 同时起到控制含胶量和排气的作用 分栅板的作用是将浸渍树脂后的玻璃纤维无捻粗纱分开 确保按设计的要求合理分布 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 3 预成型模和成型模 1 预成型模作用是将浸透了树脂的增强材料进一步均匀并除去多余的树脂和排除气泡 使其形状逐渐形成成型模的进口形状 如拉挤成型管材时 一般使用圆环状预成型模 制造空心型材时 通常使用带有芯模的预成型模 生产异型材时 大都使用形状与型材截面形状接近的金属预成型模具 在预成型模中 材料被逐渐地成型到所要求的形状 使增强材料在制品断面的分布符合设计要求 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 2 成型模具 成型模具一般为钢模 成型的内表面应加工的十分光滑并镀铬以降低表面摩擦力 降低牵引力 延长模具使用寿命 使制品易脱模 模具长度由固化时间和牵引速度来决定 芯模尾部大约200 300mm处应加工成1 200 1 300mm的锥度 以减少脱模时的阻力成型模具按结构形式可分为 整体成型模组合式成型模两类 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 整体成型模其成型模孔是由整体钢材加工而成 一般适于棒材和管材 模外有加热装置 热成型模前端装有循环水冷却系统 其目的是形成低温的预成型区 避免树脂过早固化 影响下步成型 整体成型模 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 4 固化炉 在拉挤成型中 处于一定固化度的玻璃钢型材拉出模具后 再进入固化环境以保证制品充分固化所需的装置 固化炉温度要严格控制并与牵引速度相适应 固化炉的结构取决于制品形状及几何尺寸 设计时除考虑固化炉结构 加热方式外 还要便于拉挤操作 根据工艺要求 炉中温度分段控制 炉体适当保温 并设有观察孔 控温装置和排风装置的安装固定部位等 固化炉的加热方法通常有电阻加热或远红外加热 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 5 牵引装置 牵引设备是将固化的型材从成型模具拉出的装置 它要根据拉挤制品种类来选择牵引力的大小和夹紧方式 牵引机分为液压机械式和履带式两种 牵引力一般为5O 10OkN 牵引速度通常采用无级调速 可以根据制品加工工艺要求而定 通常为0 l 3m min 若采用快速固化配方 牵引速度可大幅度提高 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 6 切割装置 切割是在连续生产过程中进行的 当制品长度达到要求时 制品端部到达控制长度的位置 一般采用红外线控制器 控制器接通切割电机电路 切割装置便开始工作 首先是装有橡皮垫的夹具 将制品抱紧 然后用合金刀具进行切割 切割过程由两种运动完成 即纵向运动和横向运动 纵向运动是切割装置跟随制品同步向前移动 横向运动是切割刀具的进给运动 切割过程中 刀具的磨耗非常严重 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 6 6 3拉挤工艺用原料 1 树脂拉挤成型工艺使用的树脂主要有不饱和聚酯树脂 环氧树脂 乙烯基树脂等 其中不饱和聚酯树脂应用最多 技术上也最成熟 大约占总量的90 一般来讲 用于模塑料的不饱和聚酯树脂都可用于拉挤成型制品 国外已生产出拉挤制品专用的不饱和聚酯树脂 为获不同性能 改性酚醛树脂 多种热塑性树脂也已应用 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 典型拉挤用不饱和聚酯树脂配方 生产配方 树脂196100份填料 轻质碳酸钙 5 15份脱模剂 硬脂酸锌 3 5份固化剂 过氧化物 1 3份低收缩剂 PVC树脂 5 15份颜料0 1 1份 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 拉挤成型的环氧树脂配方 基本配方 环氧树脂E 55100份脱模剂 硬脂酸锌 3 5份固化剂 590 15 20份增韧剂10 15份稀释剂适量 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 2 增强材料 拉挤成型所用的增强材料绝大部分是玻璃纤维 其次是聚酯纤维 碳纤维等高强度纤维主要用于宇航 体育器材等 玻璃纤维中 用得最多的是无捻粗纱 所用玻纤都采用增强型浸润剂 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 6 6 4拉挤工艺控制 拉挤成型工艺条件的控制对稳定生产和制品的质量都有很大的影响 控制工艺条件主要包括浸胶时间 树脂温度 模腔温度 模腔压力 固化速度 固化程度 牵引张力及速度 纱团数量等 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 卧式拉挤成型过程示意图 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 1 浸胶时间 浸胶时间是指无捻粗纱及其织物通过浸胶槽所用时间 时间长短应以玻璃纤维被浸透为宜 它与胶液的粘度和组分有关 一般对不饱和聚酯树脂的浸胶时间控制在15 20s为宜 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 2 成型温度 在拉挤成型过程中 浸渍了胶液的玻璃纤维和织物在穿越模具时受热发生交联反应 树脂由线型液状的物体逐步变化成为体型的固态型材 这种变化必须是在进入模具开始到进入牵引机之前基本完成的 温度以及引发剂等助剂的用量则是最关键的 当配方确定后 温度是拉挤工艺控制的重点 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 模腔温度 用于拉挤的树脂体系对温度都很敏感 模腔温度的控制应十分严格 温度低 树脂不能固化 温度过高 坯料一入模就固化 使成型 牵引困难 严重时会产生废品甚至损坏设备 模腔分布温度应两端高 中间低 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 模温控制 一般把模具人为地分为三段 即加热区 胶凝和固化区 在模具上使用三组加热板来加热 并严格控制温度 树脂在加热过程中 温度逐渐升高 粘度降低 通过加热区后 树脂体系开始胶凝 固化 这时产品与模具界面处的粘滞阻力增加 壁面上零速度的边界条件被打破 基本固化的型材以均匀的速度在模具表面摩擦运动 在离开模具后基本固化 型材在烘道中受热继续固化 以保证进入牵引机时有足够的固化度 浸胶后的玻璃纤维通过模具发生变化示意图 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 模具加热条件确定 模具的加热条件是根据树脂 引发剂体系来确定的 通用的不饱和聚酯树脂 一般采用有机过氧化物为引发剂 设定的固化温度一般要略高于有机过氧化物分解的临界温度 如采用协同引发剂体系 在促进剂的作用下引发剂的引发固化温度则较低 引发剂的用量通常是通过不饱和聚酯树脂固化放热曲线来确定的 而环氧树脂的固化剂用量可以计算出来 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 模具温度控制 加热区温度可以较低 胶凝区与固化区温度相似 温度分布应使固化放热峰出现在模具中部靠后 胶凝固化分界点应控制在模具中部 一般三段温差控制在10 20 左右 温度梯度不宜过大 温度的设定与配方 牵引速度 模具的尺寸 形式有密切的关系 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 模腔压力 模腔压力是由于树脂粘性 制品与模腔壁间的摩擦力 材料受热产生的体积膨胀 以及部分材料受热气化产生的 因此 模腔压力使制品在模腔内行为的一个综合反映参数 一般模腔压力在1 7 8 6MPa之间 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 3 张力及牵引力 张力是指拉挤过程中玻璃纤维粗纱张紧的力 可使浸胶后的玻璃纤维粗纱不松散 其大小与胶槽中的调胶辊到模具的入口之间距离有关 也与拉挤制品的形状 树脂含量要求有关 一般情况下 要根据具体制品的几何形状 尺寸 通过实验确定 牵引力的变化反映了产品在模具中的反应状态 它与许多因素 如 纤维含量 制品的几何形状与尺寸 脱模剂 模具的温度 拉挤速度等有关系 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 4 牵引速度 牵引速度是平衡固化程度和生产速度的参数 在保证固化度的前提下应尽可能提高牵引速度 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 工艺控制实际是控制制品的固化条件 是十分重要的 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 纱团数量 根据加工制品的结构以及要求的性能 确定所用纱团的数量和增强材料的品种以及排布方式 一般的玻璃钢制品的玻璃纤维和织物的含量在40 60 采用合理的增强材料的含量和分布对于成型工艺和制品性能是十分重要的 要根据拉挤成型的制品要求和工艺条件来确定 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 6 6 5拉挤工艺变量的关系 温度 牵引速度 牵引力三个重要工艺参数中 温度是由树脂系统的特性来确定的 是拉挤工艺中应当解决的首要因素 通过树脂固化体系的DSC曲线的峰值和有关条件 确定模具加热的各段温度值 拉挤速度确定的原则是确定模内温度下的胶凝时间 保证制品在模具中部胶凝 固化 出模具时具有一定的固化程度 牵引力的制约因素较多 如 它与模具温度关系很大 并受到纤维含量 制品的几何形状与尺寸 胶液配方和拉挤速度的控制 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 6 6 6树脂预热与制品后固化 树脂进入模具前进行预热对工艺是非常有利 一方面预热使树脂温度提高 粘度下降 增加了纤维的浸润效果 另一方面可以降低树脂固化反应温度 使产品表面优良 并且为提高牵引速度创造了条件 在许多树脂体系中 如环氧树脂等都需要预热 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 预热的效果 预热的效果还表现在使浸胶的纤维束内外温度梯度减小 因为在进入模具后 由于树脂和纤维的导热系数都很小 由模具传递给产品的热量从产品表面到产品中心部分温度呈梯状分布 产品中心线的温度低于产品表面的温度 如果提高拉挤速度 那么制品中心线和表面之间的温度和固化度的滞后量都会增加 滞后量又会相反地随着中心固化放热的增加而减小 最后制品的中心温度高于表面温度 造成热应力对制品性能产生影响 要想实现产品内外均匀固化 减少热应力 树脂应该预热 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 后固化 不饱和聚酯树脂的固化可以分为三个阶段 凝胶阶段 定型阶段 硬化阶段 熟化阶段 完全固化阶段 一般从拉挤生产线下来的玻璃钢型材是处于硬化阶段 还需要将切割好的型材放到恒温室中继续固化一段时间 使型材的强度进一步提高 可以在50 100 恒温室放置15 30小时 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 拉挤制品可能出现的外观缺陷 鸟巢 一般是由于增强纤维分布不均匀 在模具入口处相互缠绕 导致产品在模具内破坏 它产生的原因有 a 纤维断了 b 纤维悬垂的影响 c 牵引速度过高 d 纤维粘附着的树脂太多 e 树脂粘度高 f 模具入口的设计不合理 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 拉挤制品可能出现的外观缺陷 质量不稳定性 由于未固化的型材在模具内粘附力突然增加 导致型材在模具内表面拉裂以至型材破坏 原因分析 a 牵引速度过高 b 纤维被拉断 c 配方问题 d 温度控制问题 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 外观缺陷 粘模 未固化的型材与模具粘附 使产品拉挤破坏 原因分析 a 纤维量小 填料加入量过多 b 内脱模剂效果不好或用量太少 e 固化温度不合适 表面鱼鳞状 型材表面有鱼鳞状 光洁度差 原因分析 a 型材表面粘度太高 产生爬行蠕动 b 脱离点超前于固化点 c 温度与牵引速度调整 复合材料应用技术网 WWW FRPAPP COM 外观缺陷 型材挤压变形 由于未完全固化 经牵引机挤压变形 分析其原因 a 速度太快 b 温度太低 c 模具太短 d 引发体系不合适 固化不均匀 由于型材的内部固化远滞后于型材表面固化 而引起产品出现内部