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复合材料（玻璃钢）成型工艺 绪 论一、复合材料（玻璃钢）概述：玻璃钢其实是一种复合材料，在咱国内俗称为“玻璃钢”实际称为玻璃纤维增强塑料：它是一种由两种或两种以上的材料（树脂为基体，以玻纤为增强材料）经一定成型工艺复合成的一种复合材料。复合材料也可以这么讲：用两种或两种上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材料。复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原组分材料的主要特性，又通过复合效应而获得原组分所不具备的特性。可以通过设计使各组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材料简单混合不可相比的。复合材料的组成分两大部分：基体与增强材料。复合材料中的树脂就是基体，玻璃纤维是增强材料。玻璃钢：英文名称FRP F 纤维 Class Fibre R增强Reinforced P塑料 Plastic 玻璃钢三大因素及作用： 三大因素 合成树脂 、增强材料、界面a、合成树脂作用： 把松散的增强材料粘接成整体 ，起传递功的作用，对玻璃钢起防腐性能、耐老化性等都有直接或间接影响。b、增强材料作用： 玻纤制品 承受力的作用，不仅能够提高其制品强度和弹性模量，而且还能够减少收缩变形，提高其热变性温度。C、界面作用：两者之间的分界面。玻璃钢性能不仅与增强材料和基体树脂有关，而且与两者之间界面处粘接的好坏及耐久性有很大的关系。复合材料中的基体与增强材料之间的相互作用是通过所形成界面的性质和强度而表现出来的。基体与增强材料之间的结合可分为以下几种：1、机械结合 基体与增强材料之间没有发生化学反应，纯粹是机械连接，这种复合是靠粗糙的纤维表面与基体产生磨擦力而实现的，只能在平行纤维方向上承受载荷。2、润湿与扩散 复合过程中液态的基体在增强材料的表面铺展、润湿，然后发生相互原子或分子的扩散、渗透从而形成界面。3、反应结合 基体与增强材料间发生化学反应，在界面形成新的化合物。4、混合结合 是总合上述几种组合的结合，是一种最普遍的结合方式。基体与增强材料的相互作用与界面的性质和完善程度对复合材料的力学性能和其它性能有着重要的影响。总希望界面粘接牢固、完善，从而复合材料的刚度和强度是有利的。可明显提高横向和层间的拉伸强度和剪切强度、也可使弹性模量和剪切模量提高。二、复合材料分三大复合材料：a 聚合物基复合材料：英文名称PMC，采用聚合物为基体（聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等），玻璃纤维、碳纤维、芳纶等增强材料的复合材料。b 金属基复合材料：MMC，以金属（如铝、镁）为基体，以纤维（碳化硅纤维）为增强材料的复合材料。其特点：其性能即优于金属材料也优于树脂基复合材料，它既具有金属的性能，也有树脂基复合材料无法达到的使用温度高（500600）、剪切强度高、阻燃、不老化、不吸湿、不放气、耐磨损、导电、导热等金属性能。如航天、航空、汽车发电机配件已有应用。c 无机非金属复合材料（如陶瓷基复合材料：CMC） ：以陶瓷为基体，以短纤维或晶须（如碳化硅和碳化硼纤维或晶须）为增强材料的复合材料。其特点：陶瓷其本身强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、有很好的耐磨性和耐化学腐蚀性、热膨胀系数小、密度小，这些优异性能是一般金属、高分子材料和他们的复合材料所不具备的。其领域主要是高温结构如航空发电机这种热结构，其温度在1650。 纤维增强水泥基复合材料：英文FRC原材料：水泥一般425#硅酸盐水泥、普通水泥、粗集料、细集料、水、刚纤维、减水剂、活性矿物掺合料等等。三种复合材料中，以树脂基复合材料用量最大，占整个复合材料用量的90%以上。树脂基复合材料中，又以玻璃纤维增强塑料（俗称“玻璃钢”）用量最大，占树脂基复合材料用量的90%以上。主要讲树脂基复合材料。三、树脂基复合材料分类 1.按聚合物（树脂）分 热固性树脂复合材料； 热塑性树脂复合材料。2.按聚合物（树脂种类）分 聚酯树脂基复合材料； 环氧树脂基复合材料； 酚醛树脂基复合材料； 呋喃、乙烯基酯树脂.等等。3.按纤维种类分中碱、无碱、碳纤维、硼纤维基复合材料等等。四、 树脂基复合材料的特性1. 优点 轻质高强比强度、比模量高 （强度、模量分别除以密度之值），是衡量材料承载能力的指标之一。玻璃钢的比重是1.52.0 是钢材的1/4，但模量不算高；碳纤维增强复合材料的比强度可以达钛的4.9倍，比模量可达铝的5.7倍。这对要求自重轻的产品意义颇大。如飞机尾翼、起落架、舱门、机翼、机舱过渡段外缘、驾驶舱窗框等等均为树脂基复合材料，光飞机复合材料占整机结构重量15%。 表1 几种常用材料与复合材料的比强度比模量材料名称密度g/cm3拉伸模量104MPa弹性模量106 MPa比强度106cm比模量109 cm钢7.810.1020.590.130.27铝2.84.617.350.170.26钛4.59.4111.180.210.25玻璃钢2.010.43.920.530.21碳纤维/环氧树脂1.4514.7113.730.21硼纤维/环氧树脂2.113.5320.591.0硼纤维/铝2.659.8119.610.75 抗疲劳性能好 疲劳破坏是材料在交变荷作用下，由于微观裂纹的形成和扩展造成的低应力破坏。金属材料的疲劳破坏是由里向外突然发展的，往往事先无征兆；而纤维复合材料中纤维与基体的界面能阻止裂纹扩展，其疲劳破坏总是从材料薄弱环节开始，逐渐扩展，破坏前有明显征兆。大多数金属材料的疲劳极限是其拉伸强度的3050%，碳纤维复合材料则是7080%，可见复合材料比金属材料有较高的耐疲劳特性。纤维增强树脂基复合材料的抗声振疲劳性能亦甚佳。 减振性好 复合材料中的纤维与树脂基体界面有吸振能力，故其振动阻力甚高，可避免共振而致的破坏。 破坏安全性好 纤维复合材料基体中有大量独立的纤维，每平方厘米上的纤维少则几千根，多则上万根。从力学观点上看，是典型的静不定体系。当构件超载并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配在为破坏的纤维上。这样，在短期内不至于使整个构件丧失承载能力。 耐化学腐蚀性 常见的热固性玻璃钢一般都耐酸、稀碱、盐、有机溶剂、海水并耐湿。热塑性玻璃钢耐化学腐蚀性一般较热固性为佳。一般而言，耐化学腐蚀性主要取决于基体树脂。玻璃纤维不耐氢氟酸等氟化物，生产适应氢氟酸等氟化物的复合材料产品时，接触氟化物表面的增强材料不能用玻璃纤维，可采用饱和聚酯或丙纶纤维（薄毡），机体也需采用耐氢氟酸的树脂，如乙烯基酯树脂。常见的聚酯玻璃纤维增强塑料耐酸、盐、酯，但不耐碱（因为在酸性介质中，水解是可逆的，不完全的，所以聚酯耐酸性介质的侵蚀；再碱性介质中，由于形成了共振稳定的羟酸根阴离子，水解成为不可逆的，所以聚酯复合材料耐碱性较差）。一般情况，人们更注重的是水队复合材料的影响。水一般可导致聚合物基复合材料的介电强度下降，水的作用时材料的化学键断裂时产生光散射和不透明性，对力学性能也有重要影响。 电性能好 绝缘性可达到甚高水平，但也可做成防静电或导体的。在高频下能保持是良好的介电性能。不受电磁作用，不反射电磁波，能透过微波。这些性能远非金属材料所能比拟。 热导率低、线膨胀系数小，在有温差使所产生的热应力比金属低的多。所有玻璃钢（酚醛基体）乃瞬时高温3800，是很好的耐烧蚀材料。 可制的透明及各种色彩的产品；籍助添加剂可是制品获得所需的强度和模量或耐磨性等，易于修补与保养；隔磁、隔音。 成型工艺优越 可根据产品结构与使用要求及生产数量，合理的灵活选择原材料及成型工艺。2. 缺点 玻璃钢的弹性模量低 （但碳纤维复合材料的弹性模量可超过钢），比钢第一个数量级。 耐热性远低于金属，目前高性能树脂基复合材料长期使用温度在250以下。一般玻璃钢在60100以下。 可燃，虽可做到阻燃或自熄，但燃烧时冒黑烟、有臭味。 表面硬度低，以划痕、耐磨性差。 存在老化问题。在日晒、雨淋，机械应力以及介质腐蚀下，尤其在湿热条件下，会导致外观急性能恶化。 生产时注意安全防护。玻璃纤维刺激皮肤；化工原料有气味有毒；固化剂和促进剂直接接触可导致火灾，灼伤皮肤，溅到眼内会导致失明，垃圾三废（废水、废气、废渣产成品下脚料缠绕时薄膜）。 产品质量离散系数大。如手糊成型产品的强度离散系数达0.060.1。 冲击、剪切强度低。无屈服点，受力过程中可产生分层。 作为多种原辅材料复合而成的复合材料因工艺过程控制因素多，影响性能的因素也多，所以难达到理想的性能。五、树脂基复合材料成型工艺分类树脂基复合材料成型工艺主要分为三大类。1. 对模成型 模压成型 可为SMC（片状模塑料）、BMC（团状模塑料）预制成型等在一定温度与压力下成型。 树脂传递成型（RTM） 将配有固化系统的树脂在一定压力下（或伴有真空辅助）注入已铺敷增强材料的模具内（增强材料可用连续玻璃纤维原丝毡、织物与短切原丝复合毡，方格布等，预敷与模内），经固化后脱模。此制品两面光、尺寸与树脂含量较稳定。工艺装备投资少，劳动环境好。 注射成型 与热塑性塑料注塑相似，可以长纤维或短纤维的BMC料注射之。它包括热固性塑料，如BMC ZMC TMC 等，热塑性塑料，如增强PA、PP、PC、PBT等的注塑。此法生产效率高，劳动成本低，产品力学性能好。 冷压成型 不采用外加热，仅赖复合材料在室温下自身放热固化。 结构反应注射成型（SPTM） 此法与RTM相似，但基体多用聚氨酯。产品两面光，此法适用于中到大量生产，要求韧性或弹性较好的高强度制品。2. 接触成型 手糊成型； 喷射成型； 真空袋成型； 压力袋成型； 高压釜成型。3. 其他重要成型方法 纤维缠绕法； 拉挤成型法； 连续板材成型法； 离心浇铸法。表2 各种玻璃钢成型工艺特点比较工艺特点手糊喷射冷模压各种袋压SMC/BMC模压纤维缠绕连续成型RTM所用模具 木模、钢模、石膏模、玻璃钢模、混凝模等同手糊 木模、用混凝土作衬里的树脂模 橡胶袋、聚乙烯醇袋、木模、树脂膜、铸造模铸钢模、钢模 铝模、合金模、铸铁模、木模、蜡模、玻璃钢模等 铸钢模、钢模铸铝模、树脂模工艺方法在模具上用纤维和树脂铺糊为混有树脂的短切纤维喷在模具上靠成型模自重或稍微加压压制成型在模具内铺层，用较厚的袋加压或减压的方法用金属模具和加压机，加温加压成型把浸胶过的缠绕纱缠 在模具上同缠绕 在装有玻璃纤维的封闭模具中注入树脂常温固化成型成型温度/2550255035702540100150251208013025100成型周期0.524h0.524h10min2h0.524h10min2h0.530kg/h25m2/min2090min成型压力MPa00小于0.50.10.5SMC320BMC1.8 14取决于缠绕力0.030.20.10.2优点无尺寸限制模具材料便宜生产效率高可实现现场施工成型设备比较便宜可获得两面光制品；适用于中批量生产；模具费用便宜；效率高单面光洁，外观良好因气泡少，产品性能良好适用大批量生产；质量均匀性好；复杂性状可成型；制品两面光；不需要很高的操作技术玻纤强度充分实现充分实现机械化生产效率高质量均匀性好可获得无限长制品比手糊生产性好模具寿命长制品两面光洁缺点需要熟练的操作技术，成型技术对制品有很大影响；只有单面光洁；操炒作员工多类似手糊模具消费量大模具重，操作不便必须经常换袋子，降低生产效率；需要熟练技术； 操作要人员多。设备昂贵大型制品需要大容量昂贵压机需要注意材质保管设备十分昂贵制品对象只针对回旋体设备昂贵需特殊类型树脂复杂制品成型困难必须修理比金属对模的生产性差六、树脂基复合材料制品性能设计与质量控制1. 性能设计 确定制品功能性要求 力学性能 拉伸、压缩、弯曲强度与模量；伸长率；冲击强度；此外还有硬度、密度、耐疲劳性。 电性能 介电强度，介电常数；击穿电压；体积电阻和抗电弧性，有无防静电要求。 热性能：热导率、热变形、耐热性；易燃性与热膨胀系数。 耐化学腐蚀性：耐酸、碱及有机溶剂；吸水率；耐臭氧性、紫外线辐射性、耐老化性。 生物性能：是否有食品级要求（与饮用水、食品接触）。 透明性与色泽：透明、半透明或不透明；色泽；乃变黄性。 成本组织设计 原材料、生产工艺及装备的最佳选择；有效利用率、作业周期；直接人工费；间接费用。 与产量有关的性能 产量、可能销售量、原辅材料购进量；工艺装备的决定。 后继工作规划 产品缺陷处理、售后服务、维修市场调查等。聚合物复合材料的力学及理化性能聚合物复合材料的性能，在常温常态下也称常规性能，可分为基本力学性能和理化性能。基本力学性能主要指拉伸、弯曲、压缩、剪切、冲击性能。理化性能主要指密度、巴氏硬度、固化度、树脂含量、负荷热变形温度、热导率、电阻率，线热膨胀系数、耐水性等。另还有特殊性能，如蠕变、疲劳、高低温、热、电、声、耐化学腐蚀、燃烧性、大气老化等性能。1、 基本力学性能 聚合物复合材料是轻质高强的现代材料，其力学性能，特别是增强纤维方向的拉伸强度比较高，大于一般金属材料。聚合物复合材料力学性能主要决定于增强材料性能、状态（纤维、织物）、方向，也决定于聚合物性能及成型工艺。 11拉伸性能 拉伸性能包括拉伸强度，弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。对于如高压容器、高压管、叶片等产品，必须要测出聚合物复合材料的拉伸性能，才能进行产品设计及检验。 对于不同的聚合物复合材料，拉伸性能试验方法是不同。对于普通的，用国标GB/T1447进行测试；对于缠绕成型的，用国标GB/T1458进行测试；对于定向纤维增强的，用国标GB/T33541进行测试；对于拉挤成型的，用国标GB/T13096-1进行测试。使用最多的是GB/T1447。 国标GB/T1447，对于不同成型工艺复合材料，又规定不同形状的拉伸试样，有带R型、直条型及哑铃型。使用拉伸试验机或万能试验按规定的加载速度对试样施加拉伸载荷直到试样破坏。用破坏载荷除以试样横截面面积则为拉伸强度。从测出的应力-应变曲线的直线段的斜率则为弹性模量，试样横向应变与纵向应变比为泊松比。破坏时的应变称为断裂伸长率。 单位面积上的力，称为应力，通常用MPa（兆帕）表示，1MPa相当于1N/mm2的应力。应变是单位长度的伸长量，是没有量刚（单位）的。 不同的现代复合材料其拉伸性能大不一样，以玻璃纤维增强的玻璃钢为例：1：1玻璃钢，拉伸强度为（200-250）MPa，弹性模量为（10-16）GPa；4：1玻璃钢，拉伸强度为（250-350）MPa，弹性模量为（15-22）GPa；单向纤维的玻璃钢（如缠绕），拉伸强度大于800MPa，弹性模量大于24GPa；SMC材料，拉伸强度为（40-80）MPa，弹性模量为（5-8）GPa；DMC材料，拉伸强度为（20-60）MPa，弹性模量为（4-6）GPa。 1. 2弯曲性能 一般产品普遍存在弯曲载荷，弯曲性能是很重要的，同时，往往用弯曲性能来进行原材料，成型工艺参数，产品使用条件因素等的选择。 弯曲性能，一般采用国标GB/T1449进行测试；对于拉挤材料，用国标GB/T13096.2进行测试；对于单向纤维增强的，用国标GB/T3356进行测试。 测试弯曲性能的试样一般是矩形截面积的长条，简称为矩形梁。采用当中加载的三点弯曲法。梁的横截面的上表面承压缩应力，梁下表面承受拉伸应力，横截面积上还要承受剪切应力，中性层剪应力最大，因此梁所承受弯曲时，其应力状态是很复杂的，破坏形式也是多种的。原材料品种、性能及成型工艺参数对弯曲性能很敏感，试验方法和试样尺寸同样也很敏感，为了达到材料弯曲破坏，国标对试样的跨（跨度或支距）高（试样厚度）比（l/h）有一定要求，一般要求l/h16，对于单向纤维增强的材料，要求l/h32。 由于弯曲性能的复杂性及对各因素的敏感性，对于上述不同材料的弯曲性能，或大于1.1节中拉伸性能，或小于1.1节中的拉伸性能。在正常成型工艺情况下，一般弯曲强度略大于拉伸强度，弯曲弹性模量略小于拉伸弹性模量。 13压缩性能 增强纤维或织物，只能承受很大的拉伸力，其本身很柔软，是不能承受压缩力的，当聚合物复合材料承受压缩载荷时，是靠聚合物基体把增强纤维或织物粘结成整体时才能承受。因此，聚合物复合材料的压缩性能与聚合物的品种、性能、成型工艺、二者的界面等的关系很密切，同一种复合材料的压缩性能变化也很大。一般高温高压成型的压缩性能要高，有的甚至于高于拉伸性能。一般情况弹性模量，压缩的与拉伸的相差的极小，压缩强度略比拉伸强度低，特别是室温固化，成型工艺质量欠佳的材料，压缩强度要比拉伸强度低得多。 压缩性能，一般用国标GB/T1448进行测试。标准试样为301010（mm）棱型或351010（mm）园柱型。要求两端面相互平行，不平行度应小于试样高度的0.1%，否则，试验本身对测试结果也有不良影响。 当产品的壁厚较薄时，不能按GB/T1448进行测试，应用GB/T5258测试,试样厚度可以按产品实际厚度，这个试验方法的夹具是比较先进、科学的。 14剪切性能 由于聚合物复合材料的层状结构特点，产品在使用中，在不同受力条件下，在不同部位存在三种剪切性能，为面内剪切，层间剪切和断纹剪切。 如工字梁腹板，在工字梁承受弯曲时，腹板就是承受面内剪切。对于面内剪切性能，用国标GB/T3355进行测试。该方法用45方向的拉伸试验测出复合材料纵横剪切性能，包括剪切强度和剪切模量。试验方法与普通拉伸性能一样，仅要测出纵向和横向变形，如同拉伸试验测泊松比一样。计算公式不一样，计算结果是纵横剪切强度和模量。 对于层间剪切性能，有两个测试方法：国标GB/T1450.1；国标GB/T3357。方法要求试样较厚为15mm，要特制试样，往往与产品实际情况有别差。方法可以按产品实际厚度取样，较方便，但对于较接近各向同性，或层间剪切强度较大的，唯以测准。方法仅只能侧出层间强度。要测出层间剪切模量可以参考GB/T1456的原理进行测试，已有大量试验说明，此原理可以测出复合材料的的层间剪切模量。 对于拉挤材料，可以用GB/T13096.3和13096.4测出剪切强度。 用国标B/T1450.2测出来的是复合材料断纹剪切强度。 纵横剪切强度为（40-80）MPa，纵横剪切模量为（2-4）MPa；层间剪切强度为（10-50）MPa，剪切模量为（0.2-2）GPa；断纹剪切强度为（80-100）MPa。 1. 7冲击性能 当产品经受动载荷时、需要材料的冲击强度(韧性)性能指标,冲击强度高低也说明材料的韧性性能,是选材的性能指标之一。 冲击强度用国标GB/T1451进行测试。国标规定标准试样尺寸，当试样尺寸，特别是试样厚度小于标准尺寸时，测出来的冲击强度要偏小。冲击强度除与材料品种、性能有关外，还与试样厚度有关，一般试样厚，测出来的冲击强度高。一般情况下，冲击强度为：1：1玻璃钢，（100-300）kJ/m2；4：1玻璃钢，（200-600）kJ/m2；SMC，（20-60）KJ/m2；DMC，（10-30）KJ/m2；拉挤材料，（300-650）KJ/m2。 18性能的方向性 纤维增强复合材料，其力学性能有较明显的方向性、拉伸强度、模量，弯曲强度、模量，压缩强度、模量沿纤维方向的最大，与纤维方向成45方向的最小，拉伸性能最为明显，无压成型的压缩性能，方向性程度要低一些。面内剪切强度、模量、泊松比、冲击强度，与上相反，45方向最大。可以利用这一特点，设计出最优的复合材料产品。2、 基本理化性能 21密度 聚合物复合材料轻质是指密度小，为（1.5-2.0）g/cm3,是金属的1/4-1/5。用国标GB/T1463进行测试.常用聚合物复合材料制成夹层结构的蜂窝,密度为(0.03-0.16)g/cm3，泡沫塑料密度为(0.025-0.20) g/cm3。 22巴氏硬度 聚合物复合材料的硬度指标不同于金属，是用巴柯尔硬度计测试，国标GB/T3854。巴氏硬度除与原材料品种、性能有关外，更与成型工艺、固化程度有关，一般用巴氏硬度来控制产品制造过程。一般巴氏硬度为30-60，玻璃的巴氏硬度为100。 23固化度 固化度是指聚合物（树脂）的固化程度，用树脂不可溶分含量的试验方法，国标GB/T2576来测试，一般产品要求固化度80%，对于高温固化产品，要求90%。 24树脂含量 树脂含量的大小直接影响产品的力学性能和理化性能。用测出树脂含量的方法可以直接检验产品的成型工艺是否符合产品的设计要求及均匀性，用国标GB/T2577进行测试。 25负荷热变形温度 试样在一定负荷（1.82MPa）下受热变形到一定指标的温度，称为负荷热变形温度，用国标GB/T1634-2进行测试，此性能直接反映聚合物（树脂）的耐热性能，不同聚合物复合材料，其负荷热变形温度差别很大，低的为100，高的可达300以上。测出此性能指标，可供产品在什么样温度条件下使用时参考。 26热导率 聚合物复合材料的热导率是比较小的，为（0.28-0.40）W/Km，属绝热材料，用国标GB/T3139进行测试。 27电阻率 聚合物复合材料的电阻率是比较高的，属于电绝缘材料，同时又是非磁性材料，体积电阻率，表面电阻率依次为1012-15cm，1011-14，与聚合物（树脂）的品种有关系。环氧类型的电阻率要更高一些。 28线热膨胀系数 线热膨胀系数与聚合物（树脂）品种关系很大，聚酯类的线膨胀系数大，环氧、酚醛类的小。同时与纤维方向织物经纬比也很有关系，一般纤维方向线热膨胀系数小。在（6.7-30）10-6范围。当然，这是指玻璃纤维增强的复合材料，当采用碳纤维时，可以制零热膨胀系数，甚至于是负热膨胀系数的材料，在精密仪器上得到广用。 29吸水性 在保证产品质量情况下制成的聚合物复合材料的吸水率，一般1%，用国标GB/T1462测试。 复合材料吸水性能的另一个指标是耐水性，把复合材料放在水中一定时间后，其强度（主要指弯曲强度）的变化，这有两个测试方法：GB/T2575，是用常温水浸试样。GB/T10703，是用（60-100）水浸试样，属耐水性加速试验方法。3、特殊性能 聚合物复合材料在常温下就有蠕变，承受拉伸时，蠕变小，承受弯曲和剪切时，蠕变大，测试方法国标为GB/T6059。持久强度较为破坏强度的（40-50）%。 聚合物复合材料的疲劳性能，与受力状态、树脂品种、纤维方向、成型工艺、循环次数等关系密切。若循环到5106次时，疲劳强度约为静态强度的（25-30）%。试验方法国标为GB/T16779。 聚合物复合材料的高低性能取决于聚合物种类，目前已有耐350以上的耐高温聚合物。在低温下，其性能反而提高，温度越低，强度越高，包括冲击韧性也一样，一般提高20%-30%。这是优于普通热塑性塑料之处。测试方法为GB/T9979。 不同聚合物复合材料有不同耐化学腐蚀性能必须根据具体介质选用复合材料。测试方法为GB/T3857。 一般聚合物复合材料是不阻燃，必须加阻燃剂，按产品设计要求加不同阻燃剂及含量，达到一定的氧指数，指标等。测试方法为GB/T8294。主要原辅材料第一章 绪 论制造玻璃钢管道的主要原材料有基体材料和增强材料。辅助材料有引发剂、固化剂、交联剂、石英砂等，对于露天使用的管道还需加入阻燃剂、抗静电剂及光稳定剂等。基体材料主要是合成树脂。基体材料的功能：固定纤维位置，承受应力，并将应传递给纤维，有纤维承载负荷，决定热性能、电性能、耐化学性能及调整材料制造工艺等性能。可分为两大类，即热固性树脂和热塑性树脂。所谓热固性树脂，是指在热（或光）或固化剂（引发剂）的作用下，能产生交联反应，生成一种不溶、不熔、具有网状结构的固态高聚物的一类树脂。此糕聚合物加热后不会软化和变形。如不饱和聚酯树脂、乙烯基脂树脂、和环氧树脂。另一类为热塑性树脂是指具有线型或含支链形的一类高分之化合物。这类化合物可被加热软化（或熔化），冷却凝固形成可溶、可熔的固态聚合物，如聚氯乙烯、聚丙烯、聚本硫醚等。制造玻璃钢管道所用的主要增强材料是玻璃纤维及其制品。如玻璃纤维缠绕纱、玻璃纤维毡、糊口用玻璃方格布等。第二章 不饱和聚酯树脂 不饱和聚酯树脂是由不饱和的（或饱和的）二元酸（酸酐）与二元醇经缩合反应而生成具有酯健和不饱和双键的线性高分子化合物。通常，聚酯化缩聚反应是在190220进行，直至大达到预期的酸值（粘度）。在聚酯化缩聚反应结束后，趁热加入一定量的笨乙烯基单体，配成粘稠的液体，这样的聚合物溶液称之为不饱和聚酯树脂。简称UP。此树脂是制造玻璃钢管道的主要基体材料。不饱和聚酯树脂合成方法：以二元醇和二元酸直接熔融缩聚，除须加入原料外不加其它组分。利用醇、水的沸程差，结合惰性气体得通量，是反应生成的缩水通过分馏柱分离出来。反应综点有测定树脂的酸酯和粘度控制，当酸酯和粘度达到预定的数值时，既反应综点。酸值和粘度合格后降低料温，加入计量的石蜡（防止树脂固化后表面发粘）与阻聚剂（增加树脂贮存稳定性），在搅拌一定时间，待进一步稀释。在稀释釜内预先投入 计量的交联单体（苯乙烯）、阻聚剂和光稳定剂，搅拌均匀，然后将反应釜内的不饱和聚酯树脂慢慢放入稀释釜，控制流速是混合物温度不超过90，稀释完毕，冷却至室温，进行过滤和包装。一、 不饱和聚酯树脂与其它树脂相比，有如下许多优点1.工艺性能好。这一点是其它基体材料无法比拟的，它几乎可以适用于任何复合材料的成型工艺方法。用单体（交联剂）稀释后，室温下具有适意的粘度，机易浸渍增强材料，它不但可以常温、常压成型，也可以中、高温加压下固化成型。其具有100%的反应活性，凝胶固化没有任何副产物产生。 2.树脂色泽较浅，且为透明的粘性液体，可加色料，制成五光十色制品。 3.它与许多材料相容性好，可以选用各种添加剂，以改善其工艺性能和最综的产品性能。 4.力学性能较好。虽然它不如环氧树脂，但高于酚醛树脂和呋喃树脂。 5.电绝缘性能、耐腐蚀性能也相当好。二、 不饱和聚酯树脂分类 不饱和聚酯树脂按其主要材料可分为邻苯型 、间苯型和双酚A型等；按其性能可分为通用型、耐热性、耐腐蚀型、光稳定型和阻燃型。比重液态1.11.15g/cm3 未增强固化后固态比重接近1.25 g/cm3。1.通用型不饱和聚酯树脂 通用型不饱和聚酯树脂多为邻苯二甲酸酐型，它具有良好的综合性能，适用于制造缠绕管道外结构层、船舶、车辆、板材等一般的玻璃钢制品，其使用温度70。 特点：强度高、价格低、脆性大体积收缩率较大9%左右、耐腐蚀性差。2.耐热型不饱和聚酯树脂耐热型不饱和聚酯树脂在较高温度下抵抗变形较强，即在较高温度下具有比通用型不饱和聚酯树脂较高的强度和弹性模量，其玻璃钢制品的使用温度在100左右。3.耐化学腐蚀性型不饱和聚酯树脂耐化学腐蚀性型不饱和聚酯树脂具有独特的抵抗各种化学介质腐蚀能力，多采用间苯型、乙烯及树脂和双酚A型不饱和聚酯树脂。特点：强度高、价格贵、耐腐蚀、热变形温度达110，用来制造各种耐腐蚀玻璃钢内衬层。 4.光稳定型不饱和聚酯树脂（耐气候型树脂）光稳定型不饱和聚酯树脂中由于含有光稳定剂，能吸收紫外线或屏蔽紫外线，使树脂有较高的抗大气老化性，多用于暴露在自然条件下的玻璃钢制品的外表面层和透明的玻璃钢制品。 5阻燃型树脂 阻燃型树脂是在合成时使用一种能产生阻燃（自熄）成份，例如使用四溴苯酐、氯茵酸酐（HET酸酐）取代苯酐合成树脂。 6胶衣树脂 用于复合材料胶衣层，以提高制品的外观、质量和使用寿命。按照使用要求，胶衣树脂主要分为以下几种：6.1通用型胶衣树脂：耐沸水、耐磨擦、耐肥皂或清洁剂的腐蚀，具有良好的表面光泽； 6.2耐化学腐蚀胶衣：用于耐腐蚀制品的表面；6.3光稳定型胶衣：具有优良的耐气候型；6.4食品容器用的胶衣。 7SMC或BMC专用树脂 这类树脂具有：低粘度；增稠快；活性高、能快速固化；再加入引发剂，增稠剂后的几个月存放期内性能稳定，并在高温时能快速固化。 8. 其它类型不饱和聚酯树脂 81乙烯基树脂 又称环氧乙烯基酯树脂，是一种较好的耐酸、碱及有机化学溶剂腐蚀性树脂 耐高温。特点：工艺性能好，耐老化性能好，耐高温80120，非常好的耐化学腐蚀性；是结合不饱和聚酯树脂与环氧树脂的优点发展起来的，性能上保留了环氧树脂的化学性能高、耐热、耐化学腐蚀性，工艺上吸取了不饱和聚酯树脂的低压、低温与接触压力成型的长处，从而产生了一种耐热、耐化学腐蚀性、高延伸率等方面性能的一种树脂。此树脂固化要比通用树脂困难。价格昂贵。乙烯基酯树脂可分为三种类型： MFE型 该树脂为双酚A型乙烯基酯树脂。 MFE-2MFE-2A乙烯基酯树脂乙烯基酯树脂(Vinyl Ester Resins)是国际公认的高度耐蚀树脂，华东理工大学研制生产的MFE型乙烯基酯树脂已被中国政府部门认定为国家级新产品。MFE-2食品级树脂通过国家卫生防疫部门检测， 符合“食品容器及包装材料用不饱和聚脂树脂及玻璃钢制品卫生标准”(GB13115-9)的规定。特点MFE-2树脂综合性能优良，具有良好的成型工艺性、力学性能和优秀的耐化学性。MFE-2A树脂除保留MFE-2树脂性能外，其耐碱性更为突出。适用于手糊、挤拉、缠绕等玻璃钢成型工艺。适用场合制作各种规格耐蚀整体玻璃钢制品。制作金属结构和混凝土结构表面的玻璃钢防护层。制作耐蚀整体树脂砂浆地坪、花岗石、耐酸砖板的胶泥勾(灌)缝材料。制作与食品介质接触的玻璃钢容器和包装材料。乙烯基酯树脂适用于制作各种耐腐蚀整体玻璃钢设备及其内衬，如贮罐、槽车、管道；制作金属结构或混凝土表面的耐腐蚀玻璃钢防护层同时供应食品级MFE-31 SP乙烯基酯树脂。质量指标 表1 项目MFE-2MFE-2A测试方法外观淡黄色，无异状淡黄色，无异状目测粘度Pa.s(25C)0.400.100.400.10GB/T7193-1987酸值mgKOH/g12.04.014.04.0GB/T2895-1989凝胶时间min(25C)15.04.515.05.0GB/T7193-1987固体含量%58.03.060.03.0GB/T7193-1987热稳定性h(80C)2424GB/T7193-1987力学性能(浇铸体) 表2项目MFE-2 MFE-2A测试方法拉伸强度 MPa 60.063.0GB/T2568-1995拉伸模量 MPa3.781033.83103GB/T2568-1995断裂伸长率 % 2.62.6GB/T2568-1995弯曲强度 MPa 102.0106.0GB/T2570-1995抗压强度 MPa 3.151033.15103GB/T2570-1995热变形温度 C 102102GB/T1634-1989注: 以上数据为典型物理性能，不应视为产品规格。耐化学腐蚀性能(浇铸体) 表3 介质浓度 % 使用温度 C 介质浓度 % 使用温度 C 醋酸2580氢氟酸1065乙醇5-3065氢氧化钠5-1080甲醇10652565氨水20655080氢氧化铵580次氯酸钠5-1580铬酸2060硫酸钠90氢氧化钙80硫酸7080四氯化碳6570-7545柠檬酸90尿素5065硫酸铜90二氧化氯常压85甲醛65海水100盐酸2090双氧水306520-3670次氯酸1080硝酸56520652050注: 耐表外化学介质腐蚀性能可向本公司咨询。使用配比(重量比) 表4 MFE-2或MFE-2A树脂100份过氧化甲乙酮(引发剂)2-3份辛酸钴液(促进剂)1-4份注: 辅料用量可根据施工期间环境条件在上述配比内调整。 W2型乙烯基树脂 表5 液态树脂性能性能 牌号W21W22外观微红透明液体微红透明液体粘度Pa.s(25C)500500酸值mgKOH/g2517凝胶时间min(20C)6060固体含量%7070 表6 树脂浇铸体性能性能 牌号W21W22弯曲强度MPa123弯曲模量MPa50032103热变形温度C113122120123延伸率%49 表7 玻璃钢性能性能 牌号W21W22拉伸强度MPa268223拉伸弹性模量MPa1710413104冲击强度MPa168管轴向弯曲强度MPa191软化点（334C）管轴向弯曲弹性模量MPa105104102104轴向冲击强度MPa97356（巴氏硬度）压扁强度MPa184管环向强度MPa106120123弯曲强度MPa3492484备注用中碱人字纹布04中碱布3200型乙烯基酯树脂 3200型乙烯基酯树脂为反丁烯二酸改性的丙烯酸环氧型乙烯基酯树脂。其性能见8、9。 表8 液态树脂性能性能 牌号32003201外观淡黄至黄色液体深棕色透明粘稠液体粘度Pa.s(25C)50120100300酸值mgKOH/g10305凝胶时间min(20C)2080120固体含量%6165623 表9 树脂浇铸体性能性能 牌号3200拉伸强度MPa693拉伸弹性模量MPa246弯曲强度MPa978弯曲弹性模量MPa251103压缩强度MPa985压缩弹性模量MPa323冲击强度MPa93延伸率%548 表10 玻璃钢性能性能 牌号32003201拉伸强度MPa359292拉伸弹性模量MP击强度MPa133弯曲强度MPa385459弯曲弹性模量MPa179104183104轴向冲击强度MPa97356（巴氏硬度）层间剪切强度MPa257疲劳极限强度MPa156120123 乙烯基酯树脂的固化乙烯基酯树脂的固化，要比通用不饱和聚酯树脂困难。室温下的纤维缠绕工艺配方： 乙烯基酯树脂：100份 ButanoxLPT: 1.5份 促进剂： 0.5份8.2 其它类型树脂如:注射树脂、RTM树脂、拉挤树脂等成型工艺专用树脂。三、 不饱和聚酯树脂的固化 不饱和聚酯树脂的固化是乙烯基单体（交联剂：苯乙烯）与聚酯分子中的双键进行游离基工具反应，是线型的聚酯分子交联成三维网状结构的体形高聚物。在不饱和聚酯树脂交联剂体系中，加入一定数量的引发剂，在一定的温度条件下，又引发剂引发，不饱和聚酯树脂与交联剂发生共聚作用，才实现了有实际意义的凝胶固化。这种固化称为热固化。如果在上述体系中加入适当的促进剂，形成不饱和聚酯树脂交联剂引发剂促进剂体系，不需加热便可在室温条件下凝胶固化。这种方法为常温固化。不饱和聚酯树脂的固化特征表现为从起始的粘流态转变为不能流动的凝胶，最后变成不溶、不熔的坚硬固态。整个过程分为凝胶、定型和熟化三个阶段。四、缠绕工艺树脂几点要求 1. 粘度 缠绕时树脂粘度一般为300600cp(厘波) 1Pa.s10P（波）1000cP（里波） 2. 酸值 邻苯40 间苯18 3. 固体含量 邻苯6070% 间苯5565% 4. 树脂浇铸体硬度 35 5. 体积收缩率（固化前与固化后的体积变化） 一般邻苯树脂9% 间苯树脂 5% 环氧树脂2%五、常识 COH COH 1. 邻苯 间苯 对苯 COH COH COH COH 2. H 液化气（甲烷）属于饱和 CH4 密度 0.717g/L H C H H H H 乙烯 属于不饱和 C2H4 HCCH 乙炔 C2H2 （电池 碳化钙CaC 石灰） HC CH六、几种材料性能比较 表1 3种热固性树脂固化后性能对比拉伸强度（MPa ）压缩强度（MPa ）拉伸模量（GPa ）断裂伸长%弯曲强度（MPa ）弯曲模量 （GPa ）相对密度体积电阻率电阻.cm1(1012-1014)不饱和聚酯树脂250800600160025351.01.3700140025351.111.151(1012-1014)缩水甘油迷UP3001000600190025601.17.5600180018331.151.251(1010-1018)酚醛树脂2065450115020651.53.545095025651.311(109-1014) 表2 不饱和聚酯树脂玻璃钢和其它材料性能对比UPFRP型钢硬铝杉木相对密度g/cm31.77.82.80.5极限拉伸强度MPa35288045870.4比强度