拉挤成型工艺及应用

拉挤成型工艺及应用摘要：概述拉挤成型工艺及其应用前景，通过对拉挤成型工艺与其它复合材料加工工艺的比较，阐述了拉挤成型工艺的特点和这种新的复合材料加工工艺在航空、航天、交通、电气、化工和建筑等领域的发展潜力。关键词：拉挤成型 复合材料 热塑性塑料 应用一、概述和发展历史 拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。这种工艺最适于生产各种断面形状的玻璃钢型材，如棒、管、实体型材（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片等）等。 拉挤成型技术是一种以连续纤维及其织物或毡类材料增强型材的工艺方法。基本工艺过程，增强材料在外力的牵引下，经浸胶、预成型、热模固化、在连续出模下经定长切割或一定的后加工，得到型材制品。 第一个拉挤成型工艺技术专利于1951年在美国注册。直到60年代，其应用也十分有限，主要制作实芯的钓鱼杆和电器绝缘材料等。60年代中期，由于化学工业对轻质高强、耐腐蚀和低成本的迫切需要，促进了拉挤工业的发展，特别是连续纤维毡的问世，解决了拉挤型材横向强度问题。70年代起，拉挤制品开始步入结构材料领域，并以每年20%左右的速度增长，成为美国复合材料工业十分重要的一种成型技术。从此，拉挤成型工艺也随之进入了一个高速发展和广泛应用的阶段。与此同时，国内也开始关注起拉挤成型工艺这一新型技术。 随着拉挤产品应用领域的不断拓展，人们对拉挤工艺有了全新的认识，从80年代起，秦皇岛玻璃钢厂、西安绝缘材料厂、哈尔滨玻璃钢研究所、北京玻璃钢研究设计院，武汉工业大学先后从英国PUITREX公司，美国PTI公司引进拉挤成型工艺设备。此外河北冀县中意玻璃钢有限公司从意大利TOP Glass公司引进5条拉挤生产线，其中有一条是我国首家引进的光缆增强芯拉挤设备，其拉挤速度可达15-35 m/min。 在借鉴和消化国外先进技术的基础上，业内人员不断研究新工艺，开发新产品，从而有力地推动了国内拉挤成型工业，目前这一技术正在向高速度、大直径、高厚度、复杂截面及复合成型的工艺方向发展。二、 拉挤工艺过程1 拉挤工艺拉挤成型工艺是指将浸溃了树脂的连续纤维粗 纱经加热模拉出形成预定截面型材的过程。在拉挤 成型工艺的发展中，有三种同时发展起来的工艺：(1) 隧道炉拉挤工艺该工艺是把玻纤粗纱或 类似的增强材料牵引穿过树脂浴后，经过整形套管 除去包藏的空气和多余的树脂达到预定的直径，然 后牵引穿过隧道炉并悬空连续固化得到最终产品。(2) 间歜成型拉挤工艺该工艺是把增强纤维 牵引穿过树脂浸溃槽并进入对分式阴模，在脖止状 态下由模外加热固化。通常模具的进入端要冷却以 防树脂固化.当一段增强纤维上的浸溃树脂完全固 化后,打开模具再把下一段牵引到模中。(3) 高频或微波加热拉挤工艺该工艺与上述 两种方法类似,但采用高銕或微波加热，这种方法树 脂固化速度快，在模内即可固化。由于70年代初连续纤维毡的问世解决了拉挤型材的横向强度问题，使拉挤成型工艺获得高速发展。现今的拉挤工艺过程增强材料（玻璃纤维无捻粗纱、玻璃纤维连续毡及玻璃纤维表面毡等）在拉挤设备牵引力的作用下，在浸胶槽里得到充分浸渍后，经过一系列预成型模板的合理导向，得到初步定型，最后进入被加热的金属模具，在一定温度作用下反应固化，从而得到连续的、表面平滑、尺寸稳定且高强度的复合材料型材。图1拉挤成型工艺流程图2 材料拉挤成型工艺中使用的材料包括树脂、增强材 料、无机填料和内脱模剂等。拉挤成型工艺使用的树脂与其它复合材料成型 工艺使用的树脂不同。国外已推出的可用于拉挤工艺的树脂如表1所示。拉挤成型工艺使用的增强材料有玻璃纤维.石墨纤维、芳纶纤维、硼纾维和混杂纤维等。国外使用的增强材料见表2。在拉挤工艺中适当加入填料可提高树腊基体的酎热性，降低树腊收缩率，改善拉挤制品表面性能和降低成本。还可賦予拉挤制品阻燃、耐化学腐蚀或电绝缘等功能。类型商品牌号生产厂家性能与应用聚酯Dion 8200 DionEP 34456Hetron 197A Polylite 31-020不饱和聚酯4001A,B703KoppersKoppersAshlandAshland Re ic hold日本1匕亡会社（株)通过缓和升温引起的收缩反应，可解决热裂纹问题 在148. 9C下连续使用，用作抽油杆反应型增韧剂与通用树脂混合使用可减缓歼温，减少 裂纹并能增加拉挤线速度耐酸，但不耐碱和次氣酸盐高活性间苯聚酯,可增加小直径杆与型材的拉挤速度 可提卨阻燃性，降低收缩率溴化聚酯Herron 613Ashland阻燃级树脂乙烯基酯树脂Hetron 922 Hetron 980Derakane 411 35 470-25Ashland Af.hU ndDow射碱和次氣酸盐高温F荇良好的物珲性能保持率弔作抽油忏阻燃剂含最低拉挤线速賓高，苯乙烯含量低、钻度 高，用怍抽油杆，低填料量时有良好的物理性能和埘 高温性环氧树脂EPON 9102,9302EPON 9310 TACTIXTETRAD-C.XELM100,120ShellShellDow三菱瓦斯化学会社(株）大日本夸化学会 社（株）可提高拉挤速度，可用高频加热固化.粘度与收缩率 类似聚酯推荐用于拉挤工艺 用予航天与航空结构件可提高耐热性用F制造飞机零部件 可提高耐磨性，用f航天航空结构件表1拉挤工艺用树脂类型商品牌号制造厂家性能与应用聚酯粗纱|Alhed低模量，低性能，低成本E 玻璃通用品级S-2玻 瑞463适用于环氧树脂，可改善剪 切性能，降低成本S-2玻 璃449Owens 一 Corning高性能，适甩J1军品玻璃粗纱425424， 30型常用56股和股粗纱， 低悬垂度，分散性好，工艺 性好浸润性好，无悬垂度，常用 113股和256股粗纱；分敢 性和拉伸性能好，仅适用于 聚酯。加工条件苛刻时易断E玻璃PPG通用品级有机纤维Kevlar 49Du Pont轻质，用于航空、航天材料 和军用材料，中等成本石墨布带ASHercules轻质，成本高于Kevlar纤 维和玻璃纤维，用于刚性要 求高的场合T300UnionCarbide与AS相同表2拉挤成型工艺用增强材料3拉挤成型工艺设备 实现拉挤工艺的设备主要是拉挤机，拉挤机一般可分为卧式和立式两类。卧式拉挤机结构较为简单，操作方便，对生产车间结构没有特殊的要求。而且各种固化成型方法（热模法、高频加热固化、熔融金属加热固化及薄膜包覆固化等）都可以在卧式拉挤机上实现，因此在拉挤工业中应用的较多。而立式拉挤机的工作特点，各工序均沿垂直方向布置，主要用于制造空心型材，这是由于在生产空心型材时，芯模仅为一端支承，另一端为自由无支承端，因此立式拉挤机不会因为芯模悬臂下垂，而造成制品壁厚不均匀。但这种拉挤机由于局限性较大，生产的产品单一，已经很少使用或不再使用。无论是卧式还是立式拉挤机，它们都主要由送纱装置、浸渍装置、成型模具与固化装置、牵引装置、切割装置等五部分组成，它们对应的工艺过程分别是排纱、浸渍、入模、固化、牵引及切割等工序。4 成型工艺条件拉挤成型工艺必须选择合适的模内温度设置点，设定合适的顸热温度和牵引速度。图2为拉挤装 置的加热部分和模具的示意图。图2中，拉挤模具分为三个区，在第一区内，树脂与增强材料的混合物进入预热模具，混合物被加热后，模腔内液压提高。在第二区内，树脂幵始反应，从粘稠液态固化为凝胶 状，再变为橡胶状材料。当树脂固化为固态产品时， 体积收缩使压力下降，产品从模具表面脱离下来。在第三区内，部分固化的复合材料继续固化完全。1 一摸具；2复合材料；3-绝热层金属平板； 5 第一加热区；6第二加热区：7苇三加热区 图2拉挤装置的加热部分与模具部分三、拉挤成型工艺特点及应用与发展拉挤成型工艺具有许多特点：首先体现在自动化程度和原材料利用率较高，生产效率显著，制品性能优异，尺寸、质量稳定：其次制品表面平滑美观、形状的可设计性非常强；环境污染较小。基于拉挤成型工艺的独特性能，因此可以取代金属、塑料、木材、陶瓷等制品，广泛应用于化工、石油、建筑、电力、交通、娱乐、市政工程等领域。典型的产品有：槽钢、工字钢、各种形状的实芯杆和空芯杆、地铁护罩、基板、抽油杆、格栅、绝缘杆、钓鱼杆、帐篷杆及电工梯等。拉挤成型工艺作为一种自动化连续生产的复合 材料成型工艺方法，类似于金属的挤出工艺，其主要 优点是制造速度快，拉挤成型材料的利用率为95% C手糊成型材料的利用率仅为75%。用拉挤成型方法制成的拉挤制品具有高强、轻量（钢的20% 钔的 60%)、较少或不需维修、耐化学腐蚀、酎老化、耐紫外线降解、尺寸稳定、表面光滑、易着色、无磁性、电 磁透过性好、易于加工、可机械连接或胶接等特性 拉挤制品与其它成型方法成型制品的不同之处主要 是,可大批量生产；生产率高，成本低;制品纤维含鼋 高.强度和刚度高,制品可复制性好；产品为直线型 柱体。拉挤制品在工业发达国家已广泛应用于电气、 建筑、交通及航天航空等领域。表3为一些工业发达 国家使用拉挤制品的例子。国家用 途美国梯子扶手，抽油杆，工业和农业框架体系，栏杆 和支撑体系，电绝缘制品，变压器衬套支柱，电 缆盘，标准框架，消费品和娱乐品（帐蓬杆、撑 杆、风筝、射箭设备和滑雪杆、钓鱼竿），工具 柄，住宅区旗杆，住宅区栅栏支杆英国近海工业中防爆墙的宽翼工字梁，移动桥式过 滤机格栅，通讯塔T型梁，单排联装冷却塔部件，交通信号牌意大利车用双向无线电天线.光缆抗张元件，各类大 d、杆件，航海设备，化学设备.航空、建筑和农 用型材、预制件，电气和电力牵引产品欧洲 其它国家通道和人行通道的孔格栅地板、梯子、护栏，冷 藏设备的铝型材代用品，厢式货车拉门用的型 材，冷藏库门框型材，公共汽车用供热风道 表3拉挤制品在工业发达国家的用途随着拉挤成型工艺的不断发展，人们已能制作 1.6 m宽的拉挤型材。近期又相继发展了拉挤缠绕组合工艺(用于制造管形结构产品）和曲面拉挤工艺 (PuUonniiig，用于制造汽车板簧、工具手柄等）。新近开发的具有大功率、大截面拉挤能力的Pulmaster 18-36-0型拉挤机，最大牵引力为10 t,产品截面 积可达450 mmX 、900 mm以上。我国哈尔滨玻璃钢研究所80年代中期就引进了拉挤设备，并对拉挤设备、拉挤模具、拉挤材料、拉 挤工艺全方位地开展了较深入的研究，取得了一定 的成果，其拉挤成型技术在国内居领先地位。现在国 内已先后引进了二十多条拉挤生产线。对于拉挤成 型，有关专家指出，目前国内尚存在原材料不配套， 大部分靠进口，模具制造技术水平较低，对拉挤工艺 科学研究不够深入等问题，今后应紧紧抓住拉挤市 场开发的机遇，发挥这些先进拉挤设备的作用，促进 拉挤成型工艺在我国的发展。参考文献（1）Xanthos Mand Dagli SS. 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