复合材料拉挤成型工艺(综合版改)

1、复合材料拉挤成型工艺纺硕1205班柴寅芳、丁倩、刘冰、刘小梅、戎佳琦、王卷1拉挤成型定义拉挤成型是指玻璃纤维粗纱或其织物在外力牵引（外力拉拔和挤圧模塑）下, 经过浸胶、挤压成型、加热固化、定长切割，连续生产长度不限的玻璃钢线型制 品的一种方法。这种工艺最适于生产各种断面形状的型材，如棒、管、实体型（工 字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片）等。2拉挤成型的特点2.1优点：1）典型拉挤速度0.5-2nVmiii,效率髙，适于批量生产，制造长尺寸制品；2）树脂含量可精确控制；3）主要用无捻粗纱增强，原材料成本低，多种增强材料组合使用，可调节制品 力学性能；4）拉挤制品中纤维含量可高达8

2、0%,浸胶在张力下进行，能充分发挥连续纤维 的力学性能，产品强度高；5）原材料利用率在95%以上，废品率低：6）制品纵、横向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要求。2.2缺点：1）不能利用非连续增强材料；2）产品形状单调，只能生产线形型材（非变截而制品），横向强度不高：3）模具费用较高；4）一般限于生产恒定横截面的制品。3拉挤成型所需的材料拉挤成型工艺中使用的材料包括树脂、增逼材料、辅助材料等。3.1拉挤成型工艺所用树脂拉挤成型匸艺要求所用的树脂黏度低，主要使用不饱和聚酯树脂和环氧树脂或改性环氧树脂。不饱和聚酯树脂用作拉挤的基本上是邻苯和间苯型。间苯型树脂有较好的力学性能、坚韧性、

3、耐热性和耐腐蚀性能。目前国内使用的较多的是邻苯型，因其 价格较间苯型有优势。环氧树脂和不饱和聚酯树脂相比，具有优良的力学性能、高介电性能、耐表 面漏电、耐电弧，是优良绝缘材料。常用拉挤工艺用树脂如表1所示，树脂生产 配方如表2和表3。表1拉挤工艺用树脂类5S商品牌号生产厂家性麓与咬用Dion 8200Koppers通过缓和升温引起的收缩反应.可解决热裂纹何越DionKoppers充Z&9C下连维便用用作袖油杆EP 34456Ashland反应幻增仞制与通用樹赌混合使用町虞缓浜豉少 裘纹并能增加拉挤线連度K flnHetron 197AAshlandWW.fH不酣買和衣象験盐Polylite 3

4、1-020Reirhold貶沽性间苹聚酪町增加小：&位杆与卫村的垃那連厦不4001A.B703本工匕力会比（侏）可提岛阻燃性降低收縮率浪化聖酷Hetron 613/Xshland阻样级樹聘Hetron 922AshlundHetron 980Ashhiul高温卜冇RQf的拘理性毗保侍率用徉抽油村乙烯量伍楓脂Orakanr 4 1135.470-25lXw咽桩刊含晟低抱线谩夷高若乙劣含斎低站厦 応用作抽油杆 低尬料域时好的杓歼性能和网 高温性EPON 9102.9302-Shell可共高竝挤速度町用高额忱热固化粘度与收编率 类似聚酯EPON 9310Shell權浮用于拉挤工艺环襲轲脂TACT1X

5、!cw用F眦天与就空结钩件TETRAD-C.X三菱瓦斷化学士社可提高刪热性用/制适E机琴部件ELM innu 20大口歩彳 丰化学会 社林）町矣濟第廝性用J航大航空结构件表2典型拉挤用不饱和聚酯树脂配方树脂196100份填料（轻质碳酸钙）515份脱模剂（硬脂酸锌）35份固化剂（过氧化物）13份低收缩剂（PVC树脂）515份颜料0.11份表3环氧树脂配方环氧树脂E-55100份脱模剂（硬脂酸锌）35份固化剂（590#）1520份增韧剂1015份稀释剂适量3.2拉挤成型工艺所用增强材料拉挤成型玻璃钢所用的纤维增强材料，主要是E玻璃纤维无捻粗纱居多， 其优点是不产生悬垂现象，集束性好，易被树脂浸透，

6、力学性能较高。根据制品需要也可选用C玻璃纤维、S玻璃纤维、T玻璃纤维、AR玻璃纤 维等。此外，为了特殊用途制品的需要也可选用碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、 维尼纶等合成纤维。为了提高中空制品的横向强度，还可采用连续纤维毡、布、 带等作为增强材料。表4为拉挤成型工艺用增强材料。表4拉挤成型工艺用增强材料类型商品牌号制造厂家性能与应用聚酯粗纱Allied低模量，低性能，低成 本玻璃粗纱E 玻璃Owens-Coniiii g通用品级S-2玻璃463适用于环氧树脂，可改 善剪切性能，降低成本S2玻璃449高性能，适用军品S-2玻璃425常用56股和113股粗 纱，低悬垂度，分散性 好，工艺性好S-2玻璃

7、424, 30型浸润性好，无悬垂度， 常用113股和256股粗 纱；分散性和拉伸性能 好，仅适用于聚酯，加 工条件苛刻时易断出玻璃PPG通用品级有机纤维Kevlar-49Dii 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T300Union Carbide与AS相同3.3拉挤成型工艺所需辅助材料3.3.1无机填料适当加入填料可提高树脂基体的耐热性，降低树脂收缩率，改善拉挤制品表 而性能和降低成本。还可赋予拉挤制品阻燃、耐化学腐蚀或电绝缘等功能。常用 的拉挤工艺用无机填料如表5所示。表5拉挤

8、工艺用无机填料硅酸盐类碳酸盐类硫酸盐类氧化物类瓷土、高岭土、粘土、滑石粉、 珍珠岩粉、云母粉碳酸钙硫酸钺硫酸钙水合氧化铝 氧化铝沉积或气相 二氧化硅 石英粉33.2拉挤成型工艺所用内脱模剂表6拉挤成型工艺用内脱模剂商品牌号生产厂家性能与应用Orth 162Dii Pont用于乙烯基酯树脂Mold Wiz PS-125用于乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂Mold Wiz INT-54用于乙烯皋酯树脂、不饱和聚INT-EQ-6 MW INT-1847酯树脂Mold Wiz INT-33P/AAxel PlasticsResearch Lab高分子缩聚产品，用于乙烯基酯树脂Mold Wiz INT-EQ

9、-6高分子缩聚产品，用于乙烯基 酯树脂、不饱和聚酯树脂MW INT-1846液体，用于环氧树脂Synpron 1301SyiitheticProducts液体，用于乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂FX-9Special Products用于乙烯基酯树脂Zelec NE糊料，用于不饱和聚酯树脂ZelecDu Pont用于环氧树脂Zelec UN液体，用于不饱和聚酯树脂Zelec NK糊料，用于环氧树脂拉挤成型模剂如表6所示。另外还有引发剂、固化剂、着色剂等。4拉挤成型的应用进展及分类4.1热固性复合材料与热塑性复合材料的对比白上世纪80年代中期，人们对采用拉挤工艺制造连续纤维增强热塑性犁料 复合材料

10、（FRTP）产生了极大兴趣。下面详细介绍一下热固性复合材料与热塑 性复合材料的对比分析。热固性复合材料：环境友好性差、加工周期长、难以回收。热塑性复合材料：优点是克服了热固型的缺点，具有更好的综合性能，如较 强的柔韧性和抗冲击性能、良好的破坏能力、损伤容限高、可补塑、可焊接、生 物相容性好、可回收、成型时无需固化反应、成型速度快、可以重复利用等：缺 点是熔体黏度高、成型温度髙、基体在室温下固态，需要精度控制冷却和熔体冷 却时收缩率大，产品质最波动大等。从热固性基体拉挤成型转变到热塑性基体拉挤成型所遇到的关键问题主要 包括：基体在室温下呈固态、在熔融温度下流动性差（黏度高）和熔体冷却时收 缩率大

11、等特点。4.2热塑性复合材料拉挤工艺分类由于热犁性树脂融体的黏度大，浸渍困难，因而改进研究工作的关键点集中 在浸渍技术方而，而不同拉挤工艺的根本区别也就在浸渍方法和浸渍工艺的差异 上。通常，根据浸渍技术可把热塑性复合材料拉挤工艺分为非反应型拉挤工艺和 反应拉挤匸艺两大类。从目前应用情况来看，非反应型I：艺占主体，应用较为广 泛，相对來讲也比较成熟。图1为2种不同的热塑性复合材料的拉挤工艺框图。图1 2种不同的热塑性塑料拉挤工艺框图4.2.1非反应型拉挤工艺浸渍方法一般是让均匀分散、预加张力的连续纤维束通过一连串轮系，使纤 维在熔融树脂中充分浸渍。为提高浸透性，还通常加一定的床力，或混入低札I对

12、 分子质量同种类的改性组份（或增塑剂）等。该工艺目前己比较成熟，具有浸渍时 纤维不易缠绕，且能加工一切可以熔融流动的塑料材料的优点。4.2丄2溶剂浸渍该方法是选用一种合适的溶剂，也可以是几种溶剂配成的混合溶剂，将树脂完全溶解，制得低黏度的溶液，并以此浸渍纤维，然后将溶剂挥发、回收制得预浸料。该方法克服了热塑性树脂熔融黏度高的缺点，可以很好地浸渍纤维。该工 艺也存在一些不足，如溶剂的蒸发和回收费用昂贵，且易污染环境；若溶剂清除 不完全，在复合材料中常会形成气泡和孔隙。所以采用该方法进行加工的复合材 料，在使用过程中其耐溶剂性会有一些影响。4.2.1.3末浸渍粉木浸渍制备技术是在硫化床中，通过静屯

13、作用将树脂细粉吸附纤维束中纤维单丝的表而，然后加热使粉末熔结在纤维的表面，最后在成型过程中使纤维 得以浸润。加匚过程不受基体黏性的限制，高相对分子质量的聚合体可分布到纤 维中。这种工艺纤维损伤少，聚合物无降解，具有成本低的潜在优势。适合于这种技术的树脂粉末直径以5lOnnio4.2.1.4混杂无捻粗纱法该法是将热塑性树脂纺成纤维或薄膜带，然后根据禽胶量的多少将一定比例 的增强纤维和树脂纤维束紧密地合并成混纱，再通过一个高温密封浸渍区，将树 脂纤维熔成基体。该法的优点是树脂含量易于控制，纤维能得到充分的浸润。4.2.2反应型拉挤工艺4.2.2.1预聚体拉挤工艺这种工艺所使用到的树脂是将单体和引发

14、剂混合后再加热熔融，由于预聚体 初始相对分子质量小、黏度低及流动性好，使得纤维与之一边浸润、一边反应， 从而可达到理想的浸洼效果。这种工艺要求单体聚合速度快，反应需精确控制。 该工艺适用于玻璃纤维、碳纤维、尼龙以及其他纤维增强的热塑性塑料的拉挤成 型，树脂的适用范I韦I较广。预聚体拉挤工艺流程如图2所示。图2预聚体拉挤工艺示意图4.2.2.2反应注射拉挤工艺与通常的拉挤工艺相比，反应注射(RIM)拉挤工艺的特点在于：拉挤过程中 是将树脂组份直接注入树脂浸渍腔或拉挤模具入口处与增强材料浸渍，然后通 过加热的模具成型，它实际上是将拉挤工艺与(RIM)模塑匸艺结合起來，而形成 的一种很有特色的工艺。

15、RIM拉挤工艺过程中，树脂体系一般分成A、B两个组份，每一组份自身都 不会反应。将树脂体系的A、B两组份预热后经计星泵送入树脂混合单元，充分 混合后直接导八树脂浸渍腔或模具入口处浸渍增强材料，其中增强材料也经过预 热，这样就保证了树脂浸渍在高温的条件下进行，这时树脂体系的黏度极低，因 而对纤维浸透性极好：树脂组份的泯合和使用同时进行，也不存在树脂使用期的 问题，由于树脂混合单元邻近模具入口处，因此有可能采用快速固化的或者在常 温下呈固态的树脂体系。RIM拉挤匸艺如图3所示。图3 RIM拉挤工艺示意图4.2.23原位拉挤工艺这种拉挤工艺实际与RIM工艺类似。不同的是，在线制备的树脂直接注入拉 挤

16、模具。5拉挤成型的工艺设备及工艺流程拉挤成型工艺形式很多，分类方法也很多。如间歇式和连续式，立体和卧式, 湿法和干法，履带式牵引和加持式牵引，模内固化和模内凝胶模外固化，加热方 式有电加热、红外加热、高频加热、微波加热或组合式加热等。首先讨论热固性塑料的拉挤成型方法的简单过程是：首先使碳纤维增强須料 （CF）连续经过树脂浸渍槽，然后通过加热成型、口模固化成为各种形状的型材或制品，生产过程简单、连续、适应性强，易于实现自动化，从而实现了快速、 连续地生产碳纤维增强塑料制品的愿里。5.1热固性塑料拉挤成型工艺热固性須料拉挤成型I：艺过程如下流程所示，所使用的设备主要包括碳纤维 供给装置、树脂浸渍槽

17、、预成型装置，加热成型口摸，拉拔装置、切割装置等。纤维供给一一纤维导向一一树脂浸渍一一预成型一一拉挤成型一一牵引一一切 割一一拉挤成型制品。碳纤维储放在轴架上，由导引装置拉出，而后进入树脂浸渍槽进行树脂浸渍,也可直接进入口模，在口模内靠圧力作用迫使树脂与纤维结台。前一种方法碳纤 维的浸渍比较完全，生产线速度快，成本低，产品厚度不受限制；后一种方法的 优点是碳纤维易于控制，产品的表而光洁度好。碳纤维浸渍树脂后进入预成型口模，使其排列整齐，溢出过剰的树脂。继而，浸渍的碳纤维进入加热口模固化成 型，再经拉拔装置牵引，按需切割成最终的型材或制品。51.1碳纤维的供给、排列与浸置于轴架上的连续碳纤维通过

18、导向和排列装置引出，送至树脂浸渍单元，导 向装置的设计要求是使碳纤维从轴架到口模保持半直，对所有纤维束施加的力相 等，避免因纤维束问张力的变化导致拉挤制品扭曲变形。浸渍操作中，首先在树 脂浸渍槽中精确地最入热固性树脂和固化剂等，以后要保证投料速度与消耗速度 相等。在整个浸渍过程中，纤维润湿要完全，不应存在干纤维，干纤维的存在会 导致拉挤物产生缺陷。控制碳纤维润湿程度的一个觅要工艺参数是树脂体系的粘 度，该粘度称为初始粘度（M） , H的大小不仅与树脂本身有关，而且与添加剂、 温度等有关。除初始粘度外，碳纤维浸润效果还与浸润时间、浸润时树脂的温 度（T）和浸渍槽中碳纤维的工作状态（3）有关，一般

19、来说，给定了初始粘度，碳 纤维工作状态正常（导向装置使纤维排列整齐），浸渍时间延长（生产线速度慢或 浸渍槽较大），树脂温度升高，均可改善纤维浸润程度。从理论上讲，在工作温度下，树脂体系的粘度应控制在0.21.2Pas范 围内，超过1.2Pas时，在预成型口模内会产生粘性拖拽，进入成型口模后所产 生的压力会损伤碳纤维。相反，当初始粘度小千0.2Pas时，碳纤维到达口模 处不能夹带足够的树脂使口模内不能形成成型所需的床力，致使制品内部和表面 产生气孔，影响制品的质量。因此必须将粘度调至适宜值，树脂体系牯度过低时, 可通过调节浸渍槽的温度使其达到最佳值。5.1.2成型口模区域的温度和压力控制51.2

20、.1拉挤成型温度口模I 乂域的温度控制关系到拉挤生产速率和制品的质量。温度控制的关键是 使物料固化速率与型材的牵引速度一致，同时，还耍保证加热均匀，物料各处固 化速率尽量一致。口模处通常采用板式或筒式接触加热器，冃前的筒频预热和高 频固化解决了快速固化的问题。经树脂浸渍后的碳纤维进入口模后开始固化成型，如果物料与口模温度相差 很大，在与口模壁接触的制件表面会首先形成一层固化层，而制件内部固化较慢, 致使拉挤物内外同化不一致。造成制品表而和内部缺陷。解决这一问题可采取预 热工艺，即在碳纤维浸渍树脂后进行预热，减小物料与成型口模的温差。另外， 在成型一些厚壁制品对，还应降低成型口模的出口温度来降低

21、制品的出口温度， 以减步制品内部应力，避免制品出理裂缝。51.2.2拉挤压力一般來说，拉挤成型的口模压力（阻力）大小主要受口模表面形状和儿何结 构尺寸、入口效应、液相热膨胀以及凝胶固化时的膨胀和收缩等因素的制约。生 产中，常用斥力传感器测定口模斥力，或用拉引力代替加工床力。由所测定的床 力数据调整工艺条件，及判断生产正常与否，如拉引阻力在加工过程中不断增加, 其原因可归结如下：（1 ） 口模内部堵塞；（2）输入物料过多（如纤维或织物过 多过厚）：（3）由于化学反应或温度的作用弓I起固化物性质发生了变化等，一般 实际生产中测定的固化期问口模压力为210 MPa。5.1.3拉挤物的牵引拉挤成型通常

22、使用往复式夹持牵引装置。该装置一般有两付内部形状与制件 相匹配的夹具，拉挤物处于夹具中间，夹具靠压缩空气上下启闭，该夹具安装在 支撑座上，液床油缸驱动夹持装置作往复运动。为了不损伤拉挤物的表面，夹具 与拉挤物接触处常衬以聚氯酯材料。牵引装置所产生的线速度要与口壤温度和树脂体系配合，以保证口模内部有 良好的固化反应。生产不同的产品，应选择不同的牵引速度，因此，要求牵引装 置速度可调，一般牵引力为1041ON（ 110t）,生产线速度为1lOOin/ho拉挤成型工艺的控制除上述三千方面外，还应注意后期固化问题，对于大型 制件更为重要。因为不论连续成型加工中速度多么慢，也很难产生像间歇生产那 样的固

23、化状态。拉挤成型后期固化的筒单方法是在口模后安装一个加热固化室， 而更多采用的是在一个分离的加热室中问歇进行。大型制件的固化过程需要 24h，只有缓慢升温，达到完全固化，才能消赊制件内部缺陷提高其内在质量。 5.2热塑型拉挤成型的工艺流程玻璃纤维粗纱排布一一浸胶一一预成型一一挤压模塑及固化一一牵引一一 切割一一制品。工艺流程图如图4和图5。切断装置图4拉挤成型工艺流程图图5拉挤成型流程(1) 纤维区以E玻纤为主，和较高性能的S玻纤及碳纤维。纤维的形态主要有粗纱,短切毡，及表而毡，平面织物等。排纱是将安装在纱架上的增強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

24、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，纤维从纱筒外壁引岀的，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。图6为排纱架。a图6排纱架(2) 浸渍区浸渍是将排布整齐的增强纤维均匀浸渍上己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进行的。一般分为直槽浸渍法和滚筒浸渍法， 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。浸胶装置一般包括导向辘、树脂槽、床牡、分纱栅板、挤胶輕等。胶槽长度 根据浸胶吋间长短和玻璃纤维运行速度而定。胶杷I中的胶液应连续不断地循环更 新，以防止因胶

25、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 调控夹套屮的水温來保持胶液的温度。挤胶辐的作用是使树脂进一步浸渍增强材 料，同时起到控制含胶鼠和排气的作用。分栅板的作用是将浸渍树脂后的玻璃纤 维无捻粗纱分开。浸胶时间是指无捻粗纱及其织物通过浸胶槽所用时间。吋间长短应以玻璃纤 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1520s为宜。浸渍模型如图7所示。图7浸渍模型(3) 预成型区预成型的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

26、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。预成型区如图8所示。图8预成型区(4) 固化区成为型材形状的浸胶增强材料进入模具并在模具中固化成型。一般把模具分 为三段，即加热区、胶凝区和固化区。在模具上使用三组加热板來加热，并严格 控制温度。模具的温度主耍根据树脂在固化中的放热曲线及物料与模具的摩擦性 能而设定的。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，严重时会产生废品共至损坏设备。模腔分布温度应两端高，中间低。树脂在加热过程中，温度

27、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。模具是拉挤成型匸艺中最关键的部分，一般由预成型模、成型模和加热模三 部分组成。预成型模主要数用于预成型区中使用。成型模具的横截面面积与产品 横截面面积之比一般应大于或等于10,以保证模具有足够的强度和刚度，加热 后热量分布均匀和稳定。一般采用钢镀洛，模腔表面要求光洁、耐磨，借以减少 拉挤成型是的摩擦阻力和提高模具的使用寿命。成型模具的作用是

28、实现坯料的床 实、成型和固化。模具截面尺寸应考虑树脂的成型收缩率。模具长度与固化速度、 模具温度、制品尺寸、拉挤速度、增强材料性质等有关，一般为30150cm。相 关工艺参数如表7所示。表7工艺参数复合材料模具温度( C)牵引速度 (mm/mim)不饱和聚酯/玻璃粗纱110160300环氧树脂/玻璃粗纱或玻璃布带160182305环氧树脂/石墨纤维165182400加热模具则针对不同的树脂和纤维温度分布也会有所不同。模具长度是根 据成型过程中牵引速度和树脂凝胶固化速度决定，以保证制品拉出时达到脱模固 化程度c加热模具作为生产艺中重要的环节，是T艺改进的重要对象c图9 是一种较好的模具结构。图9

29、热塑性树脂拉挤模具结构示意图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來确定的，而 环氧树脂的固化剂用量可以计算出来。一般地，模具的温度应大于树脂的放热峰 值，温度的上限是树脂的降解温度。同时做树脂的凝胶试验，保证温度、凝胶时 间、拉速应当匹配。图10是模具的实物外观效果图。图10热塑性树脂拉挤模具实物外观（5）牵引拉拔区牵引拉拔区提供工件拉挤时所需的拉拔力与速度控制

30、，拉挤速度对树脂浸 润、拉挤产品性能有着重要的影响。拉拔的方式主要有两种，履带式（如图11） 及往覆式（如图12和13）,和环型回旋式拉拔机构（结合了拉拔与卷曲，如图 14）.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。牵引机分为液圧机械式和履带式两种。牵引力 一般为50lOOkNo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0.13m/min,若采用快速固化配方，牵引速度可大幅度提高。图11履带式拉拔机构I I往覆式拉拔机构fxtller 八 (ofnpoller IS 图12往复式拉拔结构图13往复式拉拔机构实物图图1

31、4环形拉挤成型机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辘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、制品的儿何形状与尺寸、脱模剂、模具的温度、拉挤速度等有关系。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。(6) 切割装置型材由一个自动同步移动的切割锯按需要的长度切割。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

32、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。6拉挤成型工艺的发展及展望6.1发展历史拉挤成型于1951年首次在美国注册专利，60年代发展很慢，70-80年代进 入快速发展阶段。我国起步则较晚，从1985年引入第1套拉挤机开始，我国的 技术水平已明显提高。直到90年代随着拉挤专用树脂技术的引进生产才进入快 速发展时期。1997年我们承建的伊朗徳黑兰地铁工程，其接

33、触轨保护罩就采用 了拉挤成型工艺，产品各项性能指标都达到设计要求.目前，引进及国产拉挤生 产线己超过200条。我国发展拉挤与欧美形式相似：先开发形状简单的棒材，然 后随着化工防腐、电力、采矿等行业的发展与需求，开发了型材制品，目前这些 技术已经比较成熟。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。此外河北翼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 15-35minino6.2应用领域拉挤成型工艺主要用来生产复合材料产品，是复合材料业中应用最广泛的一 项工艺。如今，拉挤

34、成型产品非常常见，以下拉挤成型产品丨1益引起消费者的青 睐：钢筋、桥面板、格栅、梯架、手用工具、窗户型材、建筑用型材以及其它拉 挤成型产品。当然，拉挤成型市场的发展也会受一些因素的影响。全球拉挤成型的市场细 分比较广泛，主要涵盖以下应用领域：格栅、建筑用型材、窗户型材、梯栏杆、 电绝缘体、工具手柄、电线杆等。拉挤成型市场区域性比较明显，拉挤成型一般 使用的材料是如增强材料和树脂。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、复杂截而及复合成型的工艺方向发展。7拉挤成型工艺应用实例在体育用品方面

35、，如图15所示，如复合材料钓鱼杆、球杆、滑雪杆、赛艇、 弓箭、运动车等体育用品生产已形成规模，其中钓鱼竿和球杆是其两类主要产品, 约占该类产品的80%；在工业界，具有特殊的阻尼特性、抗振好、噪声小的复合 材料在机械、运输、建筑等领域也有广泛的应用，如徳国己将碳纤维复合材料用 于汽车、自行车跑车、潜水员的“鸭蹊”、薄壳建筑等。如图16所示，A350飞机 的机身和机翼全部采用了复合材料，占结构重量50%以上。随着碳纤维生产规模 的扩大和生产成本的逐步下降，在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃 至D常生活用品中的应用也必将迅速扩大。Portabk (Robo-Cunng Robo-Wrappr

36、 machine ystem) ft curing colonns fer wm/ng columns图15 A350飞机上各种材料使用比例A350-900XWB 料分析() 包括起落架其他7佚&合材料52%/铝盘台金叭钛曲A35O飞机的材料比例图16复合材料在体育用品，建筑，汽车，医疗等方面的应用7.1拉挤玻纤增强复合材料在建筑门窗中的应用7.1.1背景塑料门窗11954年由徳国率先使用以來，经历了近50年的发展，已经成为建 筑门窗中的重要分支体系，在国内外得到了广泛应用。20世纪80年代末，塑料门 窗在西徳已占建筑门窗的30% ,部分地区已占门窗市场需求星的52%。制造塑 料门窗的材料多年

37、来一直是以聚氯乙烯(PVC)改性体为主，世界范围内约有9 % 的塑料门窗是由PVC型材制成。由于近年来高抗冲改性剂、光稳定剂、热稳定剂 的应用以及聚屮基丙烯酸甲醋(PMMA)、氯化聚氯乙烯(CPVC)共混改性，PVC 的强度及耐候性得到不断改善，使PVC保持了主导地位。但PVC门窗的收缩率和 膨胀率与玻璃柑差较大(是玻璃的4倍)，而且深颜色PVC门窗的寿命难以保证， 褪色现象严重，这些问题是很难通过改性克服的4倍。玻纤(玻璃纤维)增强不饱 和聚醋(GUP)作为塑料门窗的基材比PTC的应用要早，但以往的GUP制品只能用 浇注、模压法生产，且无法焊接，带來了一系列问题；每种规格的制品需要配套 模具

38、，增加了成本；加之规格少，无法满足各种需要，其发展受到限制。20世纪 80年代以后，由于拉挤成型工艺的广泛采用，使得玻纤增强不饱和聚酯在建筑门 窗(如图17)的应用上取得了突飞猛进的发展。图17建筑门窗7.1.2拉挤玻纤增强复合材料(FRP)门窗的优点由于热固性树脂粘度低，采用拉挤工艺易于成型加工，因此不饱和聚醋作为 拉挤FRP基材得到广泛应用；但由于热固性树脂的不可回收性，使其发展受到限 制。目前，拉挤玻纤增强热塑性复合材料正方兴未艾，主要树脂基材有：聚丙烯 (PP)、尼龙(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇醋(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酷(PET)、 聚離讽(PES)等。由于热塑性树脂选材广泛，

39、易于回收，具有优良的加工使用性 能和环保性能。作为建筑门窗使用的拉挤FRP,无论选用热固性树脂还是热塑性 树脂作为基材，与传统的铝制及PVC门窗相比，都具有不可比拟的优点。7.1.2.1力学性能由表8可见，FRP拉挤门窗的机械强度基本达到普通结构钢的指标，某些性 能接近找至超过一些特殊合金钢。PVC型材由于强度较低，往往盂要用金属增强, 这不仅会影响绝热效果，还会增加窗体的重最，给安装带來困难。FRP拉挤型材 可以空腹，壁厚可薄至17mm在减轻重量的同时，保持了较高的挠曲性，且刚性 好,抗风载荷水平高，特别适用丁高层建筑，此外，这种窗框还适于镶恢大尺寸 玻璃，使采光和可视面积增大。表8各种材质

40、门框的强度材料相对密度拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa弯曲强度/MPaFRP板材1.4 2.015030010 15220300结构钢材7.8420210铝材2.71907067PVC板材1.43631007.1.2.2环保性伴随科技的发展，环境污染II益严莹，因此材料在使用中是否对环境造成污 染以及对环境的影响程度己经成为评价产品优劣的重要指标。FRP拉挤窗具有强 度高、耐候性好、使用寿命长等优点，所以它在生产过程中比那些寿命短且需要 不断更新的材料节约更多的资源，相同时间内更新次数少，所以造成的环境污染 小；同时FRP拉挤门窗的耐候性好，使用过程中不会释放有害气体，用于建筑门 窗安全可靠，

41、而且FRP拉挤门窗具有很好的阻燃性和自熄性，且燃烧后不会释放 有害性气体。此外，拉挤成型无噪声，基本不破坏大气环境，符合环保要求。7.1.2.3尺寸稳定性传统的门窗材料在极潮或极冷、极热的条件下很容易变形其至翘曲收缩，即 便是规则的挤压材料如铝、PTC等制成的门窗也容易引起此类问题，原因在于它 们都具有相对较高的热膨胀率。理想状况下，铝质门窗的膨胀系数是玻璃的2倍, PVC门窗的膨胀系数是玻璃的7倍有试验结果表明:PTC门窗在寒冷的气候条件 下，外层窗框材料的收缩会引起大量的空气泄漏；另有试验表明，彩色PVC门窗 在高温下的持续收缩高达4%。而拉挤FRP门窗的收缩膨胀率儿乎和玻璃的收缩 膨胀率

42、相同，它的热变形温度在200C以上，60C不变脆，高温不软化，保证了 在常温下的正常使用。7.1.2.4隔热性能FRP拉挤门窗较之PVC、木质、铝质门窗有更好的隔热性，是当今世界上隔 热性能最好的隔热材料。FRP窗、塑料窗、木窗和铝窗的热阻R值分别为10.0 , 6.0 , 5.0和0.2 , FRP窗导热系数可低至0.24w/(m2 K),在使用期比一般框材 节约20 %40 %加热和冷却的耗能，具有良好的保温隔热效果，是理想的节能 型产品。7.1.2.5耐久性和美观性从结构上讲，拉挤FRP比木质、铝质和PVC门窗更加坚固、牢靠，有良好的 耐磨性和耐擦伤性；吸水率低丁05%,对潮湿环境和雨水

43、冲刷的抵抗性强。同时 拉挤FRP具有很强的耐化学腐蚀性，有数据表明拉挤型材经3% （质量分数）盐酸水 溶液浸泡2411 ,其硬度保留率为95% ,经3%（质量分数）氯化钠溶液浸泡24h, 其硬度保留率为89%,因此可以应用于海滨或有刺激性气体的场合。此外，在拉 挤FRP门窗的表面涂上建筑抛光剂，可获得更好的耐候性，具有较好的抗紫外 线性，制品在长期的照射下不易脱色。由:抛光剂的耐久性，FRP拉挤门窗可以 自由选择表面涂料并随意改变颜色，这是FRP门窗区别于PVC及其他门窗的乂一 大特性。7.1.3 FRP在建筑门窗中的应用犁料门窗在国外比较发达的国家已得到普遍应用，据有关资料显示：在徳国 普及

44、率达52%, 口本为6 4%,奥地利超过60%,美国为25%,而我国目前大致在 3%左右。目前在欧洲国家，塑料门窗己成为一个规模巨大、技术成熟、标准完 善、社会协作周密、高度发展的生产领域。在塑料门窗的发展中，一直以来都是 以PVC为主导产品。但随着近年来复合材料的发展，FRP在很多方面都优TPVC 材料，北美界内人士预测，在21世纪的前20年，拉挤FRP门窗将有较快的增长。Manvin公司于1994年首次采用了FRP拉挤技术进行门窗生产，推动了门窗工 业的进一步发展。由于采用了边缘切割技术，拉挤GUP门窗己经超过了内置金屈 的PVC门窗，具有更高的强度、弹性和更好的使用性能。Omniglas

45、s作为技术革 新的领导者，在拉挤FRP门窗领域市场不断扩大，是建筑门窗领域中为数不多的 支柱性企业。1998年，Omniglass的拉挤GUP门窗产量达到800kt, 1999年突破 lOOOkt大关，2000年高达2000kto W.R.Grace公司是欧洲建材用FRP的主要生产厂 家，其复合材料建材的年销售额达130160万美元，所提供的GUP可用于替代 PVC、铝质、木质门窗。如前所述，虽然拉挤GUP目前仍占有很大的市场份额，且业内人士对其发展前景也十分看好，但因其材料本身固有的不可回收性，在未來的发展中势必 会向热須性复合材料转移。Milgard Wiiidows是美国西部最大的门窗生

46、产公司， 近年來该公司将热塑性树脂基体与拉挤过程相结合，得到强度高、腐蚀、尺寸稳 定性好的制品，从而推动了拉挤玻纤增强热固性复合材料向热塑性复合材料转化 的进程。我国从20世纪50年代末即开始了塑料门窗的研究，20世纪70年代中期已有国 产PC窗的实际应用，但由于生产工艺、产品质量、传统观念等因素的影响，长 期以來处于试用阶段，发展很慢，直到近10年才开始广泛使用。20世纪80年代以 来，引进国外生产技术、设备，技术不断成熟，市场占有率不断扩大，但总使用 最有限，1990年全国使用最仅占门窗总面积的2.4%。目前使用最约在15%左右， 市场潜力很大。近年來我国也逐步引进了FRP拉挤型材的生产工

47、艺，该成型工艺 具有生产连续化、材料利用率高、产品质最稳定等优点，因而产品成本较低，适 合于目前国内以较低价格获取相对髙质量门窗的市场需求。该拉挤型材除了具备 普通PVC型材的特性外，还能弥补其强度低、易老化等不足，因而用FRP制作的 门窗有相对的整体优势，它为我国建筑业提供了一种优质新型门窗。7.1.4发展前景拉挤FRP门窗由于其显著的尺寸稳定性、隔热性、隔音性、耐久性、环保性 等优点己经获得了很好的发展。特别是20世纪90年代后期，生产工艺II趋成熟， 新产品不断出现，尺寸规格口益丰富，因而市场占有率迅速增长。很显然，高质 最的建筑门窗将来不会再被传统的木质、铝质、PVC或其他材料所垄断。

48、而且， 将来的门窗设计将会更多的考虑到材料的物理特性、经济指标及环保性能等因 素。拉挤FRP是众多材料中满足前沿设计需要的最好选择，先进的门窗生产商和 一些权威机构已经认可了FRP拉挤门窗的巨大市场潜力。由于它的高强度、耐久 性、防腐性和阻燃性，几乎可以取代钢结构在建筑中的地位。从我国塑料门窗的发展现状来看，传统的PVC门窗因需要五金配件及其加工 技术的不完善而受到限制。FRP拉挤门窗不需要金属增强件，可以克服PVC的这 一缺陷。目前，虽然FRP拉挤型材在我国还没有形成规模生产，但随着我国加入 WTO,先进工艺和技术的引进加快，拉挤FRP门窗将会有广阔的市场发展前景。 21世纪人们将更多地关注

49、自身的生存环境，建筑材料绿色化不仅是材料自身发 展的需要，也是保护人类赖以生存的环境的需要。目前拉挤工艺多采用热固性不 饱和聚醋，虽然这种门窗材料与其他木质、铝质材料相比具有无可比拟的优越性, 但由于不饱和聚醋的彷特性，给材料的回收带來一定困难，因此近年來FRP 以其良好的韧性和抗冲击性、可回收利用、快速成型以及成型过程中无有誉气体 产生等优势II益受到人们的瞩目。据预测，在一些新型材料的开发中以及在门窗 材料的发展中，热塑性复合材料将逐渐取代热固性复合材料，成为21世纪的绿 色工业材料。7.2碳纤维复合材料的拉挤成型工艺技术在新型导线上的应用7.2.1新型碳纤维的特点新型碳纤维主要代替了以往

50、传统钢芯导线，导电率高、载流最大、密度低、 拉伸强度高、线膨胀系数小、耐热性好、耐老性能好等优点。可以有效提高输电 线路的输送容最、输电网的安全可靠性，并降低架空输配电工程总成本，对实现 输变电领域节能、安全、坏保和经济性的更高要求具有非常重要的意义。7.2.2新型导线的现状目前工程应用的碳纤维复合芯导线主要是进口产品，碳纤维复合芯导线的 国产化是非常必要且紧迫的。7.2.3工艺流程图18拉挤成型工艺流程图如图18所示，拉挤成型的工作流程是在牵引机的拉力下，连续的碳纤维在 树脂基体屮浸渍，预成型后通过加热的模具，热量传递至液态的树脂/碳纤维复合 体系，交联反应开始发生，树脂从复合材料的周边向中

51、心固化。树脂固化后体积 收缩，使得复合材料与模具分开，经过脱模、后固化、冷却等流程，最终收卷。7.2.4新型导线的关键点（1）由于碳纤维复合材料替代传统钢芯材料，因此，碳纤维复合材料的加工成 型是复合芯导线研究的核心技术，成型技术的优劣将直接影响复合芯的性能，从 而在很大程度上决定了整个导线的性能。（2）拉挤树脂体系在模具内的温度控制是拉挤成型工艺成败的关键。（其它影 响因素：纤维体积含量对复合芯性能的影响，纤维和树脂的界面性能，拉挤树脂 体系在模具内的非稳态温度场，以及模具的工况等）机进行收卷。7.2.5拉挤树脂体系在模具内的非稳态温度场研究由于拉挤树脂体系在加热模具中的温度和固化度会严重影

52、响制品的性能。所 以本文对其在模具中的及部分做了分析。拉挤成型工艺中，拉挤树脂体系在模具 内移动伴随复杂的固化反应和相变过程，使得温度在拉挤树脂体系内的传导变 得很复杂。7.2.5.1工艺模具的模型 11/1液相态1;: 固相态、1|: 4iI区J I111区 II 区： 图19模具分区示意图如图19所示，拉挤模具分为三个区：I区为预热区，一般在120C左右，为 下一阶段的固化反应做准备，同时液压的提高也便于热量向内传递;II区为凝胶 区，树脂发生固化反应并产生相变，从粘稠态转变成为凝胶态；III区为恒温区, 可防止温度骤变导致复合材料产生裂纹。在接近模具出口处，表面沾有脱模剂的制品会从模具表

53、面脱离下来。如果材 料内外温差或出口处的温度梯度太大，会导致固化不均匀而产生裂纹。一些文献资料对于不同的升温速率做了比较试验，得到以下的结论：若预热 区温度太高，凝胶点前移，导致体系粘度过早增大，牵引力增加，发生局部粘模, 产品表而粗糙；温度太低,预热不充分，易引起树脂在凝胶区粘模，造成脱模困难, 牵引力增大，最后堵模，拉挤成型失败。凝胶区若温度太高，加上EP凝胶时放出 的热量可能导致复合材料裂解而使性能降低；若温度太低，凝胶时间长，粘模会 使牵引力增加，从而导致制品表面不光滑。恒温区温度也应适中，若太低则固化 不完全，太高则可能引起制品裂解，均会降低制品的性能。7252拉挤成形过程出现的缺陷

54、及原因拉挤成形过程中出现的缺陷及原因如表9所示。表9拉挤成形过程出现的缺陷及原因缺陷原因粘膜，其至把制品拉断纤维及填料含量低；内唾沫剂效果不好或太少：固化度太低表面出现白粉，粗造度高脱离点剪应力太大，产生爬行蠕动：脱离点太超前于固化点固化不均匀、不稳定或不完全拉挤速度太快：温度波动或太低；制品太厚；固化时间太短制品表而不平整，有沟痕纤维含量低，局部含纱量太少；粘膜、模具划伤白斑，制品丿部发白或露有白纱浸渍不好；有杂质混入，制品内部形成气泡；表面树脂层太薄裂纹，制品表层产生裂纹固化不均匀表面起毛纤维过多；树脂与纤维粘结不良，偶联剂效果太差表而起皱、破碎表面树脂过厚：成型压力小：纤维含量低7.3先

55、进拉挤成形技术在大飞机复合材料结构中的应用7.3.1背景航空航天的需要，推动与促进了先进复合材料的发展，先进复合材料成为航 空航天四大材料之一。先进复合材料的用量已成为战机先进性的一个重要指标， 目前美主力战斗机F22 （猛禽）结构重量的25%采用了碳纤维复合材料（其中24% 为热固性树脂复合材料，1%为热塑性树脂复合材料），儿乎覆盖了飞机的全部外 表而。F35飞机交合材料达到了36%, 2010年服役的空客A400M军用运输机采 用全复合材料机胞，复合材料重量占E机总重的35%0随着先进复合材料低成本 技术的发展，其在大型运载火箭、固体火箭发动机壳体以及卫星的结构件上也获 得了相当广泛的应用

56、，战斧巡航导弹的天线罩、进气道整流罩及其弹翼和尾翼蒙 皮均采用树脂基复合材料制成。除军用外，开发碳纤维复A材料的其它领域的应 用也展露头角，民用方而也开始大量使用复合材料，空客A380复合材料应用占 到了结构重最的25%以上。安全、经济、舒适、环保是大型飞机的重要指标，而经济性是决定大型飞机 市场竞争力的关键因素。根据空客公司统计，结构重量每降低1%,飞机总重可 降低3%5%,油耗可减少3%4%：据统计大型飞机每减轻lkg,增加的经 济效益超过450美元。重量既影响飞行性能乂影响经济性，因此减重对E行器具 有十分重要的意义。碳纤维、硼纤维和芳纶纤维等先进复合材料的诞生为减轻飞 机结构重量带来了曙光，幣体化制造的复合材料大型结构在减重、耐疲劳、可维 护性方而大大优于传统的金屈材料。现阶段复合材料的构件的成本仍比同代的金属结构要高，复合材料成本问题 与成形技术已成为其推广应用的最大障碍。就大