玻璃钢拉挤成型设计

1、收稿日期:1998-11-23。3ECRG LAS 和S -2为OCF 公司产品注册商标。作者简介:徐伟强,工程师,30岁,1993年南京化工大学高分子材料专业研究生毕业。现从事拉挤玻璃钢新材料的工艺研究,曾获化工部科技进步二等奖一项,公开发表论文近10篇。玻璃钢拉挤成型设计徐伟强(南京兴亚玻璃钢有限公司,210012摘要:介绍了玻璃钢拉挤成型的原材料、生产工艺、质量保证、产品性能和设计计算等内容,对拉挤玻璃钢的生产、设计和应用具有实际意义。关键词:玻璃钢拉挤成型纤维增强塑料设计玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢拉挤成型是自动化连续生产同一截面玻璃钢型材的工艺,它能成型截面形状相当复杂的产品。通过连

2、续纤维的增强,可获得比传统材料更佳的机械性能,由高分子组成的基体满足了结构、化学、耐火、电气、腐蚀和环境方面的要求,具有很强的可设计性。拉挤玻璃钢具有其他复合材料成型工艺典型的特性:比强度高,耐腐蚀,电绝缘和尺寸稳定性。另外,拉挤成型工艺还具有其自身工艺所决定的优点,如可得连续长度的产品、薄壁的复杂型材和中空型材。且中空拉挤型材的内外表面光滑、完美,电线、木材或泡沫等插入件都可在拉挤产品中连续包裹。拉挤成型工艺可运用各种增强形式(E -玻璃纤维、ECR G LAS 、S -2玻璃连续粗纱3、连续毡、复合织物,缝编粗纱和许多热固性树脂(具有优良化学、电气稳定性的聚酯树脂;具有更佳机械和防腐性能的

3、乙烯基酯或环氧树脂;具有防火性能的酚醛树脂,还可加入各种填料。高性能的热塑性聚合物对提高拉挤型材的物理/化学性能提供了极大的可能性。拉挤生产厂家可制造出具有突出的性能、质量和可靠性并具有价格竞争性的大型型材和部件1,2。1拉挤原材料拉挤工艺用原材料分成三类:增强材料、基体材料和添加剂,原材料的选择和它们各自的比例调节能派生出一系列的复合性能。111增强材料应用最广的增强材料为玻璃纤维,它具有多种形式。它是复合材料的承重组分并提供所需的机械性能(强度、模量、抗冲等,最常用和经济的增强材料是E -玻璃无捻粗纱,它有不同的Tex 数(每千米的克数。拉挤用粗纱典型的Tex 数为2400和4800。玻璃

4、纤维生产厂家在纤维表面涂覆一层浸润剂,这样可提高拉挤工艺性能,更重要的是改善玻璃纤维和树脂的界面粘结,提高复合材料的性能。采用无捻粗纱能在给定体积情况下,使纤维达到最大的聚集,从而在型材的纵向获得非常高的强度,在拉挤中纤维的质量分数可达80%。连续毡通常用于拉挤型材的横向增强。该产品为连续玻璃纤维在不同的方向无规分布并由树脂胶粘剂粘结成一个整体,使连续毡具有足够的拉伸强度,满足工艺要求。拉挤用连续毡的典型规格为300g/m 2和450g/m 2。通常,连续毡由较粗的E -玻纤束组成一多孔的材料,使每一根单纤维都能完全浸透。拉挤中有时也采用缝编粗纱或复合增强材料(粗纱和短切毡通过化学粘结或缝合而

5、成。为提高表面光洁和耐化学性,通常在复合材料表面加一层由C -玻璃或热塑性聚酯制成的表面毡,规格有3060g/m 2;为填充制品的锐角和改善层间剪切强度和横向强度,拉挤中可采用E -玻璃膨体纱,它是由无捻粗纱在高速气流中膨化形成毛圈,故在垂直纤维长度方向有许多纤维;为提高复合材料在酸性环境下的防腐性能,可采用ECR G LAS现代塑料加工应用第11卷第2期Modern Plastics Processing and Applications 1999年4月增强材料,它具有直接无捻粗纱、表面毡和膨体纱等多种形式;采用S-2玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等高性能增强材料可达到较高的强度和模量。112基

6、体纤维的种类和形式决定了复合材料的强度,而复合材料的其他性能如防腐性能、电性能和高温性能是由树脂基体决定的。为了达到这些性能,必须精心挑选树脂。不饱和聚酯是拉挤工艺最通用的树脂,根据所用原材料的不同可分为邻苯型、间苯型。除了在芳烃、酮和浓酸环境下,不饱和聚酯通常具有良好的防腐性能。在固化成型时,收缩率达7%,可通过加入填料或低收缩剂来降低。通常使用温度为80150,甚至在较高温度下也能提供较好的电性能。它还具有相当好的耐候性,并且可通过加表面毡或各种添加剂进一步增强。乙烯基树脂通常具有更佳的防腐和耐温特性,同时具有高的剪切、抗冲击和抗疲劳性能。环氧树脂用于需要较高机械性能、电性能和耐温性能的场

7、合,例如军事、航空领域。其他树脂如酚醛树脂(具有优良的阻燃性能和以甲基丙烯酸甲酯为单体的树脂(由于粘度低可采用高比例填料在拉挤领域正逐步应用。工程热塑性树脂由于比热固性树脂韧性高并能回收使用,在拉挤领域用量不断增大3。113添加剂拉挤胶液包含各种添加剂,如催化剂、脱模剂、阻燃剂、低收缩剂、矿物填料等,起以下作用:(1阻燃;(2提高工艺性;(3降低成本;(4提高表面光洁度。2生产工艺拉挤工艺中6个关键因素为:增强材料处理系统,如粗纱架、毡卷展开装置、粗纱环向缠绕或编织设备(可选择和表面毡展开装置、树脂浸润系统、预成型、模具、牵引装置及切割装置。拉挤工艺从纱架上拉出增强纤维开始,再把无捻粗纱和连续

8、毡等增强材料引向胶槽浸胶。粗纱和连续毡通过盛有树脂胶液的胶槽时得到完全浸润。在胶槽前和胶槽中需安装压纱杆以分散粗纱中的单丝并保证浸透。如果在拉挤线上附加环向缠绕,就可在精确控制的角度上产生一层或几层连续纤维。缠绕角度由拉挤速度和外加缠绕装置的转速比决定。浸透的增强材料接着通过预成型装置,在此粗纱和毡通过几个连续的步骤顺利地导入模具。预成型装置的作用为:(1保证增强材料的相对位置(例如毡层的包裹;(2达到最终产品的大致形状;(3挤压多余的树脂。经过预成型装置后,带有树脂的增强材料顺利进入加热的钢制模具。通常模具长度在0161.2m 之间,当混合的材料被拉过模具时,热量引发过氧化物作用,导致树脂基

9、体的固化反应,最后,完全固化并具有最终截面尺寸的玻璃钢型材连续从模具中拉出。拉挤速度完全取决于树脂类型及型材的壁厚和复杂程度。目前,国内一般产品的拉挤速度基本在0120.5m/min之间;而国外由于采用低温固化体系及树脂注射模具系统,拉挤速度要高得多。在模具出口和牵引装置之间,要保留35m的距离,在此利用空气来冷却型材。牵引装置有履带式和液压式两种,而后者采用两组夹具交替作用,以保证工艺的连续性。最后,产品经自动切割装置切割成所需长度。3质量保证在拉挤工艺的各个阶段要进行一系列的质量保证测试。311原材料与所有生产一样,原材料必须严格控制以保证它们完全满足生产者的特性要求,对一些原材料已有工业

10、标准。312拉挤过程拉挤质量保证的目的是测量拉挤过程的所有关键工艺参数并迅速有效地控制。拉挤主要工艺参数有:(1模具加热温度(温度在模具长度方向上的分布;(2牵引速度;(3树脂反应活性,取决于树脂类型、固化剂和添加剂;(4玻璃纤维种类和含量;(5胶液的初始温度(粘度;(6内压力(压力沿模具长度方向的分布。在拉挤过程中,模具温度和牵引速度两个参数直接在生产线上测量并控制。树脂胶液的反应活性是一个工艺变量,它取决于所有组成的类型和用量。反应活性可事先用标准的凝胶试验测量。当采用连续混合、泵压和胶液注射设备时,也可在线控制。不饱和聚酯和乙烯基树脂的初始温度通常为室温,而环氧树脂一般需预加热。因此温度

11、的变化是容易测量的,它主要取决于树脂的存放温度,也可通3现代塑料加工应用第11卷第2期过调节预热温度、牵引速度和固化剂用量来补偿。玻璃纤维含量由粗纱和毡的数量决定,它对同一产品在拉挤过程中是固定不变的。内压力可用压力传感器直接测量,也可从实际牵引力大小推断。牵引力的大小取决于树脂沿模具长度方向的状态变化而导致的压力变化;从入模口液态树脂的液压,到凝胶区的凝胶摩擦力,再到固化区的固化收缩,以至脱离模腔从而降低压力。为保证质量稳定,对每一种产品的有关产量(牵引速度和质量(表面、机械性能的关键参数的最佳组合必须事先确定并定期校对。一些计算机系统在控制拉挤工艺参数方面已经得到应用。欧文斯-康宁玻璃纤维

12、公司已开发了一个称作Pull-soft的计算机数据采集软件系统。由于所有的关键工艺参数相互影响,最好的办法是探测模具内的固化聚合反应,这能清楚了解工艺参数的实际组合效果。实际过程中可在浸渍过树脂的增强材料束中放置一热电偶,当它经过模具时,可读出实际反应温度,模具内部温度对应模具长度的曲线可直接反应出聚合反应过程和聚合度4。为得到最佳拉挤质量,温度曲线应避免陡直上升,以减少产品热应力。放热峰应处于大约模具长度75%的位置。这样既能保证较高的生产效率,同时,剩余的模具长度可进行有效的内部冷却并起校准单元的作用,温度曲线可用计算机测量和记录。4拉挤产品性能通常的拉挤板材为两面各一层或几层连续毡,中间

13、为无捻粗纱的夹心对称结构。对于厚壁产品,可在中间再加入连续毡而保证对称的结构。表面加表面毡也是相当普遍,目的是提高表面质量和防腐、耐候性能5。拉挤产品的机械性能是高度各向异性的,玻璃纤维粗纱支配着纵向强度,而横向性能取决于连续毡的数量和重量,剪切强度取决于连续毡、复合毡或膨体纱在产品中的位置。拉挤所用原材料都具有较低的密度,产品的密度在1182.0g/cm3之间,这取决于玻璃纤维含量、树脂和填料的种类。玻璃钢是优良的热和电的绝缘体,它的热膨胀系数取决于层状结构。当作为结构部件使用时,拉挤型材与铁的热膨胀系数相近。玻璃钢同样是优良的电绝缘体,同时,它为天线电波,微波和其他电磁波所透射。树脂对有机

14、溶剂、酸、碱等化学腐蚀,电解腐蚀,大气侵蚀和与温度相关的耐腐性能详尽资料可从拉挤和树脂生产厂家得到。产品的阻燃主要取决于组分的种类如树脂、增强材料、填料及添加剂等。玻璃纤维是不燃的,在拉挤产品中所占比例较高,树脂含量相对较低。所以,从内在品质来说,拉挤产品的阻燃性较好,而且可通过一系列方法增强。一种方法为加入氢氧化铝填料,它在250以上时,能吸收热量并释放结晶水从而显著提高玻璃钢的阻燃性,同时还能降低烟密度。当阻燃作为首要因素时,应采用特殊的树脂,不仅要求防火,一旦燃烧时,还要求具有低的烟密度和毒性。象酚醛树脂或氢氧化铝填充的聚甲基丙烯酸甲酯树脂就具有此种特性而应用于公共交通,尤其是地下设施场

15、合。5设计计算与其他增强塑料一样,玻璃钢比金属提供了更大的设计自由度。除了设计产品的几何形状外,还可对不同材料进行组合得到不同的性能,即外形相同的两个拉挤产品,如果树脂种类、组成不同或增强材料的含量和相对位置不同,它们的机械和物理性能就大相径庭。当拉挤产品作为结构部件使用时,能运用梁和板的理论来计算它的应力和形变。一些开发、制造、应用和测试方面的长期设计经验也适用于拉挤生产者。通常,民用结构中的普通梁载环境可用于玻璃钢型材。但值得注意的是,任何结构部件的总形变由弯曲和剪切形变组成。对各向同性的材料如金属,其中的剪切形变很小,一般可忽略;而玻璃钢剪切形变的作用就显著得多,在设计中必须考虑。拉挤复

16、合材料使用时,必须考虑安全系数才能得到允许机械应力。拉挤型材的弹性模量与组分的模量有关,而后者又具有温度依赖性,所有的树脂供应商都能提供他们树脂的主要温度特性。一般来说,树脂的玻璃化温度必须高于使用温度10 15。参考文献1唐爱霞1玻璃钢,1995,(4:212Chachad Y R et al.J Reinforced Plastics and Composites1995,(5: 4953Mcquarrie T S and Hickman J H.The Pultruders Handbook to Resin Selection.42nd Ann.Conf.RP/C Inst,SPI,1

17、98713徐伟强.玻璃钢拉挤成型设计4Sumerak J E and Martin J D.Applying Internal Temperature Mea 2surement Data to Pultrusion Process Control.41st Ann.Conf.RP/C Inst ,SPI ,19865Evans D J.Classifying Pultruded Products by G lass Loading.41stAnn.Cont.RP/C Inst ,SPI ,1986FIBERG LASS -REINFORCED PLASTICS PU L TRUSION TECHNOLOG YAN D ITS PROD UCTS DESIGNXu Weiqiang(Nanjing Xingya FPR