玻璃鋼拉擠成型設(shè)計

1、收稿日期:1998-11-23。3ECRG LAS 和S -2為OCF 公司產(chǎn)品注冊商標。作者簡介:徐偉強,工程師,30歲,1993年南京化工大學(xué)高分子材料專業(yè)研究生畢業(yè)。現(xiàn)從事拉擠玻璃鋼新材料的工藝研究,曾獲化工部科技進步二等獎一項,公開發(fā)表論文近10篇。玻璃鋼拉擠成型設(shè)計徐偉強(南京興亞玻璃鋼有限公司,210012摘要:介紹了玻璃鋼拉擠成型的原材料、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量保證、產(chǎn)品性能和設(shè)計計算等內(nèi)容,對拉擠玻璃鋼的生產(chǎn)、設(shè)計和應(yīng)用具有實際意義。關(guān)鍵詞:玻璃鋼拉擠成型纖維增強塑料設(shè)計玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼拉擠成型是自動化連續(xù)生產(chǎn)同一截面玻璃鋼型材的工藝,它能成型截面形狀相當(dāng)復(fù)雜的產(chǎn)品。通過連

2、續(xù)纖維的增強,可獲得比傳統(tǒng)材料更佳的機械性能,由高分子組成的基體滿足了結(jié)構(gòu)、化學(xué)、耐火、電氣、腐蝕和環(huán)境方面的要求,具有很強的可設(shè)計性。拉擠玻璃鋼具有其他復(fù)合材料成型工藝典型的特性:比強度高,耐腐蝕,電絕緣和尺寸穩(wěn)定性。另外,拉擠成型工藝還具有其自身工藝所決定的優(yōu)點,如可得連續(xù)長度的產(chǎn)品、薄壁的復(fù)雜型材和中空型材。且中空拉擠型材的內(nèi)外表面光滑、完美,電線、木材或泡沫等插入件都可在拉擠產(chǎn)品中連續(xù)包裹。拉擠成型工藝可運用各種增強形式(E -玻璃纖維、ECR G LAS 、S -2玻璃連續(xù)粗紗3、連續(xù)氈、復(fù)合織物,縫編粗紗和許多熱固性樹脂(具有優(yōu)良化學(xué)、電氣穩(wěn)定性的聚酯樹脂;具有更佳機械和防腐性能的

3、乙烯基酯或環(huán)氧樹脂;具有防火性能的酚醛樹脂,還可加入各種填料。高性能的熱塑性聚合物對提高拉擠型材的物理/化學(xué)性能提供了極大的可能性。拉擠生產(chǎn)廠家可制造出具有突出的性能、質(zhì)量和可靠性并具有價格競爭性的大型型材和部件1,2。1拉擠原材料拉擠工藝用原材料分成三類:增強材料、基體材料和添加劑,原材料的選擇和它們各自的比例調(diào)節(jié)能派生出一系列的復(fù)合性能。111增強材料應(yīng)用最廣的增強材料為玻璃纖維,它具有多種形式。它是復(fù)合材料的承重組分并提供所需的機械性能(強度、模量、抗沖等,最常用和經(jīng)濟的增強材料是E -玻璃無捻粗紗,它有不同的Tex 數(shù)(每千米的克數(shù)。拉擠用粗紗典型的Tex 數(shù)為2400和4800。玻璃

4、纖維生產(chǎn)廠家在纖維表面涂覆一層浸潤劑,這樣可提高拉擠工藝性能,更重要的是改善玻璃纖維和樹脂的界面粘結(jié),提高復(fù)合材料的性能。采用無捻粗紗能在給定體積情況下,使纖維達到最大的聚集,從而在型材的縱向獲得非常高的強度,在拉擠中纖維的質(zhì)量分數(shù)可達80%。連續(xù)氈通常用于拉擠型材的橫向增強。該產(chǎn)品為連續(xù)玻璃纖維在不同的方向無規(guī)分布并由樹脂膠粘劑粘結(jié)成一個整體,使連續(xù)氈具有足夠的拉伸強度,滿足工藝要求。拉擠用連續(xù)氈的典型規(guī)格為300g/m 2和450g/m 2。通常,連續(xù)氈由較粗的E -玻纖束組成一多孔的材料,使每一根單纖維都能完全浸透。拉擠中有時也采用縫編粗紗或復(fù)合增強材料(粗紗和短切氈通過化學(xué)粘結(jié)或縫合而

5、成。為提高表面光潔和耐化學(xué)性,通常在復(fù)合材料表面加一層由C -玻璃或熱塑性聚酯制成的表面氈,規(guī)格有3060g/m 2;為填充制品的銳角和改善層間剪切強度和橫向強度,拉擠中可采用E -玻璃膨體紗,它是由無捻粗紗在高速氣流中膨化形成毛圈,故在垂直纖維長度方向有許多纖維;為提高復(fù)合材料在酸性環(huán)境下的防腐性能,可采用ECR G LAS現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用第11卷第2期Modern Plastics Processing and Applications 1999年4月增強材料,它具有直接無捻粗紗、表面氈和膨體紗等多種形式;采用S-2玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維等高性能增強材料可達到較高的強度和模量。112基

6、體纖維的種類和形式?jīng)Q定了復(fù)合材料的強度,而復(fù)合材料的其他性能如防腐性能、電性能和高溫性能是由樹脂基體決定的。為了達到這些性能,必須精心挑選樹脂。不飽和聚酯是拉擠工藝最通用的樹脂,根據(jù)所用原材料的不同可分為鄰苯型、間苯型。除了在芳烴、酮和濃酸環(huán)境下,不飽和聚酯通常具有良好的防腐性能。在固化成型時,收縮率達7%,可通過加入填料或低收縮劑來降低。通常使用溫度為80150,甚至在較高溫度下也能提供較好的電性能。它還具有相當(dāng)好的耐候性,并且可通過加表面氈或各種添加劑進一步增強。乙烯基樹脂通常具有更佳的防腐和耐溫特性,同時具有高的剪切、抗沖擊和抗疲勞性能。環(huán)氧樹脂用于需要較高機械性能、電性能和耐溫性能的場

7、合,例如軍事、航空領(lǐng)域。其他樹脂如酚醛樹脂(具有優(yōu)良的阻燃性能和以甲基丙烯酸甲酯為單體的樹脂(由于粘度低可采用高比例填料在拉擠領(lǐng)域正逐步應(yīng)用。工程熱塑性樹脂由于比熱固性樹脂韌性高并能回收使用,在拉擠領(lǐng)域用量不斷增大3。113添加劑拉擠膠液包含各種添加劑,如催化劑、脫模劑、阻燃劑、低收縮劑、礦物填料等,起以下作用:(1阻燃;(2提高工藝性;(3降低成本;(4提高表面光潔度。2生產(chǎn)工藝拉擠工藝中6個關(guān)鍵因素為:增強材料處理系統(tǒng),如粗紗架、氈卷展開裝置、粗紗環(huán)向纏繞或編織設(shè)備(可選擇和表面氈展開裝置、樹脂浸潤系統(tǒng)、預(yù)成型、模具、牽引裝置及切割裝置。拉擠工藝從紗架上拉出增強纖維開始,再把無捻粗紗和連續(xù)

8、氈等增強材料引向膠槽浸膠。粗紗和連續(xù)氈通過盛有樹脂膠液的膠槽時得到完全浸潤。在膠槽前和膠槽中需安裝壓紗桿以分散粗紗中的單絲并保證浸透。如果在拉擠線上附加環(huán)向纏繞,就可在精確控制的角度上產(chǎn)生一層或幾層連續(xù)纖維。纏繞角度由拉擠速度和外加纏繞裝置的轉(zhuǎn)速比決定。浸透的增強材料接著通過預(yù)成型裝置,在此粗紗和氈通過幾個連續(xù)的步驟順利地導(dǎo)入模具。預(yù)成型裝置的作用為:(1保證增強材料的相對位置(例如氈層的包裹;(2達到最終產(chǎn)品的大致形狀;(3擠壓多余的樹脂。經(jīng)過預(yù)成型裝置后,帶有樹脂的增強材料順利進入加熱的鋼制模具。通常模具長度在0161.2m 之間,當(dāng)混合的材料被拉過模具時,熱量引發(fā)過氧化物作用,導(dǎo)致樹脂基

9、體的固化反應(yīng),最后,完全固化并具有最終截面尺寸的玻璃鋼型材連續(xù)從模具中拉出。拉擠速度完全取決于樹脂類型及型材的壁厚和復(fù)雜程度。目前,國內(nèi)一般產(chǎn)品的拉擠速度基本在0120.5m/min之間;而國外由于采用低溫固化體系及樹脂注射模具系統(tǒng),拉擠速度要高得多。在模具出口和牽引裝置之間,要保留35m的距離,在此利用空氣來冷卻型材。牽引裝置有履帶式和液壓式兩種,而后者采用兩組夾具交替作用,以保證工藝的連續(xù)性。最后,產(chǎn)品經(jīng)自動切割裝置切割成所需長度。3質(zhì)量保證在拉擠工藝的各個階段要進行一系列的質(zhì)量保證測試。311原材料與所有生產(chǎn)一樣,原材料必須嚴格控制以保證它們完全滿足生產(chǎn)者的特性要求,對一些原材料已有工業(yè)

10、標準。312拉擠過程拉擠質(zhì)量保證的目的是測量拉擠過程的所有關(guān)鍵工藝參數(shù)并迅速有效地控制。拉擠主要工藝參數(shù)有:(1模具加熱溫度(溫度在模具長度方向上的分布;(2牽引速度;(3樹脂反應(yīng)活性,取決于樹脂類型、固化劑和添加劑;(4玻璃纖維種類和含量;(5膠液的初始溫度(粘度;(6內(nèi)壓力(壓力沿模具長度方向的分布。在拉擠過程中,模具溫度和牽引速度兩個參數(shù)直接在生產(chǎn)線上測量并控制。樹脂膠液的反應(yīng)活性是一個工藝變量,它取決于所有組成的類型和用量。反應(yīng)活性可事先用標準的凝膠試驗測量。當(dāng)采用連續(xù)混合、泵壓和膠液注射設(shè)備時,也可在線控制。不飽和聚酯和乙烯基樹脂的初始溫度通常為室溫,而環(huán)氧樹脂一般需預(yù)加熱。因此溫度

11、的變化是容易測量的,它主要取決于樹脂的存放溫度,也可通3現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用第11卷第2期過調(diào)節(jié)預(yù)熱溫度、牽引速度和固化劑用量來補償。玻璃纖維含量由粗紗和氈的數(shù)量決定,它對同一產(chǎn)品在拉擠過程中是固定不變的。內(nèi)壓力可用壓力傳感器直接測量,也可從實際牽引力大小推斷。牽引力的大小取決于樹脂沿模具長度方向的狀態(tài)變化而導(dǎo)致的壓力變化;從入?？谝簯B(tài)樹脂的液壓,到凝膠區(qū)的凝膠摩擦力,再到固化區(qū)的固化收縮,以至脫離模腔從而降低壓力。為保證質(zhì)量穩(wěn)定,對每一種產(chǎn)品的有關(guān)產(chǎn)量(牽引速度和質(zhì)量(表面、機械性能的關(guān)鍵參數(shù)的最佳組合必須事先確定并定期校對。一些計算機系統(tǒng)在控制拉擠工藝參數(shù)方面已經(jīng)得到應(yīng)用。歐文斯-康寧玻璃纖維

12、公司已開發(fā)了一個稱作Pull-soft的計算機數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)。由于所有的關(guān)鍵工藝參數(shù)相互影響,最好的辦法是探測模具內(nèi)的固化聚合反應(yīng),這能清楚了解工藝參數(shù)的實際組合效果。實際過程中可在浸漬過樹脂的增強材料束中放置一熱電偶,當(dāng)它經(jīng)過模具時,可讀出實際反應(yīng)溫度,模具內(nèi)部溫度對應(yīng)模具長度的曲線可直接反應(yīng)出聚合反應(yīng)過程和聚合度4。為得到最佳拉擠質(zhì)量,溫度曲線應(yīng)避免陡直上升,以減少產(chǎn)品熱應(yīng)力。放熱峰應(yīng)處于大約模具長度75%的位置。這樣既能保證較高的生產(chǎn)效率,同時,剩余的模具長度可進行有效的內(nèi)部冷卻并起校準單元的作用,溫度曲線可用計算機測量和記錄。4拉擠產(chǎn)品性能通常的拉擠板材為兩面各一層或幾層連續(xù)氈,中間

13、為無捻粗紗的夾心對稱結(jié)構(gòu)。對于厚壁產(chǎn)品,可在中間再加入連續(xù)氈而保證對稱的結(jié)構(gòu)。表面加表面氈也是相當(dāng)普遍,目的是提高表面質(zhì)量和防腐、耐候性能5。拉擠產(chǎn)品的機械性能是高度各向異性的,玻璃纖維粗紗支配著縱向強度,而橫向性能取決于連續(xù)氈的數(shù)量和重量,剪切強度取決于連續(xù)氈、復(fù)合氈或膨體紗在產(chǎn)品中的位置。拉擠所用原材料都具有較低的密度,產(chǎn)品的密度在1182.0g/cm3之間,這取決于玻璃纖維含量、樹脂和填料的種類。玻璃鋼是優(yōu)良的熱和電的絕緣體,它的熱膨脹系數(shù)取決于層狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)作為結(jié)構(gòu)部件使用時,拉擠型材與鐵的熱膨脹系數(shù)相近。玻璃鋼同樣是優(yōu)良的電絕緣體,同時,它為天線電波,微波和其他電磁波所透射。樹脂對有機

14、溶劑、酸、堿等化學(xué)腐蝕,電解腐蝕,大氣侵蝕和與溫度相關(guān)的耐腐性能詳盡資料可從拉擠和樹脂生產(chǎn)廠家得到。產(chǎn)品的阻燃主要取決于組分的種類如樹脂、增強材料、填料及添加劑等。玻璃纖維是不燃的,在拉擠產(chǎn)品中所占比例較高,樹脂含量相對較低。所以,從內(nèi)在品質(zhì)來說,拉擠產(chǎn)品的阻燃性較好,而且可通過一系列方法增強。一種方法為加入氫氧化鋁填料,它在250以上時,能吸收熱量并釋放結(jié)晶水從而顯著提高玻璃鋼的阻燃性,同時還能降低煙密度。當(dāng)阻燃作為首要因素時,應(yīng)采用特殊的樹脂,不僅要求防火,一旦燃燒時,還要求具有低的煙密度和毒性。象酚醛樹脂或氫氧化鋁填充的聚甲基丙烯酸甲酯樹脂就具有此種特性而應(yīng)用于公共交通,尤其是地下設(shè)施場

15、合。5設(shè)計計算與其他增強塑料一樣,玻璃鋼比金屬提供了更大的設(shè)計自由度。除了設(shè)計產(chǎn)品的幾何形狀外,還可對不同材料進行組合得到不同的性能,即外形相同的兩個拉擠產(chǎn)品,如果樹脂種類、組成不同或增強材料的含量和相對位置不同,它們的機械和物理性能就大相徑庭。當(dāng)拉擠產(chǎn)品作為結(jié)構(gòu)部件使用時,能運用梁和板的理論來計算它的應(yīng)力和形變。一些開發(fā)、制造、應(yīng)用和測試方面的長期設(shè)計經(jīng)驗也適用于拉擠生產(chǎn)者。通常,民用結(jié)構(gòu)中的普通梁載環(huán)境可用于玻璃鋼型材。但值得注意的是,任何結(jié)構(gòu)部件的總形變由彎曲和剪切形變組成。對各向同性的材料如金屬,其中的剪切形變很小,一般可忽略;而玻璃鋼剪切形變的作用就顯著得多,在設(shè)計中必須考慮。拉擠復(fù)

16、合材料使用時,必須考慮安全系數(shù)才能得到允許機械應(yīng)力。拉擠型材的彈性模量與組分的模量有關(guān),而后者又具有溫度依賴性,所有的樹脂供應(yīng)商都能提供他們樹脂的主要溫度特性。一般來說,樹脂的玻璃化溫度必須高于使用溫度10 15。參考文獻1唐愛霞1玻璃鋼,1995,(4:212Chachad Y R et al.J Reinforced Plastics and Composites1995,(5: 49513徐偉強.玻璃鋼拉擠成型設(shè)計5Evans D J.Classifying Pultruded Products by G lass Loading.41stFIBERG LASS -REINFORCED PLASTICS PU L TRUSION TECHNOLOG YAN D ITS PROD UCTS DESIGNXu Weiqiang(Nanjing Xingya FPR Co.ABSTRACTTh