各种复合材料成型工艺

各种复合材料成型工艺

连续成型工艺

　　复合材料制品的连续成型工艺，是指从投入原材料开始，经过浸胶、成型、固化、脱模、切断等工序，直到后获得成品的整个工艺过程，都是在连续不断地进行。

　　根据生产的产品不同，连续成型工艺分为连续拉挤成型工艺、连续缠绕成型工艺和连续制板工艺三种。

　　连续缠绕成型工艺 主要用于生产不同口径的玻璃钢管和罐身。连续缠绕机的特点是：生产效率高、产品质量稳定、劳动强度低、节省原材料、减少芯模数量等，但这种工艺技术含量高、设备投资大、变径难度大。另一种工艺是将塑料管挤出技术和纤维缠绕工艺相结合，塑料内衬玻璃钢管，挤出的塑料管同时起到芯模和防腐内衬两个作用。

　　拉挤成型工艺 主要用于生产各种玻璃钢型材，如玻璃钢棒、工字型、角型、槽型、方型、空腹型及异形断面型材等。目前大的拉挤成型机，可以生产断面为800mm×800mm的空腹玻璃钢型材。新型拉挤成型技术不断涌现，如RIM拉挤成型机，弯曲形型材拉挤工艺等。

　　连续制板工艺 主要是用玻璃纤毡、布为增强材料，连续不断地生产各种规格平板，波纹板和夹层结构板等。

　　连续成型工艺的共同特点：①生产过程完全实现机械化身自动化，生产效率高；②生产过程不间断，制品长度不限；③产品无需后加工，生产过程中边角废料少，节省原料和能源；④产品质量稳定，重复性好，成品率高；⑤操作方便，省人力、劳动条件好；⑥成本低。

拉挤成型工艺

　　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。

　　拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是：①生产过程完全实现自动化控制，生产效率高；②拉挤成型制品中纤维含量可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高；③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；④生产过程中无边角废料，产品不需后加工，故较其它工艺省工，省原料，省能耗；⑤制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。

　　拉挤成型工艺的缺点是产品形状单调，只能生产线形型材，而且横向强度不高。

　　（1）拉挤工艺用原材料

　　①树脂基体 在拉挤工艺中，应用多的是不饱和聚酯树脂，约占本工艺树脂用量的90以上，另外还有环氧树脂、乙烯基树脂、热固性甲基丙烯酸树脂、改性酚醛树脂、阻燃性树脂等。

　　②增强材料 拉挤工艺用的增强材料，主要是玻璃纤维及其制品，如无捻粗纱、连续纤维毡等。为了满足制品的特殊性能要求，可以选用芳纶纤维、碳纤维及金属纤维等。不论是哪种纤维，用于拉挤工艺时，其表面都必须经过处理，使之与树脂基体能很好的粘接。

　　③辅助材料 拉挤工艺的辅助材料主要有脱模剂和填料。

　　（2）拉挤成型模具

　　模具是拉挤成型技术的重要工具，一般由预成型模和成型模两部分组成。①预成型模具 在拉挤成型过程中，增强材料浸渍树脂后（或被浸渍的同时），在进入成型模具前，必须经过由一组导纱元件组成的预成型模具，预成型模的作用是将浸胶后的增强材料，按照型材断面配置形式，逐步形成近似成型模控形状和尺寸的预成型体，然后进入成型模，这样可以保证制品断面含纱量均匀。②成型模具 成型模具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。拉挤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。一般采用钢镀铬，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。

　　（3）拉挤成型工艺

　　拉挤成型工艺过程是由送纱、浸胶、预成型、固化定型、牵引、切断等工序组成。无捻粗纱从纱架引出后，经过排纱器进入浸胶槽浸透树脂胶液，然后进入预成型模，将多余树脂和气泡排出，再进入成型模凝胶、固化。固化后的制品由牵引机连续不断地从模具拔出，后由切断机定长切断。在成型过程中，每道工序都可以有不同方法：如送纱工序，可以增加连续纤维毡，环向缠绕纱或用三向织物以提高制品横向强度；牵引工序可以是履带式牵引机，也可以用机械手；固化方式可以是模内固化，也可以用加热炉固化；加热方式可以是高频电加热，也可以用熔融金属（低熔点金属）等。

　　（4）其它拉挤成型工艺

　　拉挤成型工艺除立式和卧式机组外，尚有弯曲形制品拉挤成型工艺，反应注射拉挤工艺和含填料的拉挤工艺等。

连续缠管工艺

　　连续缠管工艺与定长玻璃钢管相比有如下特点：①生产连续，易实现自动化管理和快速固化，生产效率高；②需要的辅助设备少，特别是模具需用量少，产品更换投资少；③产品长度可任意切断，使用长这（12m或15m），可以减少管接头数量，降低工程造价；④生产过程自动化，工艺参数集中控制，产品质量容易保证。

　　另一种连续制管工艺采用塑料管和玻璃钢复合工艺，即EPF法，用此法生产的复合材料管比普通玻璃钢管的防腐、抗渗性好。

　　（1）连续缠管原料

　　连续缠管用的原材料，要同是满足产品的使用要求和工艺生产要求。

　　①增强材料 根据玻璃钢管和PVC/玻璃钢复合管的生产要求，增强材料品种有表面毡，短切玻纤毡或针刺复合毡与表面毡合用，无捻粗纱。

　　②树脂基体 连续缠管用的树脂主要是不饱和聚酯树脂。连续缠管工艺对树脂的要求是：粘度适当，易浸透纤维，凝胶时间长，固化时间短，固化放热低，固化收缩小。

　　③辅助材料 为了提高管材的刚度，常加入石英砂，其添加量可达30%（高）。脱模剂用聚酯薄膜，薄膜裁成带，宽度为钢带宽度一倍，缠绕搭接1/2。

　　（2）连续缠管工艺

　　连续缠管是用预浸玻璃纤维纱或带（或现浸），按设计的缠绕规律缠绕在芯模上，经外、内加热固化成型，在芯模上钢带推动下，连续不断地向前推进，脱模，再经二次固化后定长切断。改变管径时，只需要更换制管机的芯模便可。

连续制板工艺

　　连续制板工艺始于二战后FRP工业由军转民时代，我国自1965年初开始研究，首先研究成功的是钢丝网增强聚氯乙波形板生产红，产品为横波形瓦，70年代在上海研制成纵波聚酯玻璃钢生产线，80年代先后引进3条板材连续生产线，其生产技术达国际先进水平。

　　玻璃钢波形板是建筑工业中用量大的一种产品。主要用于临时建筑工程、工业建筑的屋顶采光及农业温室。与传统的石棉瓦相比，具有质量轻，强度高，抗冲击，能透光及美观耐久等特点。

　　玻璃钢波形板分为纵波板和横波板两类，纵波板的波纹方向平行于板的长边，横波板的波纹方向垂直于板的长边。就波纹形状而言，有标准型连续圆弧波，连续异形波纹和不连续异形波纹。

　　连续制板工艺，国内外大致相同，只是在设备的局部构造和工艺措施方面略有不同。

热塑性复合材料成型工艺

　　热塑性复合材料是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强各种热塑性树脂的总称，国外称FRTP（Fiber Rinforced Thermo Plastics）。由于热塑性树脂和增强材料种类不同，其生产工艺和制成的复合材料性能差别很大。

　　从生产工艺角度分析，塑性复合材料分为短纤维增强复合材料和连续纤维增强复合材料两大类：（1）短纤维增强复合材料 ①注射成型工艺；②挤出成型工艺；③离心成型工艺。（2）连续纤维增强及长纤维增强复合材料 ①预浸料模压成型；②片状模塑料冲压成型；③片状模塑料真空成型；④预浸纱缠绕成型；⑤拉挤成型。

　　热塑性复合材料的特殊性能如下：

　　（1）密度小、强度高 热塑性复合材料的密度为1.1～1.6g/cm3，仅为钢材的1/5～1/7，比热固性玻璃钢轻1/3～1/4。它能够以较小的单位质量获得更高的机械强度。一般来讲，不论是通用塑料还是工程塑料，用玻璃纤维增强后，都会获得较高的增强效果，提高强度应用档次。

　　（2）性能可设计性的自由度大 热塑性复合材料的物理性能、化学性能、力学性能，都是通过合理选择原材料种类、配比、加工方法、纤维含量和铺层方式进行设计。由于热塑性复合材料的基体材料种类比热固性复合材料多很多，因此，其选材设计的自由度也就大得多。

　　（3）热性能 一般塑料的使用温度为50～100℃，用玻璃纤维增强后，可提高到100℃以上。尼龙6的热变形温度为65℃，用30%玻纤增强后，热形温度可提高到190℃。聚醚醚酮树脂的耐热性达220℃，用30%玻纤增强后，使用温度可提高到310℃，这样高的耐热性，热固性复合材料是达不到的。热塑性复合材料的线膨胀系数比未增强的塑料低1/4～1/2，能够降低制品成型过程中的收缩率，提高制品尺寸精度。其导热系数为0.3～0.36W(㎡·K)，与热固性复合材料相似。

　　（4）耐化学腐蚀性 复合材料的耐化学腐蚀性，主要由基体材料的性能决定，热塑性树脂的种类很多，每种树脂都有自己的防腐特点，因此，可以根据复合材料的使用环境和介质条件，对基体树脂进行优选，一般都能满足使用要求。热塑性复合材料的耐水性优于热固性复合材料。

　　（5）电性能 一般热塑性复合材料都具有良好的介电性能，不反射无线电电波，透过微波性能良好等。由于热塑性复合材料的吸水率比热固性玻璃钢小，故其电性能优于后者。在热塑性复合材料中加入导电材料后，可改善其导电性能，防止产生静电。

　　（6）废料能回收利用 热塑性复合材料可重复加工成型，废品和边角余料能回收利用，不会造成环境污染。

　　由于热塑性复合材料有很多优于热固性玻璃钢的特殊性能，应用领域十分广泛，从国外的应用情况分析，热塑性复合材料主要用于车辆制造工业、机电工业、化工防腐及建筑工程等方面。

　　1、注射成型工艺

　　注射成型是热塑性复合材料的主要生产方法，历史悠久，应用广。其优点是：成型周期短，能耗小，产品精度高，一次可成型开关复杂及带有嵌件的制品，一模能生产几个制品，生产效率高。缺点是不能生产纤维增强复合材料制品和对模具质量要求较高。根据目前的技术发展水平，注射成型的大产品为5kg，小到1g，这种方法主要用来生产各种机械零件，建筑制品，家电壳体，电器材料，车辆配件等。

　　2、挤出成型工艺

　　挤出成型是热塑性复合材料制品生产中应用较广的工艺之一。其主要特点是生产过程连续，生产效率高，设备简单，技术容易掌握等。挤出成型工艺主要用于生产管、棒、板及异型断面型等产品。增强塑料管玻纤增强门窗异型断面型材，在我国有很大市场。挤出成型复合材料制品的工艺流程如下：

　　3、缠绕成型工艺

　　热塑性复合材料的缠绕成型工艺原理和缠绕机设备与热固性玻璃的一样，不同的是热塑性复合材料缠绕制品的增强材料不是玻纤粗纱，而是经过浸胶（热塑性树脂）的预浸纱。因此，需要在缠绕机上增加预浸纱预热装置和加热加压辊。缠绕成型时，先将预浸纱加热到软化点，再与芯模的接触点加热，并加压辊加压，使其熔接成一个整体。

　　4、热塑性复合材料拉挤成型

　　热塑性复合材料的拉挤成型工艺与热固性玻璃钢的基本相似。只要把进入模具前的浸胶方法加以改造，生产热固性玻璃钢的设备便可使用。生产热塑性复合材料拉挤产品的增强材料有两种：一种是经过浸胶的预浸纱或预浸带，另一种是未浸胶的纤维或纤维带。

　　5、焊接层合法

　　此法系利用热塑性复合材料的可焊性，生产复合材料板材。其方法如下：先在工作台上压铺一层预浸料（一般宽500mm），铺第二层浸料时，开动压辊的焊接器，使预浸料进入压辊下，焊接器使上下两层预浸料在几秒钟内同时受热熔化，当机器向前移动时，预浸料在压辊的压力（0.3MPa）作用下粘合成一体。如此重复，可生产任意厚度的板材。

　　6、热塑性片状模塑料制品冲压成型工艺

　　热塑性片状模塑制品冲压成型与热固性SMC压制成型不同，它要先将坯料预热，然后再放放模具加压成型。

　　7、热塑性复合材料的连接技术

　　热塑性复合材料的连接方法很多，例举如下：①铆接 用于热塑性复合材料铆接用的铆钉，一般都是用连续纤维增强热塑性塑料制造，好是用拉挤棒材制造。施工时，铆钉预热到可以加压塑变的温度，铆钉与孔径应能严密配合，不能大，也不能小。也可以用金属螺栓。铆接的优点是耐冲击性好，无电化学腐蚀，价格便宜。②焊接 热塑性复合材料的焊接处理，是将被连接材料的焊接表面加热到熔化状态，然后搭接加压，使之接成一体。复合材料焊接原理与塑料焊接相似，但必须注意焊接处的纤维增强效果不能降低很多。③管件对接焊 热塑性复合材料管的对接焊方法有直接对接和补强对接焊两种。这种连接方法的优点是工艺简单，可在现场施工，不需对管子进行机械加工，连接强度高，不易断裂。缺点是成本高，工艺要求严格，要保证尺寸紧密配合。④缠绕焊接 用预浸带沿焊缝手工或机械缠绕，同是用火焰喷枪对接触点加热熔融，使之与被连接件粘牢。选择预浸带时，要注意纤维的方向和含量。此法较实用，被连接材料能保留较好的性能，但易出现加热不均的现象。⑤薄板超声波焊接 此法是用超声波对被连接处进行加热焊接，一般能够获得较高的连接强度。

其它成型工艺

　　聚合物基复合材料的其它成型工艺，主要指离心成型工艺、浇铸成型工艺、弹性体贮存树脂成型工艺（ERM）、增强反应注射成型工艺（RRIM）等。

　　1、离心成型工艺

　　离心成型工艺在复合材料制品生产中，主要是用于制造管材（地埋管），它是将树脂、玻璃纤维和填料按一定比例和方法加入到旋转的模腔内，依靠高速旋转产生的离心力，使物料挤压密实，固化成型。

　　离心玻璃钢管分为压力管非压力管两类，其使用压力为0～18MPa。这种管的管径一般为φ400～φ2500mm，大管径或达5m，以φ1200mm以上管径经济效果佳，离心管的长度2～12m，一般为6 m。

　　离心玻璃钢管的优点很多，与普通玻璃钢管和混凝土管相比，它强度高、重量轻，防腐、耐磨（是石棉水泥管的5～10倍）、节能、耐久（50年以上）及综合工程造价低，特别是大口径管等；与缠绕加砂玻璃钢管相比，其大特点是刚度大，成本低，管壁可以按其功能设计成多层结构。离心法制管质量稳定，原材料损耗少，其综合成本低于钢管。离心玻璃钢管可埋深15m，能随真空及外压。其缺点是内表面不够光滑，水力学特性比较差。

离心玻璃钢管的应用前景十分广阔，其主要应用范围包括：给水及排水工程干管，油田注水管、污水管、化工防腐管等。

　　（1）原材料

　　生产离心管的原材料有树脂、玻璃纤维及填料（粉状和粒状填料）等。

　　树脂 应用广的是不饱和聚酯树脂，可根据使用条件和工艺要求选择树脂牌号和固化剂。

　　增强材料 主工是玻璃纤维及其制品。玻纤制品有连续纤维毡、网格布及单向布等，制造异形断面制品时，可先将玻纤制成预制品，然后放入模内。

　　填料 填料的作是用增加制品的刚度、厚度、降低成本，填料的种类要根据使用要求选择，一般为石英砂、石英粉、辉绿岩粉等。

　　（2）工艺流程

　　离心制管工艺流程如下：

离心制管的加料方法与缠绕成型工艺不同，加料系统是把树脂、纤维和填料的供料装置，统一安装在可往复运动的小车上。

　　（3）模具

　　离心法生产玻璃钢管的模具，主要是钢模，模具分整体式和拼装式两种：小于φ800mm管的模具，用整体式，大于φ800mm管的模具，可以用拼装式。

　　模具设计要保证有足够的强度和刚度，防止旋转、震动过程中变形。模具由管身、封头、托轮箍组成。管身由钢板卷焊而成，小直径管身可用无缝钢管。封头的作用是增加管模端头的强度和防止物料外流。托轮箍的作用是支撑模具，传递旋转力，使模具在离心机上高速度旋转，模具的管身内表面必须平整，光滑，一般都要精加工和抛光，保证顺利脱模。

　　2、浇注成型工艺

　　浇注成型主要用于生产无纤维增强的复合材料制品，如人造大理石，钮扣、包埋动、植物标本、工艺品、锚杆固定剂、装饰板等。

　　浇注成型比较简单，但要生产出优质产品，则需要熟练的操作技术。

　　（1）钮扣生产工艺

　　用聚酯树脂浇注的钮扣，具有硬度高，光泽好，耐磨、耐烫、耐干洗、花色品种多及价格低等优点，目前在国内外已基本取代了有机玻璃钮扣，占钮扣市场80%以上。

生产钮扣的原料主要是不饱和聚酯树脂、固化剂（引发剂采用过氧化甲乙酮）和辅助材料（包括色浆、珠光粉、触变剂等）。

　　聚酯钮扣采用离心浇注式棒材浇注法生产，先制成板材或棒材，然后经切板、切棒制成钮扣，再经热处理、刮面、刮底、铣槽、打眼、抛光等工序制成钮扣。

　　（2）人造石材生产工艺

　　人造石材是用不饱和聚酯树脂和填料制成的。由于所选用的填料不同，制成的人造石材分为人造大理石、人造玛瑙、人造花岗石和聚酯混凝土等。

　　生产人造石材的原材料是不饱和聚酯树脂，填料和颜料：①树脂 生产人造石材的树脂分面层和结构层两各，表面装饰层树脂要求收缩性小，有韧性、硬度好，耐热、耐磨、耐水等，同时要求易调色。辛戌二醇邻苯型树脂用于人造石材，辛戌二醇间苯型树脂用于生产卫生洁具。固化体系，常用过氧化甲乙酮、萘酸钴溶液。②填料 生产人造石材的填料有很多，生产人造大理石的填料是大理石粉，石英粉、白云石粉、碳酸钙粉等，生产人造花岗石的填料是用粒料级配，不同品种花岗石用不同色彩的粒料，生产人玛瑙的填料要有一定透明性，一般选用氢氧化铝或三氧化二铝等。③颜料 生产人造石材需要各色颜料，如制人造大理石或人造玛瑙浴盆，应选择耐热、耐水的色浆，制造装饰板及工艺品时，要选用耐光、耐水及耐久的颜料。

　　生产人造大理石、花岗石板材用的模具材料有玻璃钢、不锈钢、塑料、玻璃等。生产人造石板材的模板，要求表面平整，光泽、有足够的强度和刚度，能经受生产过程中的热应力、搬运荷载及碰撞等。

　　3、弹性体贮树脂模塑成型技术

　　弹性体贮树脂模塑成型（Elastic Reservir Molding, ERM）是80年代在欧美出现的新工艺，它是用柔性材料（开孔聚氨酯泡沫塑料）作为芯材并渗入树脂糊。这种渗有树脂糊的泡沫体留在成型好的ERM材料中间，泡沫体使ERM制成的产品密度降低，冲击强度和刚度提高，故可称为压制成型的夹层结构制品。

　　ERM与SMC一样，同属于模压成型的片状模塑料，只是由于ERM具有夹层结构的构造，给它带来优于SMC的特点：（1）重量轻：ERM比用毡和SMC制成的制品轻30%以上；（2）ERM制品的比刚度优于SMC、铝和钢制成的制品；（3）搞冲击强度高：在增强材料含量相同的条件下，ERM比SMC的抗冲击强度高很多；（4）物理力学性能高：在增强材料含量相同的条件下，ERM制品的物理力学性能优于SMC制品；（5）投资费用低：ERM成型机组比SMC机组简单，ERM制品成型压力比SMC制品低10倍左右，故生产ERM制品时可以采用低吨位压机和低强度材料模具，从而减少建投资。

　　ERM制品生产工艺分为ERM制造和ERM制品成型两个过程：

　　（1）ERM生产工艺 ERM生产原材料为开孔聚氨酯泡沫塑料，各种纤维制品（如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维制成的短切毡、连续纤维毡、针织毡等）和各种热固性树脂。其生产过程如下：先在ERM机组上将调好的树脂糊浸渍开孔聚氨酯泡沫塑料，通过涂刮器将树脂糊涂到泡沫上，用压辊将树脂糊压挤到泡沫体的孔内，然后将两层泡沫复合到一起，后在上下两个面铺放玻纤维毡或其它纤维制品，制成ERM夹层材料，切割成适宜的尺寸，用于压制成型或贮存。

　　（2）ERM制品生产工艺 ERM制品生产过程与其它热固性模压料（玻纤布或毡预浸料、SMC等）相比，需要在热压条件下固化成型，但成型压力比SMC小很多，大约是SMC成型压力的1/10，为0.5～0.7MPa。

　　ERM技术目前主要用于汽车工业材料和轻质建筑复合材料工业。由于ERM具有夹层结构材料的特点，是适用于生产大型结构的组合部件，各种轻质板材，活动房屋、雷达罩，房门等。在汽车工业中的制品有行李车拖斗、盖板、仪表盘、保险杠、车门、底板等。

　　4、增强反应注射模塑技术

　　增强反应注射模塑工艺（Reinforced Reaction Injection Molding, RRIM）是利用高压冲击来混合两种单体物料及短纤维增强材料，并将其注射到模腔内，经快速固化反应形成制品的一种成型方法。如果不用增强材料，则称为反应注射模塑（ReactionInjection Moling, RIM）。采用连续纤维增强时，称为结构反应注射模塑（Structure Reaction Injection Molding, SRIM）。

　　RRIM的原材料分树脂体系和增强材料两类

　　（1）树脂体系 生产RRIM的树脂应滞如下要求：①必须由两种以上的单体组成；②单体在室温条件下能保持稳定；③粘度适当，容易用泵输送；④单体混合后，能快速固化；⑤固化反应不产生副产物。应用多的是聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂和环氧树脂。

　　（2）增强材料 常用的增强材料有玻璃纤维粉、玻璃纤维和玻璃微珠。为了增加增强材料与树脂的粘接强度，上述增强材料都采用增强偶联剂进行表面处理。

　　RRIM的工艺特点：①产品设计自由度大，可以生产大尺寸部件；②成型压力低（0.35～0.7MPa），反应成型时，无模压应力，产品在模内发热量小；③制品收缩率低，尺寸稳定性好，因加有大量填料和增强材料，减少了树脂固化收缩；④制品镶嵌件工艺简便；⑤制品表面质量好，玻璃粉和玻璃微珠能提高制品耐磨性和耐热性；⑥生产设备简单，模具费用低，成型周期短，制品生产成本低。

　　RRIM制品的大用户是汽车工为，可做汽车保险杠、仪表盘，高强度RRIM制品可以做汽车的结构材料、承载材料。由于其成型周期短，性能可设计，在电绝缘工程、防腐工程、机械仪表工业中代替工程塑料及高分子合金应用。