玻璃纤维纱工艺

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1、玻璃纤维纱工艺纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺一、前言相比传统材料，复合材料具有一系列不可替代的 特性，自二次大占以来发展很快。尽管产量小（据 法国Vetrotex公司统计，2003年全球复合材料 达700万吨），但复合材料的水平已是衡量一个国 家或地区科技、经济水平的标志之一。美、日、 西欧水平较高。北美、欧洲的产量分别占全球产 量的33%与32%，以中国（含台湾省）、日本为 主的亚洲占30%。中国大陆2003年玻班纤维增 强塑料（玻璃纤维与树脂复合的复合材料、俗称 玻璃钢”）逾90万吨，已居世界第二位（美国 2003年为169万吨，日本不足70万吨）。复合材料主要由增强材料与基体材料两大部

2、分 组成：增强材料：在复合材料中不构成连续相赋于复合 材料的主要力学性能，如玻璃钢中的玻璃纤维， CFRP （碳纤维增强塑料）中的碳纤维素就是增 强材料。基体：构成复合材料连续相的单一材料如玻璃钢（GRP）中的树脂（本文谈到的环氧树脂）就是基体。y按基体材料不同，复合材料可分为三大类：树脂复合材料金属基复合材料无机非金属基复合材料，如陶瓷基复合材料。本文讨论环氧树脂基复合材料。1、为什么采用环氧树脂做基体？固化收缩率代低，仅1%-3%，而不饱和聚酯树脂却高达7%-8% ；粘结力强；有B阶段，有利于生产工艺；可低压固化，挥发份甚低；固化后力学性能、耐化学性佳，电绝缘性能良好。 值得指出的是环氧树

3、脂耐有机溶剂、耐碱性能较 常用的酚醛与不饱和聚酯权势脂为佳， 然耐酸性 差；固化后一般较脆，韧性较差。2、环氧玻璃钢性能（按 ASTM）以FW （纤维缠绕）法制造的玻纤增强环氧树脂 的产品为例，将其与钢比较。表1 GF/EPR与钢的性能比较玻璃含量 GF/EPR （玻纤含量80wt%） AISI1008 冷轧钢相对密度 2.08 7.86 V拉伸强度 551.6Mpa 331.0MPa拉伸模量 27.58GPa 206.7GPa伸长率1.6% 37.0%弯曲强度689.5MPa弯曲模量34.48GPa压缩强度 310.3MPa 331.0MPa悬臂冲击强度2385J/m燃烧性（UL-94） V

4、-O比热容 535J/kg永233J/kg永膨胀系数 4.0 X10-6k-1 6.7 X10-6k-1热变形温度204cC（1.82MPa）热导率1.85W/m永33.7W/m永介电强度11.8 X106V/m吸水率0.5%(24h)表2几种常用材料与复合材料的比强度和比模量材料名称密度g/cm3拉伸强度xiO4MPa弹性模量xiO6MPa 比强度xi06cm 比模量 xi09cm钢 7.8 10.10 20.59 0.13 0.27铝 2.8 4.61 7.35 0.17 0.26钛 4.5 9.41 11.18 0.21 0.25玻璃钢 2.0 10.40 3.92 0.53 0.21碳

5、纤维/环氧树脂1.45 14.71 13.73碳纤维/环氧树脂1.6 1049 23.54芳纶纤维/环氧树脂1.4 13.73 7.85硼纤维/环氧树脂2.1 13.53 20.59硼纤维 /铝 2.65 9.81 19.61 0.75 c2二、纤维增强环氧树脂复合材料成型工艺简介1、手糊成型 （hand lay up）（1）概要 依次在模具表面上施加脱模剂胶衣一层粘度为0.3-0.4PaS的中等活性液体热固性 树脂（须待胶衣凝结后）一层纤维增强材料（玻纤、芳纶、碳纤维.）， 纤维增强材料有表面毡、无捻粗纱布（方格布） 等几种。以手持辊子或刷子使树脂浸渍纤维增强 材料，并驱除气泡，压实基层。铺

6、层操作反复多 次，直到达到制品的设计厚度。树脂因聚合反应，常温固化。可加热加速固化。（2）原材料F gb NG “树脂不饱和聚酯树脂、已烯基酯树脂、环氧树 脂、酚醛树脂等。纤维玻纤、碳纤、芳纶等。虽然厚的芳纶织物 难于手工将树脂浸透，亦可用。芯材任意。（3）优点1）适合少量生产；2）可室温成型，设备投资少，模具折旧费低；3）可制造大型制品和型状复杂产品；4）树脂和增强材料可自由组合，易进行材料设 计；5）可采用加强筋局部增强，可嵌入金属件；6）可用胶衣层获得具有自由色彩和光泽的表面（如开模成型则一面不平滑）；7）玻纤含量较喷射成型高。无捻粗纱布50%左右织物 35%-45%短切原丝毡30%-4

7、0%（4）缺点1）属于劳动密集型生产，产品质量由工人训练 程度决定；2）玻纤含量不可能太高；树脂需要粘度较低才 易手工操作，溶剂/苯乙烯量高，力学与热性能 受限制；3）手糊用树脂分子量低；通常可能较分子量高 的树脂有害于人的健康和安全。（5）典型产品舰艇、风力发电机叶片、游乐设备、冷却塔壳体、 建筑模型。2、树脂传递成型（RTM）（1）概要RTM是一种闭模低压成型的方法。将纤维增强材料置于上下模之间；合模并将模具 夹紧；在压力下注射树脂；树脂固化后打开模具， 取下产品。树脂胶凝过程开始前，必须让树脂充满模腔，压 力促使树脂快速传递到模个内，浸渍纤维材料。RTM是一低压系统，树脂注射压力范围 0

8、.4-0.5MPa,当制造高纤维含量（体积比超过 50%）的制品，如航空航天用零部件时，压力甚 至达 0.7MPa。纤维增强材料有时可预先在一个模具内预成型 大致形状（带粘结剂），再在第二个模具内注射 成型。为了提高树脂浸透纤维能力，可选择真空辅 助注射（VARI-vacuum saaistedrsi n injection）。注意树脂一经将纤维材料浸透，树脂注口要封 闭，以便树脂固化。注射与固化可在室温或加热 条件下进行。模具可以复合材料与钢材料制作。 若采用加热工艺。宜用钢模。（2）原材料树脂：一般多用环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及 酚醛；当加温时，高温树脂台双马列来酰亚胺树 脂亦可用。法国

9、Vetrotex公司开发了热塑性树脂 RTM。纤维：任意。常用玻纤连续毡、缝编材料（其纤 维间的缝隙得于树脂传递）、无捻粗纱布；玻纤 与热塑性塑料的复合纱及其织物与片材（法国Vetrotex 商品名 TWINTEX ）。芯材：不用蜂窝，因蜂窝空格全被树脂填满，压 力会导致其破坏。可用耐溶剂发泡材料PU、PP、CL、VC 等。（3）优点1）制品纤维含量可较高，未被树脂浸得部分非常少；2）闭模成型，生产环境好；3）劳动强度低，对工人技术熟练程度的要求也 比手糊与喷射成型低；4）制品两面光，可作有表面胶衣的制品，精度 也比较高；5）成型周期较短；6）产品可大型化；7）强度可按设计要求具有方向性；8）

10、可与芯村、嵌件一体成型；9）相对注射设备与模具成本较低。（4）缺点1）不易制作较小产品；2）因要承压，故模具较手糊与喷射工艺用模具 要重和复杂，价位也高一些；3）能有未被浸渍的材料，导致边角料浪费。（5）典型产品小型飞机与汽车零部件、客车座椅、仪表壳3、纤维缠绕（FW）（1）概要通常采用直接无捻粗纱作为增强材料。粗纱排列 在纱架上。粗纱自纱架上退绕，通过张力系统、 树脂槽、绕丝嘴，由小车带动其往复移动并缠绕 在回转的芯轴（模）上。纤维缠绕角度与纤维排 列密度根据强度设计，并由芯轴（模）转速与小 车往复速度之比，精确地控制。固化后将缠绕的 复合材料制品脱模。对某些两端密闭的产品不用脱模，芯模即包

11、在复 合材料产品内，作为内衬。（2）原材料树脂：任意。环氧、不饱和聚酯、乙烯基脂及酚 醛树脂。纤维：任意。无捻粗纱、缝编和无纺织物。生产 管罐时，常用表面毡、短切原丝作为内衬材料。芯材：可用。虽然复合材料制品通常是单一壳体， 一般不用。（3）优点1）因为纤维迳直以合理的线形铺设，承担负荷,故复合材料制品的结构特性可非常高；2）由于同内衬层组合，可制得耐腐蚀、耐压、 耐热的制品；3）可制造两端封闭的制品；4）铺放材料快、经济、用无捻粗纱，材料费用 低；5）可采用树脂计量，然浸胶后的纤维通过挤胶 或口模，控制树脂含量；6）可大理生产和自动化；7）机械成型，复合材料材质及方向性均匀，质 量稳定。（4

12、）缺点1）制品形状限于圆柱形或其它回转体；2）纤维不易沿制品长度方向精确排列；3）对于大型制品，芯模成本高；4）成品外表不是 模制”的，不尽人意；5）对于承受压力的制品，如选择树脂不合适或 无内衬，就易发生渗漏。（5）典型产品管道、贮罐、气瓶（消防呼吸气瓶、压缩天然气 瓶等）、固体火箭发动机壳体。4、RIM（Reaction Injection Molding反应注射成型）（1）概要将两种或两种以上的组分在混合区低压 （0.5MPa ）混合后，即在低压（0.5-1.5MPa） 下注射到闭模中反应成型，此即为工艺过程。若 组分一为多元醇，一为异氰酸酯，则反应生成聚 氨酯。为增加强度，可直接在一种

13、组分内行加 入磨碎玻纤原丝和（或）填料。弈可采用长纤维（如连续纤维毡、织物、复合毡、短切原丝等的 预成型物等）增强，在注射前，将长纤维增强材 料预先置模具内。用此法可得到高力学性能的制 品。这种工艺称为 SRIM （ Structural ReactionInjection Molding- 结构反应注射成型）。（2）原材料树脂：常用聚氨酯体系或聚氨酯/脲混合体系； 亦可采用环氧、尼龙、聚酯等基本；纤维：常用长0.2-0.4mm的磨碎玻璃纤维；芯材：不用。（3）优点1）制造成本比热塑性塑料注射工艺低；2）可制造大尺寸、开头复杂的产品；3）固化快，适于快速生产。（4）缺点采用磨碎玻璃纤维增强原料

14、费用高，荐用矿物复 合材料取代之。（5）主要产品汽车仪表盘、保险杠、建筑门、窗、桌、沙发、 电绝缘件。5、拉挤成型（Pultrusio n）概要主要采用玻璃纤维无捻粗纱（使用前预先放置在 纱架上），它提供纵向（沿生产线方向）增强。其它类型的增强有连续原丝毡、织物等，它们补 充横向增强，表面毡则用于提高成品表面质量。 树脂中可加入填料，改进型材料性能（如阻燃）， 并降低成本。拉挤成型的程序是1）使玻璃纤维增强材料浸渍树脂；2）玻璃纤维预成型后进入加热模具内，进一步 浸渍（挤胶）、基本树脂固化、复合材料定型；3）将型材按要求长度切断。 现在已有变截面的、 长度方向呈弧型的拉挤制品成型技术。 拉挤成

15、 型将增强材料浸渍树脂有两种方式：胶槽浸渍法：通常采用此法，即将增强材料通过 树脂槽浸胶，然后进入模具。此法设备便宜作业 性好，适于不饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂。注入浸渍法（图6）：玻纤增强材料进入模具后， 被注入模具内的树脂所浸渍。此法适于凝胶时间 短、粘度高、生产附产物的树脂基体，如酚醛、 环氧、双马来酰亚胺树脂。（2）原材料树脂：常用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基 酯树脂、酚醛树脂；纤维：拉挤用玻璃纤维无捻粗纱、连续毡、缝编 毡、缝编复合毡、织物、玻纤表面毡、聚酯纤维 表面毡等；芯材：一般不用，现有以PU发泡材料为芯材， 外为连续拉挤框型型材，作为保温墙板的。（3）优点1）典型拉挤速度

16、0.5-2m/min，效率较高，适于 大批量生产，制造长尺寸制品；2）树脂含量可精确控制；3）由于纤维呈纵向，且体种比可较高 （40%-80% ），因而型材轴向结构特性可非常好；4）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；5）制品质量稳定，外观平滑。（4）缺点1）模具费用较高；2）一般限于生产恒定横截面的制品。（5）典型产品建筑屋顶横梁、椽子、门窗框架型材、墙板、石 油开采抽油杆、帐篷竿、梯子、桥梁、工具把、 手机微波站罩壳、汽车板簧、传动轴、电缆管、光纤光缆芯、钓鱼竿、隔栅、汽车空调器罩、扩轨罩。01x p* V6、真空袋法法成型（Vacuum bag

17、process）（1）概要：此法是手糊法与喷射法的延伸。将手糊或喷射好 的积层在树脂的A阶段与模具在一起，在积层 上覆以橡胶袋，周边密封，在后用真空泵抽真空， 积层从而受到不大于1个气压的压力，而被压实、 成型。（2）原材料树脂：主要采用环氧树脂、酚醛树脂。不饱和聚 酯树脂与乙烯基酯树脂则因真空泵将树脂中的 苯乙烯（交联剂）过度抽出，可能会造成问题， 故一般不用；纤维：同手糊法；芯材：任意。（3）优点1）采用普通的湿法铺层技术，通常可获得高纤 维含量的制品；2）可制造大尺寸产品；3）产品两面光；4）较湿法铺层浸胶孔隙率低；5）由于压力，树脂流经结构纤维，纤维得以较好地浸渍树脂；6）有利于操作人

18、员健康和安全；真空袋减少了 固化时逸出的挥发性物质。（4）缺点1）额外的工艺过程增加了劳动力和袋材成本；2）要求操作人员有较高的技术熟练水平；3）树脂混合和含量控制基本上仍然取决于操作 人员的技术；4）生产效率不高。（5）典型产品艇、赛车、芯材粘结、飞机鼻锥雷达罩、机翼、 方向舵。7、树脂膜熔浸成型（RFI-Resin Film Infusion）（1）概要将干强物与树脂片（树脂片系放在一层脱模纸上提供）交替铺放在模具内。铺层被真空袋包覆，藉真空泵抽真空，将干织物内空气抽出。然后加 热，令树脂熔化并流浸已抽出空气的织物， 然后 经过一事实上时间即固化。（2）原材料树脂：一般仅用环氧树脂；？纤维

19、：任意；芯材：许多种芯材都可以使用，由于工艺过程中 温度高，对PVC泡沫需要专门处理，以免泡沫 损坏。（3）优点1）空隙率低，可精确获得高的纤维含量；2） 铺层清洁，有利于健康和安全（似预浸）；3）可较预浸法成本低，此为主要的优点；4）由于树脂仅能过织物厚度方向传递，故树脂 未浸到白斑区可较SCRIMP（西曼复合材料公司 树脂参入成型法一Seeman Composite ResinIn fusio n Moldi ng Process） 少。（4）缺点1）目前仅用于宇航工业，还未推广；2）虽然宇航工业用高压釜系统产非总是需要，但加热室和真空袋系统对于复合材料固化，总是 不可少的；3）模具要求能

20、经受树脂膜片的工艺温度（低温固化即需60-100 cC）；4）要求所用芯材能经受工艺温度和压力；（5）典型产品飞机雷达罩、舰艇声纳整流罩。&预浸料（高压釜）成型（1）概要预先在加热、加压或使用溶剂的条件下，将织物 和（或）纤维预先用预催化树脂预浸渍。固化剂 大多能在环境温度下，让预浸材料贮存几周或几 个月，仍能保质使用。当要延长保持期，材料须 在冷冻条件下贮存。树脂通常在环境温度下呈临 界固态。故触摸预浸材料时有轻微的黏附感，象 胶带似的。制作单向预浸渍材料的纤维直接由纱 架下来，与树脂结合。预浸渍材料用手或机械铺 于模具表面，通过真空袋抽真空，并通常加热到 120-180 CC。使树脂重新流

21、动，并最终固化。盛 开附加压力通常藉助高压釜（实际上是一座压力 加热罐）提供，它能对铺层施加达 5个大气压的 压力。（2）原材料树脂：通常用环氧树脂，不饱和聚酯树脂、酚醛 树脂及高温树脂，如聚酰亚胺、氰酸酯、双马来 酰亚胺树脂等；纤维：任意。虽然由于在工艺过程中，高温分对 芯材有些影响，需要采用某些专门的泡沫芯材。（3）优点1）预浸材料制造人员可精确地调整树脂/固化剂 水平和树脂在纤维中的含量；可以可靠地得到高 纤维含量。2）材料于操作人员十分安全，无碍健康，操作 清洁；3）单向带纤维成本最低，因为毋须将纤维预先 转为织物的二次加工过程；4）由于制造过程采用可渗透的高粘度树脂，树脂化学性能力学

22、和热性能可以是最适宜的；5）材料有效时间长（室温下可保质数月），这意味着可优化结构、复合材料易铺层；6）可能实现自动化和节省劳动力。（4）缺点1）对于预浸织物，材料成本高；2）通常要对高压釜固化复合材料制品，耗费大、 作业慢、制品尺寸受限制；3）模具需能承受作业温度；4）芯材需要承受作业温度和压力。（5）典型产品飞机结构复合材料（如机翼和尾翼）、卫星与运 载火箭结构件（太阳能电池基板、夹层结构板、 卫星接口支架、火箭整流罩等）、赛车、运动器 材（如网球拍、滑雪板等）。9、低温固化预浸料成型（1）概要低温固化预浸料完全按通常的预浸料方法制备， 但树脂的化学性质使其得以在60-100 0C温度下

23、固化。在600C时，材料可操作保持期可小到限 于1个星期，但亦可延长到几个月。树脂系统的流动截面适于采用真空袋压力，避免采用高压（2）材料|树脂：一般仅采用环氧树脂；纤维：任意，同通常的预浸料；芯材：任意，虽然一般 的PVC泡沫需要特别注、/ :意、。（3）优点1）具有传统预浸料法所具备的（1）-（ 6）条优 占八、J2）模具材料较便宜，如木材亦可用，因其固化 温度较低故；3）可容易地制造大型结构。因为仅需真空袋压力；固化温度低，可采用简单的热空气循环加热 室（经常就地建造大于制品的加热室）4）可采用普通的PVC泡沫芯材，略作处理即可；5）能耗低。（4）缺点1）材料成本仍高于预浸织物；2）需加

24、热室和真空袋系统，以固化制品；3）模具需能经受高于环境温度的温度（常用60-100 cC）；4）仍有能耗，因需高于环境温度固化。（5）典型产品高性能风力发电机叶片、赛艇、救生艇、火车用 零部件。10、SCRIMP,RIFT,VARTM图 11 SCRIMP,RIFT,VARTM 示意图（1）概要SCRIMP （ Seeman CompositeInfusionMoldi ng Process 西曼复合材料公司树脂渗 透成 型法）,RIFT （ Res in In fusi on umder Flexibe Tooling 柔性模具树脂渗透 法）,VARTM （ Vscuum Assisted

25、Tran sfer Moldi ng 真空辅助树脂传递成型）这三种工艺 原理相似。将织物作为干铺层材料入模内，如同 RTM。然 后覆以剥离保护层和缝编非结构织物。 整个铺层 用真空袋覆罩好。袋无渗漏后，让树脂流到积层。 树脂很容易流经非结构织物而在整个铺层分布。 SCRIMP法在真空袋与铺层之间可置加压模块， 利于提高制作表观与结构密实度。（2）材料树脂：常和环氧树脂、不饱和聚酯和乙烯基酯树 脂；纤维：任意种类普通织物。这些工艺方法缝编材 料很好用，因其间隙使得树脂快速流动；芯材：除蜂窝外，各种芯材均可用。（3）优点1）同RTM，但制品仅一面光，不似 RTM两面 光；2）由于模具一半是真空袋，主模具仅需较低强 度，故模具成本甚低；3）可制造大尺寸产品；4）通常的湿法铺层工具可改进以用于这些成型 法；5）次作业即可生产芯材结构。（4）缺点1）要完成好相对复杂的操作过程；2）树脂粘度必须非常低，限制了制品的力学性 能；3）铺层未浸到树脂而造成的废品浪费甚大；4）SCRIMP的一些工艺要素已被专利所限。（5）典型产品小艇半成品、列车和卡车车身面板。