拉挤成型环氧复合材料型材
一、概述
拉挤成型工艺是将浸渍过树脂胶液的连续玻纤束和其他连续增强材料如玻璃布带、聚酯表面毡等在牵引力的拉拔下，通过成型模具的挤压，并在模具中和固化炉中受热固化成型玻璃钢型材的方法。也称为连续拉挤成型工艺。主要生产管、棒、异型材、板等玻璃钢型材。
拉挤成型工艺的优点是：设备简单，造价低，生产率高，便于形成自动化生产线，产品质量稳定；能充分发挥增强材料作用，力学性能高，特别是纵向的强度和模量；原材料的有效利用率高，基本上无边角废料；型材的纵向和横向强度可以调整，以适应不同使用要求；其长度可按需要切割。拉挤成型玻璃钢制品主要用于：
1)电工领域是目前应用多的领域，是发展的重点之一。如变压器空气导管定位棒、高压绝缘子芯棒、高压电缆保护管、电缆架、绝缘梯、绝缘杆、电杆、轨道护板、电缆分线架、电机零部件等。
2)化工防腐领域是近几年发展快的领域。典型产品如：管网支撑结构，抽油杆，井下压力管道，废水处理设备，化工挡板，化工、石油、造纸、冶金等工厂内的栏杆、楼梯、平台扶手、格栅地板等。
3)建筑结构领域主要用于轻型结构、高层结构物的上层结构或特种用途结构。如活动房结构、门窗结构用型材、桁架、轻型桥梁、栏杆、帐篷支架、吊顶结构、大硼结构等。
4)运动娱乐领域如钓鱼杆、曲棍球棒、滑雪板、撑杆跳杆，弓箭等。
5)运输领域如汽车货架、卡车构架、冷藏车厢、汽车簧板、行李架、、保险杆、甲板、电气火车轨道护板等。
6)能源领域主要用于太阳能收集器支架、风力发电机叶片、油井用导管等。
7)航空航天领域如飞机和宇宙飞船天线绝缘管，飞船用电机零部件，飞机复合材料工字梁、槽形梁和方形梁，飞机的拉杆、连杆等。
二、原材料(二)
2、增强材料
拉挤成型工艺中应用多的增强材料是连续玻璃纤维无捻粗纱及其连续状态的织物(毡、布、布带等)，还有聚酯纤维表面毡，碳纤维，芳纶纤维及它们的混合纤维。
(1)玻璃纤维及其织物环氧拉挤制品常用的是通用型玻纤无捻粗纱、毡、布和布带。玻纤无捻粗纱又分为合股原丝，直接无捻粗纱和膨体无捻粗纱三种，其中直接无捻粗纱具有集束性好，易浸透，制品力学性能好等优点，应用较多。环氧树脂行业协会介绍说，主要产品如我国九江玻纤厂的E玻纤无捻粗纱4800Tex，美国OCF公司的S2玻纤无捻粗纱449和463等。已研制出两种拉挤工艺专用无捻粗纱Mock spun roving“吹纺型”无捻粗纱和Spun roving“旋纺型”无捻粗纱，但未得到广泛应用。实际上广泛采用的是连续纤维原纱毡与通用型无捻粗纱的组合。前者提供适当的横向强度。后者提供纵向强度及模量，有时还可添加一些玻璃布带。
在玻纤毡中应用多的是连续原丝毡，它是由若干层呈圈状随机铺放的连续纤维组成的，纤维之间用粘接剂粘结。玻纤毡由于质量分布不很均匀(随机铺放)，因此制品的表观质量及力学性能均受影响。针对此缺点，近开发出一类定向增强织物，即单向(经向或纬向)增强织物和双向增强织物。其经向和纬向纤维不是相互交织，而是用另一种编织材料将它相互缠绕而成。所以经向和纬向纤维都处于准直状态不形成弯曲，从而使拉挤制品的纵向及横向强度和模量都比无捻粗纱和连续毡构成复合材料高得多。
玻璃纤维表面毡是将定长短切原丝随机均匀铺放，并用粘接剂粘结成很薄的毡，厚度为0.3～0.4mm。它可以使制品表面光滑、美观、并能提高制品的耐老化性能。
(2)聚酯纤维表面毡聚酯纤维表面毡在国外已广泛用于拉挤制品、玻璃钢管和罐、SMC制品及手糊玻钢制品的表面层，取代c玻纤表面毡，效果很好，成本也不高。拉挤制品常用的聚酯纤维表面毡如美国的Nexus 111-10和Nexus 131-10两种，都是有孔眼结构，大宽度为3657mm。采用Nexus表面毡不仅能改善制品的表观质量，而且能大大提高耐疲劳、抗冲击、防腐蚀和耐老化性能Nexus表面毡的贴敷性和拉伸性能都比c玻纤表面毡好得多。拉挤过程中很少产生断头，所以能减少停车，提高拉挤速度。还能减少模具磨损，提高模具的使用寿命。
(3)碳纤维、芳纶纤维及其织物主要用于高性能拉挤制品。常用的碳纤维是通用型碳纤维。如日本的T-300。芳纶纤维主要是芳纶1414。如美国的Kevlar49。也可采用碳纤维，芳纶及玻纤的混杂纤维。
3、其他助剂
粉状填料常用的有SiO2、CaCO3、滑石粉、硅灰粉、TiO2等，细度150-300目，用量10%～15%。
阻燃剂：为了提高阻燃性，除用阻燃树脂和阻燃固化剂外。还可采用活性及非活性阻燃剂如四溴双酚A，含水氧化铝等。
色料：通常采用无机颜料，用量0.5%～5%。应先配成溶液或糊状物再使用。
三、拉挤成型
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，立式和卧式，湿法和干法，履带式牵引和夹持式牵引，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。环氧拉挤成型的典型工艺是采用连续湿法卧式拉挤工艺(图9-24)，是由导纱、浸胶、预成型、固化成型，牵引和切割等工序组成。
预成型模的作用是使浸渍纤维能准确地按设计要求的位置进人成型模具，挤掉多余胶液，提高浸渍效果。预成型模截面尺寸应比成型模具大5%～10%，以保证含胶量比制品高一些。
成型模具的作用是实现坯料的压实、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600～1200mm。模腔光洁度要高以减少摩擦力，延长使用寿命，易于脱模。通常用电加热。环氧树脂行业协会专家表示，对高性能复合材料采用微波加热。模具人口处需有冷却装置，以防胶液过早固化。浸胶工序主要掌握胶液相对密度(黏度)和浸渍时间。其要求和影响因素与预浸料相同。
固化成型工序主要掌握成型温度、模具温度分布、物料通过模具的时间(拉挤速度)，这是拉挤成型工艺的关键工序。在拉挤成型过程中，预浸料穿过模具时产生一系列物理的、化学的和物理化学的复杂变化，迄今仍不很清楚。大体上讲按照预浸料通过模具时的状态，可把模具分成三个区域。增强材料以等速穿过模具，而树脂则不同。在模具入口处树脂的行为近似牛顿流体，树脂与模具内壁表面处的黏滞阻力减缓了树脂的前进速度，并随离模具内表面距离的增加，逐渐恢复到与纤维相当的水平。
预浸料在前进过程中，树脂受热发生交联反应，黏度降低，黏滞阻力增加，并开始凝胶，进入凝胶区。逐渐变硬，收缩并与模具脱离。树脂与纤维一起以相同的速度均匀向前移动。在固化区受热继续固化，并保证出模时达到规定的固化度。固化温度通常大于胶液放热峰的峰值，并使温度、凝胶时间和牵引速度相匹配。预热区温度应较低，温度分布的控制应使固化放热峰出现在模具中部靠后些，脱离点控制在模具中部。三段的温差控制在20～30℃，温度梯度不宜过大。还应考虑固化反应放热的影响。通常三个区域分别用三对加热系统来控温。
牵引力是保证制品顺利出模的关键。牵引力的大小取决于产品与模具间的界面剪应力。剪应力随牵引速度的增加而降低，并在模具的入口处、中部和出口处出现三个峰值。人口处的峰值是由该处树脂的黏滞阻力产生的。其大小取决于树脂黏性流体的性质、入口处温度及填料含量。在模具内树脂黏度随温度升高而降低，剪应力下降。随着固化反应的进行，黏度及剪应力增加。第二个峰值与脱离点相对应，并随牵引速度的增加，大幅度降低。第三个峰值在出口处，是制品固化后与模具内壁摩擦而产生的，其值较小。牵引力在工艺控制中很重要。要使制品表面光洁，则要求脱离点处的剪应力(第二个峰值)小，并且尽早脱离模具。牵引力的变化反应了制品在模具中的反应状态，并与纤维含量、制品形状和尺寸、脱模剂、温度、牵引速度等有关。
四、拉挤成型中常出现的缺陷及原因分析
(1)粘模，甚至把制品拉断。原因是纤维及填料量少；内脱模剂效果不好或太少；固化度太低。
(2)起鳞，表面光洁度差。原因是脱离点剪应力太大，产生爬行蠕动；脱离点太超前于固化点。
(3)固化不均匀，不稳定或不完全。原因是牵引速度太快；温度波动或太低；制品太厚；固化时间太短。
(4)制品表面不平整，有沟痕。纤维含量低，局部含纱量太少；粘模、模具划伤。
(5)白斑。表面是毡的制品常出现局部发白或露有白纱现象。原因是浸溃不好，毡层过厚或毡本身性能不好；有杂质混入，在毡层间形成气泡；表面树脂层太薄。
(6)裂纹。表面树脂层过厚易产生表层裂纹；固化不均易产生较深的裂纹。
(7)表面起毛。原因是：纤维过多；树脂与纤维粘结不良，偶联剂效果差。
(8)表面起皱，破碎。表面树脂层过厚；成型压力小；纤维含量太少。
(9)制品弯曲、扭曲变形。原因是固化不均匀，产生内应力所致；制品中材料分布不均，导致固化收缩不匀；出模时制品未完全固化，在牵引力作用下变形。
(10)缺边角。原因是纤维含量不足；下模配合精度差或已划伤，造成合模面上固化物粘结、积聚，导致制品缺角、缺边。
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拉挤成型工艺是将浸渍过树脂胶液的连续玻纤束和其他连续增强材料如玻璃布带、聚酯表面毡等在牵引力的拉拔下，通过成型模具的挤压，并在模具中和固化炉中受热固化成型玻璃钢型材的方法。也称为连续拉挤成型工艺。主要生产管、棒、异型材、板等玻璃钢型材。
拉挤成型工艺的优点是：设备简单，造价低，生产率高，便于形成自动化生产线，产品质量稳定；能充分发挥增强材料作用，力学性能高，特别是纵向的强度和模量；原材料的有效利用率高，基本上无边角废料；型材的纵向和横向强度可以调整，以适应不同使用要求；其长度可按需要切割。拉挤成型玻璃钢制品主要用于：
1)电工领域是目前应用多的领域，是发展的重点之一。如变压器空气导管定位棒、高压绝缘子芯棒、高压电缆保护管、电缆架、绝缘梯、绝缘杆、电杆、轨道护板、电缆分线架、电机零部件等。
2)化工防腐领域是近几年发展快的领域。典型产品如：管网支撑结构，抽油杆，井下压力管道，废水处理设备，化工挡板，化工、石油、造纸、冶金等工厂内的栏杆、楼梯、平台扶手、格栅地板等。
3)建筑结构领域主要用于轻型结构、高层结构物的上层结构或特种用途结构。如活动房结构、门窗结构用型材、桁架、轻型桥梁、栏杆、帐篷支架、吊顶结构、大硼结构等。
4)运动娱乐领域如钓鱼杆、曲棍球棒、滑雪板、撑杆跳杆，弓箭等。
5)运输领域如汽车货架、卡车构架、冷藏车厢、汽车簧板、行李架、、保险杆、甲板、电气火车轨道护板等。
6)能源领域主要用于太阳能收集器支架、风力发电机叶片、油井用导管等。
7)航空航天领域如飞机和宇宙飞船天线绝缘管，飞船用电机零部件，飞机复合材料工字梁、槽形梁和方形梁，飞机的拉杆、连杆等。
二、原材料(二)
2、增强材料
拉挤成型工艺中应用多的增强材料是连续玻璃纤维无捻粗纱及其连续状态的织物(毡、布、布带等)，还有聚酯纤维表面毡，碳纤维，芳纶纤维及它们的混合纤维。
(1)玻璃纤维及其织物环氧拉挤制品常用的是通用型玻纤无捻粗纱、毡、布和布带。玻纤无捻粗纱又分为合股原丝，直接无捻粗纱和膨体无捻粗纱三种，其中直接无捻粗纱具有集束性好，易浸透，制品力学性能好等优点，应用较多。环氧树脂行业协会介绍说，主要产品如我国九江玻纤厂的E玻纤无捻粗纱4800Tex，美国OCF公司的S2玻纤无捻粗纱449和463等。已研制出两种拉挤工艺专用无捻粗纱Mock spun roving“吹纺型”无捻粗纱和Spun roving“旋纺型”无捻粗纱，但未得到广泛应用。实际上广泛采用的是连续纤维原纱毡与通用型无捻粗纱的组合。前者提供适当的横向强度。后者提供纵向强度及模量，有时还可添加一些玻璃布带。
在玻纤毡中应用多的是连续原丝毡，它是由若干层呈圈状随机铺放的连续纤维组成的，纤维之间用粘接剂粘结。玻纤毡由于质量分布不很均匀(随机铺放)，因此制品的表观质量及力学性能均受影响。针对此缺点，近开发出一类定向增强织物，即单向(经向或纬向)增强织物和双向增强织物。其经向和纬向纤维不是相互交织，而是用另一种编织材料将它相互缠绕而成。所以经向和纬向纤维都处于准直状态不形成弯曲，从而使拉挤制品的纵向及横向强度和模量都比无捻粗纱和连续毡构成复合材料高得多。
玻璃纤维表面毡是将定长短切原丝随机均匀铺放，并用粘接剂粘结成很薄的毡，厚度为0.3～0.4mm。它可以使制品表面光滑、美观、并能提高制品的耐老化性能。
(2)聚酯纤维表面毡聚酯纤维表面毡在国外已广泛用于拉挤制品、玻璃钢管和罐、SMC制品及手糊玻钢制品的表面层，取代c玻纤表面毡，效果很好，成本也不高。拉挤制品常用的聚酯纤维表面毡如美国的Nexus 111-10和Nexus 131-10两种，都是有孔眼结构，大宽度为3657mm。采用Nexus表面毡不仅能改善制品的表观质量，而且能大大提高耐疲劳、抗冲击、防腐蚀和耐老化性能Nexus表面毡的贴敷性和拉伸性能都比c玻纤表面毡好得多。拉挤过程中很少产生断头，所以能减少停车，提高拉挤速度。还能减少模具磨损，提高模具的使用寿命。
(3)碳纤维、芳纶纤维及其织物主要用于高性能拉挤制品。常用的碳纤维是通用型碳纤维。如日本的T-300。芳纶纤维主要是芳纶1414。如美国的Kevlar49。也可采用碳纤维，芳纶及玻纤的混杂纤维。
3、其他助剂
粉状填料常用的有SiO2、CaCO3、滑石粉、硅灰粉、TiO2等，细度150-300目，用量10%～15%。
阻燃剂：为了提高阻燃性，除用阻燃树脂和阻燃固化剂外。还可采用活性及非活性阻燃剂如四溴双酚A，含水氧化铝等。
色料：通常采用无机颜料，用量0.5%～5%。应先配成溶液或糊状物再使用。
三、拉挤成型
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，立式和卧式，湿法和干法，履带式牵引和夹持式牵引，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。环氧拉挤成型的典型工艺是采用连续湿法卧式拉挤工艺(图9-24)，是由导纱、浸胶、预成型、固化成型，牵引和切割等工序组成。
预成型模的作用是使浸渍纤维能准确地按设计要求的位置进人成型模具，挤掉多余胶液，提高浸渍效果。预成型模截面尺寸应比成型模具大5%～10%，以保证含胶量比制品高一些。
成型模具的作用是实现坯料的压实、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600～1200mm。模腔光洁度要高以减少摩擦力，延长使用寿命，易于脱模。通常用电加热。环氧树脂行业协会专家表示，对高性能复合材料采用微波加热。模具人口处需有冷却装置，以防胶液过早固化。浸胶工序主要掌握胶液相对密度(黏度)和浸渍时间。其要求和影响因素与预浸料相同。
固化成型工序主要掌握成型温度、模具温度分布、物料通过模具的时间(拉挤速度)，这是拉挤成型工艺的关键工序。在拉挤成型过程中，预浸料穿过模具时产生一系列物理的、化学的和物理化学的复杂变化，迄今仍不很清楚。大体上讲按照预浸料通过模具时的状态，可把模具分成三个区域。增强材料以等速穿过模具，而树脂则不同。在模具入口处树脂的行为近似牛顿流体，树脂与模具内壁表面处的黏滞阻力减缓了树脂的前进速度，并随离模具内表面距离的增加，逐渐恢复到与纤维相当的水平。
预浸料在前进过程中，树脂受热发生交联反应，黏度降低，黏滞阻力增加，并开始凝胶，进入凝胶区。逐渐变硬，收缩并与模具脱离。树脂与纤维一起以相同的速度均匀向前移动。在固化区受热继续固化，并保证出模时达到规定的固化度。固化温度通常大于胶液放热峰的峰值，并使温度、凝胶时间和牵引速度相匹配。预热区温度应较低，温度分布的控制应使固化放热峰出现在模具中部靠后些，脱离点控制在模具中部。三段的温差控制在20～30℃，温度梯度不宜过大。还应考虑固化反应放热的影响。通常三个区域分别用三对加热系统来控温。
牵引力是保证制品顺利出模的关键。牵引力的大小取决于产品与模具间的界面剪应力。剪应力随牵引速度的增加而降低，并在模具的入口处、中部和出口处出现三个峰值。人口处的峰值是由该处树脂的黏滞阻力产生的。其大小取决于树脂黏性流体的性质、入口处温度及填料含量。在模具内树脂黏度随温度升高而降低，剪应力下降。随着固化反应的进行，黏度及剪应力增加。第二个峰值与脱离点相对应，并随牵引速度的增加，大幅度降低。第三个峰值在出口处，是制品固化后与模具内壁摩擦而产生的，其值较小。牵引力在工艺控制中很重要。要使制品表面光洁，则要求脱离点处的剪应力(第二个峰值)小，并且尽早脱离模具。牵引力的变化反应了制品在模具中的反应状态，并与纤维含量、制品形状和尺寸、脱模剂、温度、牵引速度等有关。
四、拉挤成型中常出现的缺陷及原因分析
(1)粘模，甚至把制品拉断。原因是纤维及填料量少；内脱模剂效果不好或太少；固化度太低。
(2)起鳞，表面光洁度差。原因是脱离点剪应力太大，产生爬行蠕动；脱离点太超前于固化点。
(3)固化不均匀，不稳定或不完全。原因是牵引速度太快；温度波动或太低；制品太厚；固化时间太短。
(4)制品表面不平整，有沟痕。纤维含量低，局部含纱量太少；粘模、模具划伤。
(5)白斑。表面是毡的制品常出现局部发白或露有白纱现象。原因是浸溃不好，毡层过厚或毡本身性能不好；有杂质混入，在毡层间形成气泡；表面树脂层太薄。
(6)裂纹。表面树脂层过厚易产生表层裂纹；固化不均易产生较深的裂纹。
(7)表面起毛。原因是：纤维过多；树脂与纤维粘结不良，偶联剂效果差。
(8)表面起皱，破碎。表面树脂层过厚；成型压力小；纤维含量太少。
(9)制品弯曲、扭曲变形。原因是固化不均匀，产生内应力所致；制品中材料分布不均，导致固化收缩不匀；出模时制品未完全固化，在牵引力作用下变形。
(10)缺边角。原因是纤维含量不足；下模配合精度差或已划伤，造成合模面上固化物粘结、积聚，导致制品缺角、缺边。
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