玻璃钢制品的成型方法

　　这里指的“玻璃钢制品”是用玻璃纤维增强聚酯树脂的制品，也就是“聚酯玻璃钢”制品。随着不饱和聚酯树脂应用领域的不断扩大，其纤维增强的工艺也日益改进和发展。本章将具体介绍纤维增强聚酯的各种成型方法。
　　玻璃钢成型工艺的发展经历了一个过程。开始时是手糊成型。由于不饱和聚酯树脂可以常温低压成型，模具简单，操作方便，用手工就可以制得不同尺寸、不同构形、不同特性的制品，因此简单的手糊成型方法一开始就有了很大的发展。在发达，石油化工发展较早，为树脂提供了价廉的原料。不饱和聚酯树脂的价格较低，因玻璃纤维的价格偏高，所以主要是采用短切纤维毡。玻璃钢中玻璃纤维吉量一般为25％～35％，增强效果良好。但手糊法生产效率低，劳动强度大，产量和质量在很大程度上取决于手工操作技艺。这种生产方法是落后的，于是随着生产的发展出现了喷射成型工艺。
　　喷射成型是在手糊成型基础上改进的，在工艺上还是维持了室温、低压、接触成型的条件，只是用短切喷枪将玻璃纤维短切，同时将已引发的树脂和纤维一起喷射到模具表面上，达到所要求的厚度为止。以后喷射成型逐渐代替手糊成型，成为玻璃钢的主要成型方法。至今，喷射与手糊这两种接触成型方法在玻璃钢生产中仍占很重要的地位。因为其工艺设备简单，方法灵活，需要金属镶嵌件时可以预埋；在高应力部位可以加强；为提高制品的刚度又可放加强筋等，因为适应性很强，可以连续施工制造大面积和复杂构形的制品。但采用这两种接触成型方法生产周期长，聚酯在常温下凝胶速度不快，制品一般要经过6~24h才能脱模，模具周转太慢，产品质量不易稳定，于是进一步出现了机械化的生产方法。

　　玻璃钢制品工艺向机械化方向发展，主要是在树脂固化过程中加以压力，保证产品质量；提高环境温度，使之快速固化。由此出现了各种不连续生产的机械化成型方法。包括袋压成型、注塑成型、模压成型、纤维缠绕成型以及离心成型等。在各种成型方法中又产生了不同的工作形式。例如袋压成型有真空袋压成型和气压袋压成型；注塑成型有真空注射成型与非真空注射成型；模压成型有热压成型、冷压成型以及移模成型等。各种成型方法的发展完全改变了玻璃钢工业的面貌，使生产效率与产品质量有了很大提高。
　　在机械化生产方法中，对于有规则断面构形的型材的生产，与轧钢生产相似，可以进行自动化的连续生产。于是出现了适应各种断面形式的连续板材生产线和连续棒材、管材的拉挤生产线。
　　各种玻璃钢成型工艺的特点对比见表14-1。
　　在，绝大部分玻璃钢厂的生产还处于用粗格子布进行手糊成型的初级阶段，因为石油化学工业的发展较迟，致使树脂的价格偏高，而玻璃纤维产品中的中碱玻璃纤维制品价格较低。用单一的粗格子布增强聚酯时，玻璃纤维古量可增加到45％～55％，有利于降低玻璃钢的成本。但这种多层粗格子布叠合糊制的玻璃钢层合制品在结构上是不合理的。其树脂含量不足，层间结合力低，在树脂固化收缩过程中必然会形成玻璃钢结构内部的气泡、间隙与分层等缺路。加之，有些厂生产技术水平不高，工艺要求不严，加工制作粗糙，因而严重影响了部分产品的质量。这种情况应加以克服和改进。另一方面，玻璃钢的机械化与半机械化生产方法在已有了良好的基础，有些工厂和科研单位生产了高水平、高质量的纤维增强制品。喷射成型已开始在国内使用，自动化生产线也已开始建设投产。因此。玻璃钢生产工艺与设备技术水平在不长的时期内可以赶上先进水平。

　１　接触成型

　　接触成型指的是树脂用玻璃纤维增强后，在其固化过程中，仅靠接触压力和常温或稍低升温下就可以成型。其应用甚为普遍，可制作各种大、中、小型制品、如船壳、车身、建筑板材、化工贮罐、机器外壳等，适于小批量、多品种生产。其模具简单，接触模具的制品表面单面光滑。制品壁厚一般为2～10mm。需要更大厚度时也可以做到，但不宜小于2mm。

　　1.1　模具准备和胶衣

　　在接触成型工艺中，无论是手糊成型还是喷射成型，其层合程序与所用模具都是相同的。典型的层合结构见围14-1。常用的模具是玻璃钢模具．制造模具所用的树脂为模具级聚酯树脂或工具级聚酯树脂。模具寿命一般为500～1000次脱模。其他还有环氧模具、木模、石膏模、金属模等。金属模的脱模次数很高，但成本也很高。

　　在使用模具之前，模具表面必须被覆好蜡层。蜡层不含有机硅烷。一个新模具要被覆2～5层蜡，达到足够厚度，而且每层都要擦亮。然后再被覆脱模剂，如聚乙烯醇。聚乙烯醇可用喷覆，或用海绵涂覆，不能用刷子。脱模剂应上两层，每层都要仔细涂满模具表面，没有露漏点。该阶段操作要仔细．如果脱模剂投有涂满，将会造成胶衣上的缺陷，以致粘模。采用聚乙烯醇脱模使产品与模具容易分离，而且可以用水洗去模具和制品上黏附的脱模剂。
　　模具上被覆好脱模剂后，必须完全干燥，然后用刷子或喷射将胶衣树脂被覆上去。如用刷子，一般用长软毛的刷子刷两层，要注意不产生刷痕，等层完全固化后立即刷第二层。用喷枪时可以一次喷覆达到充分厚度。在选用胶衣树脂时，要分别选用手糊或喷射用的胶衣树脂，两者主要是触变程度不同。终胶衣厚度为0.3～0.6mm(400～500g／m²)。胶衣树脂浇铸块的凝胶时间在15min左右。胶衣被覆后，在凝胶过程中会挥发出苯乙烯，应将其抽走，这不仅有利于环境的空气状况，也有利于确保胶衣的均匀凝胶。凝胶到达程度可用手指接触试探，如感觉还粘手但已不易移动，就已适合做下一层被覆。
　　必要时可用表面毡增强胶衣。在胶衣被覆完时，仍处于湿态下立即将表面毡铺上去，并用小压辊轻轻辊压将气泡排除干净。加表面毡于胶衣中虽可增强胶衣层，但不利于外观质量。如制品使用于潮湿环境及化学侵蚀条件下，就应使用纯净的胶衣层。胶衣层中加表面毡后，有利于与层树脂的粘接，故在纯净的胶衣层上面再铺以表面毡增强的富树脂层，对在潮湿环境及化学侵蚀条件下使用是有利的。
　　在胶衣被覆操作中，如果胶衣厚度不足，可能造成苯乙烯挥发过多，胶衣树脂不能固化而只是干燥，结果制品表面质量差。如不等层胶衣固化就刷第二层胶衣，可能会产生表面皱纹。若胶衣太厚，则脱模后几个月内胶衣会产生微裂纹，以致开裂。当制品背面受冲击时，更易出现表面胶衣层的开裂。

　　1.2　手糊铺层

　　胶衣达到一定的凝胶程度后，即用刷子、胶辊或喷枪均匀地被覆上一层树脂。在树脂上铺一层短切玻璃纤维毡，一般可用300g／m²以下的毡。必要时也可先铺一层表面毡，以增加一层富树脂层。但表面毡较贵，故仅用于要求表面质量高以及要求耐水、耐化学腐蚀等产品中。层树脂量要足够，使玻璃纤维毡能够湿透。町以用压辊轻压滚动，将覆舍层中的潜伏空气挤出，排除干净。在模具角上可将玻璃纤维毡切开，使角部被覆密实。层合压辊的形式有多种，图14-2所示为普通的一种，可用铝合金加工成整体辊子，或将小圆片以一定间隔串联于一个轴上制成。在短切纤维毡层中，树脂与玻璃纤维的比例约为2:1。经辊压赶出空气后，需待该层铺覆材料凝胶，然后再继续铺层。

　　如制品面积较大，一片玻璃毡宽度不够时，可以拼接另一片毡，但拼接要密实，接缝处要用毛刺刷子将两片毡的纤维互相刷开，使纤维均匀交叉成为一体。或者使两片毡叠合30mm。不同层的接缝应错开，不能在一处，以免接缝处形成弱点，或厚度增大。为了使用方便，可先做出样板，按样板切割下玻璃纤维毡，然后进行铺层。
　　往下各层短切毡的铺层方法同前。每一层都必须做到密实。如用粗格于布，可以与毡交替叠层。有些被玻璃纤维厂直接生产粗格子带与短切毡缝合在一起的产品，铺层更为方便。并防止把两层粗格子布直接叠合的缺陷。用粗格子布可以使层合结构的强度和硬挺度增加，但不易彻底浸透树脂，也不容易与模具构形贴合，故不宜重叠使用。
　　如制品厚度较大时，可以分阶段铺层，使各阶段树脂分别固化，再逐层向下铺覆，以免树脂放热积聚，使制品翘曲、变色或表面发生变形。
　　在铺层时要注意不可先放毡或布，然后向干的毡和布上倾倒树脂，并将树脂刮开。这样做很容易使空气潜伏于层合结构中，造成制品中的微气泡，以致分层等缺陷。正确的做法是先将树脂均匀被覆于模具表面，然后再铺玻璃纤维毡或布。好先将玻璃纤维毡或布浸透树脂，再铺覆到模具表面上去。总之，必须保证各层纤维浸透树脂，纤维与纤维问无气泡，层与层间也无气泡。
　　在铺覆增强芯材或加强筋时，应将其铺在湿的树脂上，然后将玻璃纤维毡和树脂覆盖上去．使之成为层合结构的整体部分。如用玻璃钢做加强筋时，也要先做好加强筋，在固化尚未完全时即将其紧紧结合在湿的树脂上，再铺以新的玻璃纤维毡和树脂，后达到尺寸要求。为防止加强筋周围树脂固化收缩造成胶衣的沉陷痕迹，可使层合结构先部分固化，然后再将加强筋覆合上去。
　　如制件上需要镶嵌金属件(以便与其他部件连接)时，应将金属镶嵌件埋入层舍结构的部分做成大头形、扁片形．并带有穿孔，以便结合牢固，玻璃钢部件在这种镶嵌部位应加厚并做成锥形断面，使荷载得以分散。
　　当制品要求尽可能两面光滑时，可在后一层短切毡铺覆的同时，再铺一层表面毡。如制品表面平整或曲面简单时，可以用一层聚酯薄膜或其他薄膜覆盖，并加辊压，将气泡赶到模具边缘，即可获得较平滑的表面。
　　在后一层玻璃毡铺覆完并部分固化后，常在顶面上再被覆一层着色树脂以起保护和装饰作用。
　　层合结构全部铺完后，经过部分固化尚未脱模时，制品已经定型，可以用刀子削边。此时树脂尚未充分固化，容易刀割，要争取时间削边修整好后才能脱模。如已经脱模，就很难刀削，只能用金刚砂轮或金刚石刃的刀具进行切边，修整要困难得多了。
　　制品保留在模具中，一般应固化几小时或过夜，然后才可脱模。如要加快脱模，可将模具放在60℃左右的烘炉中1h，然后取出，待冷却后，即可脱模。
　　手工脱模可用木槌将塑料楔子轻轻打入模具边缘，即可将制品脱出。塑料楔子有硬质、中等及软质3种，可适应不同制品脱模用，见图14-3。也可用压缩空气或将水注入模具与制品的缝隙中帮助脱模。水进入界面可将聚乙烯醇溶解，使界面分离。制品表面不应有任何与模具的粘接点，否则会造成胶衣破裂。脱模后，用水洗净制品及模具上的残余聚乙烯醇。

　　脱模后，制品如需后固化时，要在室温下放置24h，或在60℃下1h以后再进行后固化。后固化过程中，制品要支架平稳，防止变形。如系通用树脂，后固化可用80℃、3h。后固化时，层合结构中的气泡会显出，如出现在胶衣下面，则很难修理。
　　终产品中玻璃纤维含量为30％～35％。
　　手糊成型一般需要以下设备与工具。
　　(1)辊子  辊子可分两类：一类是树脂被覆辊；另一类是压实与排气辊。
　　①树脂被覆辊  用羊毛或马海毛制成，用以将树脂被覆于模具表面或中间铺层。
　　②层合辊   用以压实纤维并排气。层合辊有多种，包括下面6种辊。
　　硬毛辊  用鬃毛或尼龙丝做在聚丙烯棒或木芯上，制成毛辊。在辊压时，硬毛穿透纤维束，排除隐藏的气泡。
　　波纹辊  辊子被覆布层，做出凸凹波纹，可以压实并除气泡。
　　圆片辊  交替叠合大、小金属片或塑料垫片而成。可以压实层合纤维，包括边缘和角落。
　　锯齿辊  制法同圆片辊，只是大圆片外周开有锯齿，由被覆聚四氟乙烯或聚乙烯的铝片做成。
　　桨叶辊  铝辊，由纵向细肋片组成。可挤压纤维层使之很快湿透，排除气泡。
　　弹簧辊  在辊子纵向排有钢丝弹簧卷，表面有弹性，可压实弯曲面。
　　(2)刷子  用于被覆胶衣和树脂，特别适用于角落与边缘。
　　(3)引发剂分配器  引发剂分配器常用塑料挤出瓶，瓶盖上有一根伸出的管子，连到一个带有刻度的瓶子，小瓶刻度有2～15ml，大瓶刻度15～60ml。引发剂挤到瓶中，标明多少量，然后再挤出到树脂中。
　　(4)混合设备  混合设备为空气马达带动的搅拌器。可将预促进的树脂称量后放入桶中，再将引发剂放入桶中搅拌混合。由于树脂是低闪点材料，故好用空气马达带动搅拌机。

　　1.3　喷射铺层

　　胶衣层固化到适当程度后，也可以用喷射法铺短切玻璃纤维／树脂层。如需加表面毡时，可先用刷子、辊子或喷枪将树脂被覆于胶衣上，然后将预切割好的表面毡铺在湿树脂上，并仔细辊压，以排除隐藏的气泡。然后通过喷枪将纤维短切，并和树脂一起喷射到模具上。
　　喷枪的类型虽不同，但玻璃纤维短切部分的作用是相同的。将连续的无捻粗纱喂入喷枪附带的空气驱动的短切器，即被切断成一定长度(12～62mm)，并由喷枪喷出的树脂流股带送到模具表面。喷射设备有3种类型。
　　(1)引发剂注射型　树脂与引发剂分别用泵或压力罐的压力喂到喷枪，在喷嘴的小混合室中混合，然后进到喷头。树脂与引发剂是经准确计量的，引发剂量可按0.5％～5％(质量分数)范围调节。引发剂由压力罐系统在低压下送到喷抢，注射到树脂中。树脂加促进剂则用泵直接供应到喷枪，与引发剂混合。喷枪有1～2个喷嘴。单嘴喷桩适用于窄的、构形较复杂的部件，产量较低。双嘴喷枪用于面积大、构形不复杂的部件，产量较高。纤维切割的出口位于喷嘴上方，切断的纤维落入树脂同喷出。纤维到达模具表面前已浸泡树脂。喷枪还附设溶剂稀释系统，在停工时可以用溶剂洗涤混合室与喷嘴。喷枪由空气马选驱动，其示意见图14-4。

　　(2)引发剂喷射型　与引发剂注射型相似，所用喷枪有所不同。枪中不设混合室，引发剂离开喷嘴后，注射入树脂流股，喷射入树脂流中，在枪外混合。其优点是免除了丙酮冲洗喷头的工序，减少了起火危险。引发剂喷射型喷嘴工作原理见图14-5。

　　(3)复合喷射型　预促进与预引发的两种树脂分别喂入喷枪，在喷嘴口以预定比例一起喷射到模具表面，混合方式可以在喷嘴内或喷嘴外。玻璃纤维纱经切割后落入树脂流股中。为了精确掌握引发剂与促进剂用量，美围维纳斯(Venus)公司制造了树脂专用的比例泵，其结构原理见图14-6。喷射树脂用喷枪见图14-7。

　　玻璃纤维纱的短切原理都是采用刀口挤压折断的方法。有两个相对旋转的辊子，一个是橡胶覆面辊，一个是刀片辊，刀片沿辊子轴向，刀口将纤维压入橡胶层中，使纤维断面上内、外半侧各受压应力与拉应力而折断。刀口半径尺经使用一阶段后磨损增大，纤维与橡胶接触角φ也会因胶辊磨损而减小。R、φ值改变到一定程度时，不能保证折断纤维必需的拉应力和压应力，纤维即不能被切断．此时需要更新刀片或胶辊。短切辊作用原理见图14-8。

　　在开始喷射铺层之前，应先不含纤维喷少量树脂混合物到罐中，检查树脂的凝胶时间。再舍纤维检查树脂与纤维的比例。一般树脂对纤维的质量比波动于(2.5:1)～(3.5:1)之间。
　　铺层开始后，层聚酯树脂和玻璃纤维应喷得薄些(约1mm)。然后，先用短绒毛辊，再用金属层合辊仔细辊压，使引发剂和已促进的树脂混合均匀，并完全提透纤维，同时使气泡排除干净。树脂与玻璃纤维复合层与胶衣层要完全湿透，角、边上没有拱起，等层铺层先凝胶后再继续铺层。
　　以后每次树脂玻璃纤维铺层可铺2mm左右，用辊压排除气泡。若铺层超过2mm气泡不易排除。如此反复进行，达到要求厚度。在铺层时，将相邻层的喷射操作方向交换90°，可提高制品强度性能。
　　如需结合使用粗格子布以提高制品强度与硬挺度时，在铺粗格子布前要先喷足够量的树脂，然后再铺布并辊压，使树脂渗入纤维，并赶出气泡。玻璃布应预先切割好形状，并与喷射层交替叠合。不可将两层粗格子布叠合在一起，否则制品受弯时层间会产生剪应力而被破坏。
　　制品面积较大时，一次要喷满全部面积。制品厚度大时，需分阶段施工。各阶段之间要使树脂先凝胶，以防止过度放热。
　　如有加强筋、镶嵌件时，可在制品厚度已完成大部时将嵌入物放入混合树脂中，再喷上树脂和玻璃纤维，达到设计要求。
　　喷射速度一般掌握在每分钟喷2～10kg复合材料。
　　对于深的模具应采用抽风系统将苯乙烯挥发物抽走，以保证制品的均匀固化。
　　后一层铺覆后，用表面毡覆盖并辊压密实，可得到较平滑的富树脂表面层，再喷一层顶面树脂，使全部层合结构密封。
　　其他固化、修边、后固化以及脱模等与手糊法相同。

　　1.4　环境温度对树脂固化工艺的影响

　　接触成型一般在室温下进行，但随着气候的变化，室温也会随之变化。环境温度对树脂的固化过程有明显的影响。温度升高，凝胶与固化时间缩短，放热峰温度上升。反之，则凝胶与固化时间延长，放热峰温度降低。这一点对玻璃钢制品的制造及产品性能都将发生影响。采用过氧化环己酮与环烷酸钴、过氧化苯甲酰与二乙基苯胺、异丙苯过氧化氢与环烷酸钴3种不同的引发系统在不同环境温度下的固化工艺参数见表14-2。

　　环境温度变化对过氧化环己酮及过氧化苯甲酰引发的树脂的固化时间与放热峰温度影响曲线分别示于图14-9、图14-10。采用过氧化苯甲酰引发的树脂在不同环境温度下的放热曲线见图14-11。

　　由图14-9、图14-10可见，环境温度波动可能造成树脂固化时间的显著波动。温度由15℃上升到25℃，固化时间可缩短为1/3；再升到35℃时，固化时间缩短为1/7~1/8。放热峰温度变化也显著（图14-11），影响到制品的固化特性。为此，要保持产品的质量稳定，先建议保持车间温度在18~20℃，冬季应有采暖。空气湿度好低于70％，湿度过大，空气中水分会渗透到层合板结构中，造成潜在缺陷。环境温度超过20℃以上时，可相应降低引发剂合促进剂用量，或调整工艺条件进行生产。