浅谈玻璃钢的收缩变形及控制措施

南京合成材料厂    朱志仁

[摘　要]全文通过对玻璃钢制品收缩变形的原因分析，并采取相应的措施与简单计算，提出了克服收缩变形的初步意见，从而把这种变形控制在低限度之内，提高了玻璃钢制品的质量。

　　玻璃钢制品的收缩变形是生产中不可避免的，其程度的大小直接关系到产品质量的好坏，特别像手糊接触成型的一类制品，收缩变形会给产品带来先天不足。因此，如何根据玻璃钢制品的形状和结构基材特性，结合合理的工艺，并采取相应的技术措施，将收缩变形控制在低限度内，对提高玻璃钢制品的质量极为重要。

  一、收缩变形产生的原因

　　玻璃钢的变形是玻璃钢固有的特性决定的。玻璃钢中的树脂基体在固化剂的作用下，先由液态到凝胶，后到不溶不熔的固态，树脂在整个反应中释放出热能，反应完成后温度由峰值逐渐回落至环境温度，而固化后的树脂收缩变形就是因固化时的高温状态到冷却状态下产生的收缩量。
　　根据玻璃钢微观观力学理论和对算组分材料的定量测试可知，玻璃纤维与树脂基体的线膨胀系数是有区别的，前者线膨胀系数K_纤=5×10^-6/℃，后者如307^#聚酯K_糊=138×10^-5／℃(20～50℃)，两者相差36倍，所以当聚酯作为基体，玻璃纤维为增强材料，两者结合为一整体结构材料时，两材料又相互制约。现设原玻璃钢件长度为L。横截面面积为F，在轴向拉伸下伸长量为△L，这时树脂和纤维必定可样伸长△L，那么聚酯伸长使玻璃纤维承受拉力P₁，树脂之受压力P₁，两力大小相等方向相反，即P₁=P₂,如图1。

　　由材料虎克定律：

　　对于单向玻璃纤维增强的玻璃钢线膨胀系数有：

　　式中：
　　K_脂―树脂的线膨胀系数；
　　K_纤―玻璃纤维的线膨胀系数；
　　T―温度差(℃)
　　E_脂―树脂基体的弹性模量，307^#聚酯的E_脂=0.35×10⁵(kg／cm²)；
　　E_纤―玻璃纤维的弹性模量，一般E_纤=7×10⁵ (kg／cm²)
　　对于层合板：

　　式中：
　　m―玻璃布中经向纤维根数，
　　n―玻璃布中纬向纤维根数。
　　其它同上。
　　当选用307^#聚酯树脂为基体，1:1斜纹布(m／n=16／12)制成玻璃钢，则可得到下列计算结果。见表1。后又对其进行实测，结果在K=19～24×10^-6／℃范围内(经向)，与计算结果基本符合。

　　从表1看出，玻璃钢的纬向收缩变形要比经向大得多。并随着树脂含量升高变形量增大，为此另做一项实验，制做一块2000× 400×30毫米的板材，在长度方向上隔480毫米处画两行Ф20毫米的4处孔印，待脱模取出产品。测量孔的中心距离，结果都出现负偏差(纵、横两方向)。这正是制品的收缩变形引起的。
　　上述分析和实验说明，玻璃钢的线膨胀系数非均匀性是引起玻璃钢板材产生变形的根本原因所在。
　　同理对于曲面状的层合扳，用等拉刚度、等弯曲刚度按均质薄壳体进行近似计算，后可得到下述公式：

　　式中：
　　△d―壳体直径变形量
　　B―与壳体上的作用力矩、壳体几何尺寸及刚度有关的常数
　　R―壳体束发生变形前的半径值
　　T―温度(℃)
　　h―壳体厚度
　　α―夹角
　　其它同前，图形如图2。

　　由公式可看出，曲面形状的壳体，其收缩量与半径成正比，与厚度成反比。为了进一步说明该问题，我们对所糊制的一只直径为2400毫米的圆形回转体产品进行了测试，该件是按圆周沿中心轴A-A方向分成六块，见图3。经固化脱模，再拼成图示形状，并测量其直径，结果直径比原来缩小了10毫米，出现了负偏差，而且形状由圆形变为椭圆。
　　综上所述，由于玻璃钢的横向线膨胀系数与纵向的差别，所以在一定的强度场中，玻璃钢处于无约束的自由状态下，变形不协调，当这种效应达到一定程度时，必然引起收缩变形的产生。
　　玻璃钢的收缩变形既同材料本身特性密切相关，又同制作工艺和材料的选择有着不可忽视的联系。所以工艺及材料选择不当是加剧和造成收缩变形的重要因素。
　　1、使用了收缩量大的树脂
　　通常情况下，聚酯树脂中交联剂含量为35％左右，但有时为了操作方便或是提高树脂浸渍力，交联剂往往过量，结果制品固化时，有相当量的交联剂从树脂中析出，使体积收缩量增大，加剧了产生收缩变形量。
　　2、使用了放热量大的树脂
　　玻璃钢的收缩变形程度与固化放热温度成正比，树脂固化时放热量愈大，那么由高温状态向冷却状态转化后的收缩必然增大，产生变形也就加大。
　　3、模具刚度不足
　　模具设计时，必须充分考虑到其刚性的富裕度，因为刚性差的模具难以抵御制品固化时产生的收缩应力，以致产品还未固化，棋具的形状、尺寸就已被破坏。这样势必给产品造成质量缺陷，如在一个平均厚度为7毫米的玻璃钢模具上糊制一件厚度为15毫米的玻璃钢制品，当制品脱模后。便发现模具裙部拐角处，有2～3条呈放射状的凸起条纹，并伴有明显的胶衣层剥落、树脂碎裂现象。造成该后果的主要原因是模具承受不了收缩应力而产生的。
　　4、产品厚度不均匀
产生厚度不一致时，各区域产生的收缩应力也就有差异，这样残余应力的释放，势必引起制品发生形状和尺寸的改变。
　　5、制品固化不充分
　　制品未完全固化过早脱模，树脂的分子向体型结构转化并不完全。制品还缺乏足够的刚度，所以制品必然出现变形。
　　6、树脂聚集
　　制品的低凹处或拐角处积存了树脂，形成局部超厚，而导致树脂固化时引起收缩应力的差异，这样所产生的收缩变形也就不一致。此外，用金属、木材等材作为补强材料构成制品的凸缘或加强筋时，在其形面交界处同样易形成过厚产生上述现象。
　　7、树脂加热时机不当
    树脂的固化，是树脂由线形分子向体型分子转化的过程，并伴随一定的热量放出，当制品未冷却至室温时，立即施行加热固化，会使玻璃钢本体温度升高，从而加大制品的收缩变形。

二、控制变形措施

　　要克服和减少玻璃钢的收缩变形，必须要有合适铀工艺条件等，因此对玻璃钢的工艺和结构形式等有必要进行研究．
　　1、选用收缩率低的树脂
　　树脂中交联剂不应过量，在满足制品机械强度的前提下，除添加有机类的低收缩剂外，也可适当加入一些惰性填料，如钛白粉、白瓷粉、轻质碳酸钙粉等，这样可以减少体积收缩变形量。
　　2、尽量采用放热量低的树脂
　　一般来说，树脂的放热量达到200℃时，产生的收缩量会大大升高，如聚酯玻璃钢在此时的收缩率达到了10％左右，所以日本就明确规定：用于手糊接触成型的聚酯树脂其放热量应＜132℃。
　　3、模具设计要合理

　　模具的设计必须充分考虑到玻璃钢制品的特点，尤其是用玻璃钢制作的模具其平均厚度不得低于所糊制的厚度，模具拐角处的曲率半径要大些。但不应超过R10。对于在阴模内成型90°角的制品，其模具应有2～3°的正偏差。如图4所示。
　　4、产品设计与糊制要点
　　产品厚度均匀，如确实需要局部加厚时，应逐渐由薄壁向厚过渡，以避免厚度突变。对易发生翘曲变形的部位，应设计成惯性矩较大的形状。对于薄板、薄壳类结构的制品，铺层设计好是设计成90°铺层，即布层与布层间经、纬方向交替铺设以提高均匀性。
　　产品糊制时树脂含量必须控制在规定范围内，低凹等处所聚集的多余树脂要清除掉。再有糊制时制品边缘不要与模具粘结，防止收缩变形不一致。另外，凝胶时间与固化速度要适当控制，过快则放热量加大，内部产生的应力来不及释放，同样会引起变形量增大的缺陷。
　　5、加热时机与温度
　　对于常温下冷却固化的玻璃钢制品，成型脱模后，应放置24小时后，再进行加热固化处理，尤其是放热量高的树脂更应如此。因为这样做可以有效地防止过热变形。
　　加热固化的温度要略低于树脂变形温度(80～100℃)，然后在此温度下固化处理4～8小时，升温速度为10℃／h。且制品受热要均匀，避免局部过热。经过这样处理既可以使固化趋于完全又可以使制品保持尺寸、结构的稳定性。

三、结束语

　　综上所述，为了使玻璃钢的收缩变形得到有效控制，必须有合理的产品设计，严格的工艺制度，相应的技术措施。与此同时，还应积极开展这方面的研究和试验工作，逐步积累充实这方面的数据，为理论设计和实际应用指导奠定基础。