手糊成型:古老的复合材料工艺

   手糊成型工艺(Hand lay-up)又称接触成型,是复合材料早使用和应用普遍的一种成型方法,也是简单的一种方法。
  手糊成型工艺是以手工操作为主,机械设备使用较少,其基本工艺方法是采用手糊成型方式,将玻璃纤维织物和树脂铺层在阴/阳模具上,待树脂半固化时在阴模内加入含树脂、填料、短切纤维等成分的树脂腻子,然后合模、锁紧模具、固化成型为玻璃钢制品的工艺。


  1、材料准备
  按工艺要求准备胶衣、树脂、纤维;剪裁纤维和PVC泡沫。
  树脂胶液配制配制时,要注意两个问题:①防止胶液中混入气泡;②配胶量不能过多,每次配量要保证在树脂凝胶前用完。
  2、模具处理
  模具准备准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。涂蜡(脱模剂)均匀无遗漏,无积蜡。模具表面擦拭清洁,无污物。
  3、胶衣喷射
  喷胶衣前检查模具表面。严格控制固化剂添加量,一般不应超过2.5份。喷射均匀,无遗漏,无流挂现象。胶衣厚度控制在0.5-0.7mm之间。
  4、层短切毡
  根据车间环境,严格控制固化剂添加量,避免固化时间过短或过长,且搅拌均匀。短切毡必须剪到位,要求正好到模具边。接碴处必须毛茬对接,然后压平并充分排除气泡,尤其注意转角或折弯处。
  5、积层糊制及PVC泡沫
  PVC泡沫铺放前必须刷一层树脂,且均匀无遗漏,使泡沫与复合毡相符,铺放整齐。按工艺铺附纤维,剪切到位。
  铺层糊制手工铺层糊制分湿法和干法两种:①干法铺层用预浸布为原料,先将预浸料(布)按样板裁剪成坯料,铺层时加热软化,然后再一层一层地紧贴在模具上,并注意排除层间气泡,使密实。此法多用于热压罐和袋压成型。②湿法铺层直接在模具上将增强材料浸胶,一层一层地紧贴在模具上,扣除气泡,使之密实。一般手糊工艺多用此法铺层。湿法铺层又分为胶衣层糊制和结构层糊制。
  6、涂面漆
  用打磨工具将被覆层打磨平整后,滚涂面漆,要求均匀,无纤维裸露。所有产品切割边修完活以后再刷面漆。
  7.固化
  制品固化分硬化和熟化两个阶段:从凝胶到三角化一般要24h,此时固化度达50%~70%(巴柯尔硬性度为15),可以脱模,脱后在自然环境条件下固化1~2周才能使制品具有力学强度,称熟化,其固化度达85%以上。
  8、脱模和修整
  使用木楔等工具起模,以免划伤模具,严禁用铁锤敲打模具或产品。
  脱模脱模要保证制品不受损伤。脱模方法有如下几种:①顶出脱模在模具上预埋顶出装置,脱模时转动螺杆,将制品顶出。②压力脱模模具上留有压缩空气或水入口,脱模时将压缩空气或水(0.2MPa)压入模具和制品之间,同时用木锤和橡胶锤敲打,使制品和模具分离。③大型制品(如船)脱模可借助千斤顶、吊车和硬木楔等工具。④复杂制品可采用手工脱模方法。
  修整分两种:一种是尺寸修整,另一种缺陷修补。①尺寸修整成型后的制品,按设计尺寸切去超出多余部分;②缺陷修补包括穿孔修补,气泡、裂缝修补,破孔补强等。
  产品设计注意事项
  用手糊生产因树脂固化收缩,形状易产生变化。以玻璃钢生产为例,在设计时需充分考虑以下问题:
  1、胶衣的喷涂和涂刷
  为了改善和美化玻璃钢制品的表面状态,提高产品的价值,并保证内层玻璃钢不受侵蚀,延长制品使用寿命,一般是将制品的工作表面做成一层加有颜料糊(色浆)的、树脂含量很高的胶层,这层胶层称之为胶衣层(也称为表面层或装饰层)。胶衣层制作质量的好坏,直接影响制品的外在质量以及耐候性、耐水性和耐化学介质侵蚀性等,故在胶衣层喷涂或涂刷时应注意以下几点:
  (1)配置胶衣树脂时,要充分混合,特别是使用颜料糊时,若混合不均匀,会使制品表面出现斑点和条纹,这不仅影响外观,而且还会降低物理性能。
  (2)胶衣可以用毛刷或专用喷枪来喷涂。喷涂时应补加5~7﹪的苯乙烯以调节树脂的粘度及补充喷涂过程中挥发损失的苯乙烯。
  (3)胶衣层的厚度应精确控制在0.3~0.5mm之间,通常以单位面积所用的胶衣质量来控制,即胶衣的用量为350~550g/㎡。
  胶衣层的厚度要适宜,如果胶衣太薄,可能会固化不完全,并且胶衣背面的玻璃纤维容易显露出来,影响外观质量,起不到美化和保护玻璃钢制品的作用;若胶衣过厚,则容易产生龟裂,不耐冲击力。胶衣涂刷不均匀,在脱模过程中也容易引起裂纹。
  (4)胶衣要涂刷均匀,尽量避免胶衣局部积聚。
  (5)胶衣层的固化程度一定要掌握好。
  检查胶衣层是否固化适度的好办法使采用触摸法即用千净的手指触及一下胶衣层表面,如果感到稍微有点发粘但不粘手时,说明胶衣层己经基本固化,这时可进行下一步的糊制操作,以确保胶衣层与背衬层的整体性。
  2、工艺路线的确定
  工艺路线关系到产品质量、产品成本、生产周期(生产效率)等各方面的因素。因此,在组织生产前,必须对产品使用时的技术条件(环境、温度、介质、载荷……等),制品结构、生产数量及施工条件等进行全面的了解,经过分析研究,才能确定成型工艺方案。一般来说,应从以下几个方面考虑:
  (1)根据产品使用要求,合理选用原、辅材料、配方和铺层方法。
  (2)根据产品几何形状、生产数量、确定模具的结构形式和模具材料。
  (3)根据气候条件、任务缓急,确定固化方式。
  3、工艺设计的主要内容
  (1)根据产品的技术要求来选择适宜的材料(增强材料、结构材料及其它辅助材料等)。在原材料的选择时,主要考虑以下几个方面:
  ①产品是否接触酸、碱性介质,介质的种类、浓度、使用温度、接触时间等。
  ②是否有透光、阻燃等性能要求。
  ③在力学性能方面,是动载荷还是静载荷。
  ④有无防渗漏及其它特殊要求。
  (2)确定模具结构和材质。
  (3)脱模剂的选择。
  (4)确定树脂固化配合和固化制度。
  (5)按已给定的制品厚度和强度要求,确定增强材料的品种、规格、层数和铺层方式。
  (6)编制成型工艺规程。
  4、玻璃钢层的糊制
  糊制是手糊成型工艺的重要工序,必须精细操作做到快速、准确、树脂含量均匀、无明显气泡、无浸渍不良、不损坏纤维及制品表面平整,确保制品质量。
  1)厚度的控制
  玻璃钢制品的厚度控制,是手糊工艺设计及生产过程中都会碰到的技术问题。知道某制品所要求的厚度后,就需进行计算,以确定树脂、填料含量及所用增强材料的规格、层数,然后按照以下公式进行计算它的大致厚度。
  t=(G1n1,十G2n2+……)×(0. 394+0. 909k1+0.4×k1k2)
  式中:—玻璃钢的计算厚度(mm);
  G1、G2—各种规格的布或毡的单位面积质量(kg/㎡);
  n1、n2 —各种规格的布或毡的层数;
  0.394—纤维基材的厚度常数;
  0.909—聚脂树脂的厚度常数;
  0.400—填料的厚度常数;
  k1—树脂含量对玻璃纤维含量的比数;
  k2—填料含量对树脂含量的比数。
  2)树脂用量的计算
  玻璃钢的树脂用量是一个重要的工艺参数,可以用下列两种方法进行计算:
  (1)根据空隙填充原理计算,推算出含胶量的公式,只有知道玻璃布的单位面积质量和相当厚度(一层玻璃布想当于制品的厚度),便可以计算出玻璃钢的含胶量。
  (2)用先算出制品的质量,确定玻璃纤维质量的百分含量后计算。
  ①制品表面积×厚度×纤维增强塑料密度=制品质量:
  制品质量×玻璃纤维质量百分含量=玻璃纤维质量;
  制品质量-玻璃纤维质量=树脂质量。
  ②制品表面积×玻璃纤维层数×玻璃纤维单位面积质量=玻璃纤维质量;
  玻璃纤维质量÷玻璃纤维百分含量=制品质量;
  制品质量-玻璃纤维质量=树脂质量。
  糊制时所需的树脂用量可以根据玻璃纤维的质量来估算。
  3)玻璃布糊制
  带胶衣层的制品,胶衣中不能混入杂质,糊制前应防止胶衣层与背衬层之间有污染,以免造成层间粘接不良,而影响制品质量。糊制时应注意树脂对玻璃纤维的浸渍情况,先使树脂浸润纤维束的整个表面,然后使纤维束内部的空气完全被树脂所取代。保证层增强材料完全浸透树脂并紧密贴合,这一点非常重要。因为浸渍不良及贴合不好会在胶衣层周围留下空气,而这种留下的空气在制品固化处理和使用过程种会应热膨胀而产生气泡。
  糊制时,先在胶衣层或模具成型面上用毛刷、刮板或浸渍辊子等手糊工具均匀地涂刷一层配制好的树脂,然后铺上一层裁剪好的增强材料(如斜条、薄布或表面毡等),随之用成型工具将其刷平、压紧,使之紧密贴合,并注意排除气泡,使玻璃布充分浸渍,不得将两层或两层以上的增强材料同时铺放。如此重复上述操作,直达到设计所需的厚度为止。
  对有一定角度的部位,可玻璃纤维和树脂填充。若产品某些部位比较大,可在该处适当增厚或加筋,以满足使用要求。
  4)搭缝处理
  同一铺层纤维尽可能连续,忌随意切断或拼接,但由于产品尺寸、复杂程度等原因的限制难以达到时,糊制时可采取对接式铺层,各层搭缝须错开直至糊到产品所要求的厚度。糊制时用毛刷、毛辊、压泡辊等工具浸渍树脂并排尽气泡。
  如果强度要求较高时,为了保证产品的强度,两块布之间应采用搭接,搭接宽度约为50mm。同时,每层的搭接位置应尽可能的错开。
  5)短切毡的糊制
  当用短切毡作增强材料时,好使用不同规格的浸渍辊子进行操作,因为浸渍辊子对排除树脂中的气泡特别有效。若无此种工具而需用刷子进行浸渍时,要用点刷法涂刷树脂,否则会把纤维弄乱,使纤维移位,以致分布不均匀,造成厚薄不一。铺在内部深角处的增强材料,如果用刷子或浸渍辊子难使其紧密贴合时,则可以用手抹平压紧。
  6)厚壁产品的糊制
  制品厚度在8毫米以下的产品可一次成型,而当制品厚度大于8毫米以上时,应分多次成型,否则会因固化散热不良导致制品发焦、变色,影响制品的性能。多次成型的制品,第二次糊制时,应将次糊制固化后形成的毛刺、气泡铲掉后方可继续糊制下一铺层。一般情况下,建议一次成型厚度不要超过5mm。
  5、手糊工艺对生产车间要求
  车间时进行产品生产的主要场所,手糊工艺对生产车间布局的基本要求如下:
  1)场地要求清洁、干燥、通风良好,空气温度应保持在15~35℃之间;车间应该有足够的通讯,抽风口好在地上;
  2)后加工整修段,要设有抽风除尘和喷水装置;车间应该有足够的地漏,以便于用水冲洗车间;
  3)通道畅通便于运输;
  4)玻璃纤维制品树脂分别存放,并远离水源、电源;
  5)模具及设备靠近通风口;
  6)生产准备场地手糊成型工作场地的大小,要根据产品大小和日产量决定。
  工艺特点
  优点
  1)不需复杂的设备,只需简单的模具、工具,故投资少、见效快;
  2)生产技术易掌握,只需经过短期培训即可进行生产;
  3)所制作的FRP产品不受尺寸、形状的限制,如:大型游船、圆屋顶、水槽等均可;
  4)可与其他材料(如:金属、木材、泡沫等)同时复合制作成一体;
  5)对一些不宜运输的大型制品(如:大罐、大型屋面)皆可现场制作。
  缺点
  1)生产效率低、速度慢、生产周期长,对于批量大的产品不太适合;
  2)由于操作人员技能水平不同及制作环境条件的影响,产品质量不够稳定;
  3)生产环境差,气味大,加工时粉尘多。
  产品应用
  手糊成型工艺可制作的FRP产品非常广泛,简单列举如下:
  (一)建筑制品。主要产品有:波形瓦、采光罩、风机、风道、浴盆、组合式卫生间、化粪槽、冷却塔、活动房屋、售货亭、装饰制品、坐椅、门、窗、建筑雕塑、玻璃钢大篷、体育场馆采光层顶等。
  (二)造船业。主要产品有:渔船、游船、游艇、交通艇、救生艇、汽垫船、舢舨、海底探测船、军用折叠船、水中浮标、灯塔、巡逻艇、养殖船等。
  (三)汽车、火车、汽车车壳、电动车壳、机器盖、保险杠、大型旅游车外板、冷藏车、工程车、高尔夫球车、汽车卫生间、消防车、火车箱内板、火车门窗、火车卫生间、地铁车箱、路标等。
  (四)防腐产品各种油罐、酸罐、水泥槽内防腐衬层、钢罐内防腐层、管道、管件、地下罐的外防腐层、地面用格栅等。
  (五)机械电器设备机器罩、配电箱、医疗器械外罩、电池箱、开关盒等。
  (六)体育、游乐设备赛艇、舢板、滑板、各种球杆、人造攀岩墙、冰车、风帆车、游乐车、碰碰车、碰碰船、水滑梯、海底游乐设备等。
  手糊工艺是应用早、普及面广的FRP加工技术,在国内国际仍属于主流技术之一。虽然经过多年的发展,手糊法已被许多其他工艺方法所取代,但手糊法以其独具的优势仍在复合材料加工行业占有相当比例。
  由于手糊工艺设计自由,可根据产品的技术要求设计出理想的外观、造型及多种多样、品种繁多的FRP制品。思瑞安复合材料AIREX?系列就大量使用手糊工艺,生产出多种重量轻、韧性强、吸水率低、隔音和保温性能佳的产品,被广泛应用到各个领域。