淺談真空灌注工藝

  在船舶工業,船體外殼的制造長度一般為6 至40 米,而甲板、地板、托盤以及其他以長度和寬度為重點的大型零部件也是一樣。然而,該工藝并不局限于船舶制造,也能用于其他所有的市場領域,尤其是在建筑和路上運輸領域中用于制造很多的大型結構。真空灌注既可使用單面模成型也可用于常規生產。但是,鑒于該工藝所需要的準備時間,通常,每天一副模具不能進行超過一個小型成型件的制造;大型成型件的制造過程,例如船體殼的制造周期則長得多。真空灌注的一項特殊應用是采用特殊填充樹脂來制造應用于建筑和列車中的低煙防火成型件,例如斯高特巴德的Crestapol 樹脂系統,這種樹脂很難用其他的工藝方法進行加工。
  真空灌注成型在復合材料領域內的使用變得頻繁,原因有很多,而主要的兩大驅動力是苯乙烯揮發量得到了大幅減少,以及層壓的固結度和強度更高。苯乙烯揮發量的減少將有助于滿足未來任何降低的苯乙烯允許的揮發量標準。圖1 展示了由手糊成型或灌注成型的層壓件的典型苯乙烯揮發量。
  真空灌注層壓制件表現了更好的固結度和強度,這是因為層壓板內部沒有空氣,玻纖材料的含量也更高。更高的玻纖含量表示,與手糊成型相比較,灌注成型所得每平方米相同玻纖重量的層壓板更薄,降低了剛度。
  灌注用模具
      
  真空灌注(VI)工藝可以采用與手糊成型相同的模具,只需做一些修改即可。然而,模具本身必須具有良好的整體狀況,這是因為模具上的任何裂紋都可能引起真空泄露,從而危害到工藝過程。所需進行的修改是在模具四周增加一個寬150 毫米的法蘭邊。這個部位將用于鋪設灌注的真空通道。工藝中可以采用瓣合式模具,但是必須給予特別的關注,要確保它的連接處于真空密封狀態。當次對真空灌注過程進行研究試驗時,推薦采用單面模具。
  樹脂的選擇
  灌注工藝應該采用專為該工藝設計的專用樹脂。市場上有很多可供選用的產品,它們涵蓋了所有的樹脂類型,例如ortho 型、iso 型、DCPD 型以及乙烯基酯型樹脂。非常重要的是,所選樹脂要能提供模具填充所需的膠凝時間,這個時間可能會很長。圖2 為一種灌注用樹脂典型的膠凝時間圖。
      
  必須注意,圖2 顯示了不同溫度下的膠凝時間,但是在實際生產過程中, 建議整個灌注過程在一個基本一致的工廠溫度環境中進行,從而得到一致的結果。灌注用樹脂具有低粘度,一般為100 至200cps,此外它們也是非觸變性的。不應采用觸變性手糊樹脂,因為它們的流動性很差。同時建議樹脂固化采用的過氧化物具有紅色消除技術(vanishing red,簡稱VR),這是因為樹脂中的變色系統不會始終發揮作用。使用VR 型過氧化物能夠確認樹脂是否確實完成了催化,因為任何錯誤都是無法糾正的。
  增強材料
  玻璃纖維、碳纖維,以及凱芙拉芳綸纖維都可用于這個工藝,但是,對于聚酯基的層壓件,玻纖是更好的選擇。增強材料覆蓋得好不好很重要,因為它必須以干燥的狀態進入到模具中,也必須符合模具的輪廓,同時還要很容易地推入模具的角落。在真空灌注中常見的玻纖是一種組合氈,它將一層短切氈縫編到多軸向增強織物表面上。其他常用的玻璃纖維是不采用CSM 和無捻粗紗的組合氈。在選擇玻纖時,既要考慮層壓件的設計需求也要考慮成品部件的美感,這非常重要。為了實現佳表面質量,玻璃纖維必須盡量地平滑,纖維原絲之間不能有縫隙。在需要將玻纖推入模具角落的地方好使用多層重量較小的玻璃纖維,而不采用重量較大的單層纖維。如果在角落處產生橋接,則容易導致樹脂的競流效應(race tracking) 和不好的填充效果。
  由于玻璃纖維是在干燥狀態下鋪放到模具上,因此必須想辦法讓它保持原位,尤其是在垂直表面上。為此有兩種方法可供選擇:種是采用背膠玻璃纖維,它的整個表面上覆有一層壓敏膠粘劑, 以離型膜進行保護,這層薄膜在玻纖即將鋪放至模具之前剝去;第二種方法是采用標準玻璃纖維布,并采用專為灌注工藝而研發的噴膠進行位置的固定。
  泡沫
  灌注工藝可以使用泡沫材料,常用的有PVC、SAN、PU 或者PET,與在手糊成型工藝中所用材料相似,但是需要為灌注工藝而專門生產。必須采用閉孔泡沫,因為任何的泡沫開孔都會在真空狀態下吸收樹脂。為了確保樹脂圍繞泡沫流動,通常泡沫會經過預先打孔, 并且其一側表面還具有網格型溝槽。這些溝槽的放置遠離模具表面,將起到樹脂分配系統的作用。這種泡沫材料可以以平板或平紋基布的形式供應,后者可用于更加復雜的幾何形狀。
      
  真空袋裝材料
  為了準備一個灌注單元,需要遵從一些具體的條目。真空袋膜需根據所選灌注樹脂而專門制造。市場上供應有各種寬度的薄膜材料,必須選擇有足夠的寬度而無需連接的薄膜尺寸。真空袋膜采用真空袋密封膠條固定,市場也上有各種規格的密封條,選擇時必須考慮到所用樹脂、環境溫度,以及樹脂放熱曲線。樹脂通過進膠管導入模具,進膠管貫穿真空袋,令樹脂注入分配系統(通常采用螺旋管)。螺旋管通常鋪設在導流網上輔助樹脂的流動。一旦樹脂進入模具就要流向模具外部,這個過程通過上述泡沫材料上的溝槽或覆蓋在整體層壓板上的導流網來完成。導流網不應鋪設到層壓板末端,否則會導致樹脂進入真空管路。從已經固化的模具上剝離導流網可能會比較困難,因此通常會在該導流層與玻纖鋪層之間鋪設一層脫模布。脫模布鋪放在包括所有泡沫部分在內的整個表面上,所以一經剝落,制件就會有一個不錯的表面外觀。如果在膠接之前將脫模布立即剝落,則也能為真空灌注層壓板獲得更好的二次膠接提供機會。前文提到的真空管路由螺旋管以及與之類似的樹脂進膠口組成。
      
  真空灌注工藝
  實際上的真空灌注工藝從開始到完成包含了一系列步驟。模具的準備工作是一個標準過程,此后涂覆膠衣。接下來通常是手糊表面層(skin coat),至少采用一層300 至450 克重的CSM。這層表面層起到兩個作用。先,它能保證層壓板的層與膠衣間沒有任何孔洞;其次,它能減小模具角落的半徑, 這讓干燥的玻纖更容易適應模具。必須小心確保模具的法蘭上沒有受到噴濺。膠衣和罩面層一旦膠凝,就沿法蘭邊的外周長鋪設密封條。
  而后在表面層上鋪設干燥的層玻纖,并用上文所述粘結系統加以固定。玻纖必須推入模具的所有角落,以避免產生孔洞。如果工藝將采用泡沫材料, 這時就可以進行鋪放,如果存在任何的連接點,則必須在可能的情況下讓泡沫表面的溝槽相拼合。好能夠沿泡沫材料的外周長斜切,以使后續的玻纖更容易貼合。然后,其余的玻纖材料可以按需鋪放。
  螺旋真空管路于隨后固定在靠近密封條的地方,并且用小條膠帶加以固定。根據模具的尺寸需要多個抽氣口,一般至少需要兩個位于模具兩端的抽氣端口。
  然后,可以將脫模布鋪設在整個表面上,并應鋪設在真空螺旋管路之下。脫模布應該是連接模具中的玻璃纖維和真空管路的唯一材料,并且起到樹脂阻斷的作用。
      
  導流網應該鋪設于所有的層壓板整片區域,并應重疊到泡沫部分。然而, 導流網不應鋪到玻纖邊緣,而應在大約150 毫米處停下。這能保證灌注結束時的樹脂流動更加平穩,還能減少樹脂進入真空管路的可能性。
  樹脂流動螺旋管路鋪設在層壓板上方,而且這些管路應該纏繞在導流網上, 從而保證樹脂的快速流動。為了讓樹脂在所有方向上平穩流動,流動管路的所在位置和長度都需要經過設計。使用大型模具時需要許多流動管路,這是因為填充速率將沿距離而減緩,推薦的大鋪設間距為1 米。流動管路一旦鋪設完成就應該進行合模面的檢查,以保證沒有松散的纖維,因為這將影響真空完整性。
  下一步是根據模具的復雜性準備真空袋膜,薄膜應該是模具的長度和寬度的1.5 倍。必須對薄膜給予高度重視, 要確保其沒有損壞,因為在薄膜中間發現微小的孔洞是很難的。推薦將成卷的薄膜固定在一個能夠移動到模具的架子上,然后再直接展開。隨后在適當的長度對真空袋進行裁切,并大致地鋪裝到模具上。任何刀片或者鋒利的物件都不應留在模具附近,這是為了保證真空袋不被刺破。
  然后,將密封條上的離型膜緩慢剝離,將真空袋鋪裝到模具上,并使薄膜平穩光滑。鋪裝到模具上的真空袋膜不能產生褶皺,這會引起真空泄露。為了確保有足夠的薄膜覆蓋到模具的整個形狀,必須采用活褶。它們能夠提供足夠的薄膜來覆蓋模具的所有設計要點,因為模具的總長度比所有輪廓線的距離要短。要對薄膜做經常性的檢查,使所有區域都有一個余量而避免產生任何橋接的可能性。
  真空袋膜安裝妥當后就可以連接真空管路,此時需再次確認薄膜上沒有褶皺。然后就可以開始抽真空,由于空氣被逐漸抽離,真空袋需要正確定位,以避免在角落里發生橋接。有必要在模具和真空泵之間連接一個收集器,這是為了消除樹脂在灌注過程中進入真空泵的可能性。由于真空泵的抽氣量不同,其抽離空氣的速度可能較慢,可以在開始采用一臺真空吸塵器來幫助去除空氣。當真空袋中的空氣排完后,需要對橋接或不良鋪裝進行檢查。如果發現上述情況,需要釋放真空,根據需要移動真空袋膜,而后再次抽真空。所用真空度須高于0.8 巴,如實際操作中接近1.0 巴。真空袋需要進行泄漏檢測,市面上有很多檢漏器。要對發現的泄漏進行修復。當不能再檢測到泄漏時,就應進行真空度下降檢測。這表示應在真空袋上安裝一臺真空表,并應將真空泵夾緊。真空度的下降應該盡量地慢,容許的真空度下降應低于每15 分鐘0.1 巴,但是實際真空度取決于模具的尺寸。如果真空度下降過大,則說明在某處存在著泄漏,必須找到并且修復。
      
  當真空袋處于真空密封狀態,就可以連接樹脂的進膠管,要再次注意, 這些管路在真空袋的安裝位置上不能存在褶皺。這些樹脂進膠管要從進料口連接到樹脂桶,并應在安裝前夾緊, 以防真空損失。將插入真空袋的進膠管末端削尖,然后在末端向上約25 毫米處用密封帶纏繞。隨后,將管道末端推入進膠口,穿入真空袋,再用密封條重新密封。這些地方都應用檢漏器進行泄漏檢查。圖6 所示為已經完成準備工作的真空灌注工藝。
  現在可以進行真空灌注的實際操作。將催化樹脂放置在合適的容器內, 并將其安放在低于模具水平面的位置。將閉合的樹脂進膠管浸入樹脂中,并加以固定。通常的做法是依次打開進膠管,其中位于模具的管路應該先打開。這樣就能讓樹脂開始流動, 其他進膠管僅在樹脂到達它們的所在位置時才打開,如果打開得太早,在有些地方可能會發生樹脂的堵塞。必須讓樹脂桶保持滿載,因為如果有空氣進入模具,產品就有可能報廢。在灌注過程中要進行仔細觀察,以便盡快修復檢查到的微小泄漏。當模具完成填充,會有少量的樹脂進入真空管路,在這種情況下,可以關閉樹脂進膠口,并且讓模具保持在真空狀態。至少將真空狀態保持到樹脂固化放熱, 好能保持一個通宵。
  這個過程涵蓋了實施真空灌注的基本方法,但還有一些其他的選擇。在有些情況下,模具的法蘭邊是無法利用的。如果是這種情況,可以使用專門的真空透氣墊(vacuum breather pads),將真空管路直接鋪設到干燥的玻纖表面。這些方法的采用不在本文的討論范疇內。
  另一種選擇是直接將樹脂注射到真空袋內,而不采用將樹脂從容器中真空導流的方法。Composite Integration 公司開發了一種系統可以實現這個方法,它通過仔細檢測真空袋內壓力,調整注射速度來實現平穩的填充。該工藝能夠加快灌注速度,并且減少樹脂的浪費。
      
  結論
  真空灌注成型能夠成功地應用于大多數復合材料制造領域,這是一種具有高質量成型件制造和低苯乙烯排放量的工藝方法。
  然而,這項工藝確實需要對操作工人進行培訓,同時也需要在工藝應用中投入大量的關注。當好處顯而易見時,很多經營者也都起而應對新工藝帶來的挑戰。
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