玻璃鋼制品的成型方法

　　這里指的“玻璃鋼制品”是用玻璃纖維增強聚酯樹脂的制品，也就是“聚酯玻璃鋼”制品。隨著不飽和聚酯樹脂應用領域的不斷擴大，其纖維增強的工藝也日益改進和發展。本章將具體介紹纖維增強聚酯的各種成型方法。
　　玻璃鋼成型工藝的發展經歷了一個過程。開始時是手糊成型。由于不飽和聚酯樹脂可以常溫低壓成型，模具簡單，操作方便，用手工就可以制得不同尺寸、不同構形、不同特性的制品，因此簡單的手糊成型方法一開始就有了很大的發展。在發達，石油化工發展較早，為樹脂提供了價廉的原料。不飽和聚酯樹脂的價格較低，因玻璃纖維的價格偏高，所以主要是采用短切纖維氈。玻璃鋼中玻璃纖維吉量一般為25％～35％，增強效果良好。但手糊法生產效率低，勞動強度大，產量和質量在很大程度上取決于手工操作技藝。這種生產方法是落后的，于是隨著生產的發展出現了噴射成型工藝。
　　噴射成型是在手糊成型基礎上改進的，在工藝上還是維持了室溫、低壓、接觸成型的條件，只是用短切噴槍將玻璃纖維短切，同時將已引發的樹脂和纖維一起噴射到模具表面上，達到所要求的厚度為止。以后噴射成型逐漸代替手糊成型，成為玻璃鋼的主要成型方法。至今，噴射與手糊這兩種接觸成型方法在玻璃鋼生產中仍占很重要的地位。因為其工藝設備簡單，方法靈活，需要金屬鑲嵌件時可以預埋；在高應力部位可以加強；為提高制品的剛度又可放加強筋等，因為適應性很強，可以連續施工制造大面積和復雜構形的制品。但采用這兩種接觸成型方法生產周期長，聚酯在常溫下凝膠速度不快，制品一般要經過6~24h才能脫模，模具周轉太慢，產品質量不易穩定，于是進一步出現了機械化的生產方法。

　　玻璃鋼制品工藝向機械化方向發展，主要是在樹脂固化過程中加以壓力，保證產品質量；提高環境溫度，使之快速固化。由此出現了各種不連續生產的機械化成型方法。包括袋壓成型、注塑成型、模壓成型、纖維纏繞成型以及離心成型等。在各種成型方法中又產生了不同的工作形式。例如袋壓成型有真空袋壓成型和氣壓袋壓成型；注塑成型有真空注射成型與非真空注射成型；模壓成型有熱壓成型、冷壓成型以及移模成型等。各種成型方法的發展完全改變了玻璃鋼工業的面貌，使生產效率與產品質量有了很大提高。
　　在機械化生產方法中，對于有規則斷面構形的型材的生產，與軋鋼生產相似，可以進行自動化的連續生產。于是出現了適應各種斷面形式的連續板材生產線和連續棒材、管材的拉擠生產線。
　　各種玻璃鋼成型工藝的特點對比見表14-1。
　　在，絕大部分玻璃鋼廠的生產還處于用粗格子布進行手糊成型的初級階段，因為石油化學工業的發展較遲，致使樹脂的價格偏高，而玻璃纖維產品中的中堿玻璃纖維制品價格較低。用單一的粗格子布增強聚酯時，玻璃纖維古量可增加到45％～55％，有利于降低玻璃鋼的成本。但這種多層粗格子布疊合糊制的玻璃鋼層合制品在結構上是不合理的。其樹脂含量不足，層間結合力低，在樹脂固化收縮過程中必然會形成玻璃鋼結構內部的氣泡、間隙與分層等缺路。加之，有些廠生產技術水平不高，工藝要求不嚴，加工制作粗糙，因而嚴重影響了部分產品的質量。這種情況應加以克服和改進。另一方面，玻璃鋼的機械化與半機械化生產方法在已有了良好的基礎，有些工廠和科研單位生產了高水平、高質量的纖維增強制品。噴射成型已開始在國內使用，自動化生產線也已開始建設投產。因此。玻璃鋼生產工藝與設備技術水平在不長的時期內可以趕上先進水平。

　１　接觸成型

　　接觸成型指的是樹脂用玻璃纖維增強后，在其固化過程中，僅靠接觸壓力和常溫或稍低升溫下就可以成型。其應用甚為普遍，可制作各種大、中、小型制品、如船殼、車身、建筑板材、化工貯罐、機器外殼等，適于小批量、多品種生產。其模具簡單，接觸模具的制品表面單面光滑。制品壁厚一般為2～10mm。需要更大厚度時也可以做到，但不宜小于2mm。

　　1.1　模具準備和膠衣

　　在接觸成型工藝中，無論是手糊成型還是噴射成型，其層合程序與所用模具都是相同的。典型的層合結構見圍14-1。常用的模具是玻璃鋼模具．制造模具所用的樹脂為模具級聚酯樹脂或工具級聚酯樹脂。模具壽命一般為500～1000次脫模。其他還有環氧模具、木模、石膏模、金屬模等。金屬模的脫模次數很高，但成本也很高。

　　在使用模具之前，模具表面必須被覆好蠟層。蠟層不含有機硅烷。一個新模具要被覆2～5層蠟，達到足夠厚度，而且每層都要擦亮。然后再被覆脫模劑，如聚乙烯醇。聚乙烯醇可用噴覆，或用海綿涂覆，不能用刷子。脫模劑應上兩層，每層都要仔細涂滿模具表面，沒有露漏點。該階段操作要仔細．如果脫模劑投有涂滿，將會造成膠衣上的缺陷，以致粘模。采用聚乙烯醇脫模使產品與模具容易分離，而且可以用水洗去模具和制品上黏附的脫模劑。
　　模具上被覆好脫模劑后，必須完全干燥，然后用刷子或噴射將膠衣樹脂被覆上去。如用刷子，一般用長軟毛的刷子刷兩層，要注意不產生刷痕，等層完全固化后立即刷第二層。用噴槍時可以一次噴覆達到充分厚度。在選用膠衣樹脂時，要分別選用手糊或噴射用的膠衣樹脂，兩者主要是觸變程度不同。終膠衣厚度為0.3～0.6mm(400～500g／m²)。膠衣樹脂澆鑄塊的凝膠時間在15min左右。膠衣被覆后，在凝膠過程中會揮發出苯乙烯，應將其抽走，這不僅有利于環境的空氣狀況，也有利于確保膠衣的均勻凝膠。凝膠到達程度可用手指接觸試探，如感覺還粘手但已不易移動，就已適合做下一層被覆。
　　必要時可用表面氈增強膠衣。在膠衣被覆完時，仍處于濕態下立即將表面氈鋪上去，并用小壓輥輕輕輥壓將氣泡排除干凈。加表面氈于膠衣中雖可增強膠衣層，但不利于外觀質量。如制品使用于潮濕環境及化學侵蝕條件下，就應使用純凈的膠衣層。膠衣層中加表面氈后，有利于與層樹脂的粘接，故在純凈的膠衣層上面再鋪以表面氈增強的富樹脂層，對在潮濕環境及化學侵蝕條件下使用是有利的。
　　在膠衣被覆操作中，如果膠衣厚度不足，可能造成苯乙烯揮發過多，膠衣樹脂不能固化而只是干燥，結果制品表面質量差。如不等層膠衣固化就刷第二層膠衣，可能會產生表面皺紋。若膠衣太厚，則脫模后幾個月內膠衣會產生微裂紋，以致開裂。當制品背面受沖擊時，更易出現表面膠衣層的開裂。

　　1.2　手糊鋪層

　　膠衣達到一定的凝膠程度后，即用刷子、膠輥或噴槍均勻地被覆上一層樹脂。在樹脂上鋪一層短切玻璃纖維氈，一般可用300g／m²以下的氈。必要時也可先鋪一層表面氈，以增加一層富樹脂層。但表面氈較貴，故僅用于要求表面質量高以及要求耐水、耐化學腐蝕等產品中。層樹脂量要足夠，使玻璃纖維氈能夠濕透。町以用壓輥輕壓滾動，將覆舍層中的潛伏空氣擠出，排除干凈。在模具角上可將玻璃纖維氈切開，使角部被覆密實。層合壓輥的形式有多種，圖14-2所示為普通的一種，可用鋁合金加工成整體輥子，或將小圓片以一定間隔串聯于一個軸上制成。在短切纖維氈層中，樹脂與玻璃纖維的比例約為2:1。經輥壓趕出空氣后，需待該層鋪覆材料凝膠，然后再繼續鋪層。

　　如制品面積較大，一片玻璃氈寬度不夠時，可以拼接另一片氈，但拼接要密實，接縫處要用毛刺刷子將兩片氈的纖維互相刷開，使纖維均勻交叉成為一體。或者使兩片氈疊合30mm。不同層的接縫應錯開，不能在一處，以免接縫處形成弱點，或厚度增大。為了使用方便，可先做出樣板，按樣板切割下玻璃纖維氈，然后進行鋪層。
　　往下各層短切氈的鋪層方法同前。每一層都必須做到密實。如用粗格于布，可以與氈交替疊層。有些被玻璃纖維廠直接生產粗格子帶與短切氈縫合在一起的產品，鋪層更為方便。并防止把兩層粗格子布直接疊合的缺陷。用粗格子布可以使層合結構的強度和硬挺度增加，但不易徹底浸透樹脂，也不容易與模具構形貼合，故不宜重疊使用。
　　如制品厚度較大時，可以分階段鋪層，使各階段樹脂分別固化，再逐層向下鋪覆，以免樹脂放熱積聚，使制品翹曲、變色或表面發生變形。
　　在鋪層時要注意不可先放氈或布，然后向干的氈和布上傾倒樹脂，并將樹脂刮開。這樣做很容易使空氣潛伏于層合結構中，造成制品中的微氣泡，以致分層等缺陷。正確的做法是先將樹脂均勻被覆于模具表面，然后再鋪玻璃纖維氈或布。好先將玻璃纖維氈或布浸透樹脂，再鋪覆到模具表面上去。總之，必須保證各層纖維浸透樹脂，纖維與纖維問無氣泡，層與層間也無氣泡。
　　在鋪覆增強芯材或加強筋時，應將其鋪在濕的樹脂上，然后將玻璃纖維氈和樹脂覆蓋上去．使之成為層合結構的整體部分。如用玻璃鋼做加強筋時，也要先做好加強筋，在固化尚未完全時即將其緊緊結合在濕的樹脂上，再鋪以新的玻璃纖維氈和樹脂，后達到尺寸要求。為防止加強筋周圍樹脂固化收縮造成膠衣的沉陷痕跡，可使層合結構先部分固化，然后再將加強筋覆合上去。
　　如制件上需要鑲嵌金屬件(以便與其他部件連接)時，應將金屬鑲嵌件埋入層舍結構的部分做成大頭形、扁片形．并帶有穿孔，以便結合牢固，玻璃鋼部件在這種鑲嵌部位應加厚并做成錐形斷面，使荷載得以分散。
　　當制品要求盡可能兩面光滑時，可在后一層短切氈鋪覆的同時，再鋪一層表面氈。如制品表面平整或曲面簡單時，可以用一層聚酯薄膜或其他薄膜覆蓋，并加輥壓，將氣泡趕到模具邊緣，即可獲得較平滑的表面。
　　在后一層玻璃氈鋪覆完并部分固化后，常在頂面上再被覆一層著色樹脂以起保護和裝飾作用。
　　層合結構全部鋪完后，經過部分固化尚未脫模時，制品已經定型，可以用刀子削邊。此時樹脂尚未充分固化，容易刀割，要爭取時間削邊修整好后才能脫模。如已經脫模，就很難刀削，只能用金剛砂輪或金剛石刃的刀具進行切邊，修整要困難得多了。
　　制品保留在模具中，一般應固化幾小時或過夜，然后才可脫模。如要加快脫模，可將模具放在60℃左右的烘爐中1h，然后取出，待冷卻后，即可脫模。
　　手工脫?？捎媚鹃硨⑺芰闲ㄗ虞p輕打入模具邊緣，即可將制品脫出。塑料楔子有硬質、中等及軟質3種，可適應不同制品脫模用，見圖14-3。也可用壓縮空氣或將水注入模具與制品的縫隙中幫助脫模。水進入界面可將聚乙烯醇溶解，使界面分離。制品表面不應有任何與模具的粘接點，否則會造成膠衣破裂。脫模后，用水洗凈制品及模具上的殘余聚乙烯醇。

　　脫模后，制品如需后固化時，要在室溫下放置24h，或在60℃下1h以后再進行后固化。后固化過程中，制品要支架平穩，防止變形。如系通用樹脂，后固化可用80℃、3h。后固化時，層合結構中的氣泡會顯出，如出現在膠衣下面，則很難修理。
　　終產品中玻璃纖維含量為30％～35％。
　　手糊成型一般需要以下設備與工具。
　　(1)輥子  輥子可分兩類：一類是樹脂被覆輥；另一類是壓實與排氣輥。
　?、贅渲桓草?nbsp; 用羊毛或馬海毛制成，用以將樹脂被覆于模具表面或中間鋪層。
　　②層合輥   用以壓實纖維并排氣。層合輥有多種，包括下面6種輥。
　　硬毛輥  用鬃毛或尼龍絲做在聚丙烯棒或木芯上，制成毛輥。在輥壓時，硬毛穿透纖維束，排除隱藏的氣泡。
　　波紋輥  輥子被覆布層，做出凸凹波紋，可以壓實并除氣泡。
　　圓片輥  交替疊合大、小金屬片或塑料墊片而成?？梢詨簩崒雍侠w維，包括邊緣和角落。
　　鋸齒輥  制法同圓片輥，只是大圓片外周開有鋸齒，由被覆聚四氟乙烯或聚乙烯的鋁片做成。
　　槳葉輥  鋁輥，由縱向細肋片組成?？蓴D壓纖維層使之很快濕透，排除氣泡。
　　彈簧輥  在輥子縱向排有鋼絲彈簧卷，表面有彈性，可壓實彎曲面。
　　(2)刷子  用于被覆膠衣和樹脂，特別適用于角落與邊緣。
　　(3)引發劑分配器  引發劑分配器常用塑料擠出瓶，瓶蓋上有一根伸出的管子，連到一個帶有刻度的瓶子，小瓶刻度有2～15ml，大瓶刻度15～60ml。引發劑擠到瓶中，標明多少量，然后再擠出到樹脂中。
　　(4)混合設備  混合設備為空氣馬達帶動的攪拌器。可將預促進的樹脂稱量后放入桶中，再將引發劑放入桶中攪拌混合。由于樹脂是低閃點材料，故好用空氣馬達帶動攪拌機。

　　1.3　噴射鋪層

　　膠衣層固化到適當程度后，也可以用噴射法鋪短切玻璃纖維／樹脂層。如需加表面氈時，可先用刷子、輥子或噴槍將樹脂被覆于膠衣上，然后將預切割好的表面氈鋪在濕樹脂上，并仔細輥壓，以排除隱藏的氣泡。然后通過噴槍將纖維短切，并和樹脂一起噴射到模具上。
　　噴槍的類型雖不同，但玻璃纖維短切部分的作用是相同的。將連續的無捻粗紗喂入噴槍附帶的空氣驅動的短切器，即被切斷成一定長度(12～62mm)，并由噴槍噴出的樹脂流股帶送到模具表面。噴射設備有3種類型。
　　(1)引發劑注射型　樹脂與引發劑分別用泵或壓力罐的壓力喂到噴槍，在噴嘴的小混合室中混合，然后進到噴頭。樹脂與引發劑是經準確計量的，引發劑量可按0.5％～5％(質量分數)范圍調節。引發劑由壓力罐系統在低壓下送到噴搶，注射到樹脂中。樹脂加促進劑則用泵直接供應到噴槍，與引發劑混合。噴槍有1～2個噴嘴。單嘴噴樁適用于窄的、構形較復雜的部件，產量較低。雙嘴噴槍用于面積大、構形不復雜的部件，產量較高。纖維切割的出口位于噴嘴上方，切斷的纖維落入樹脂同噴出。纖維到達模具表面前已浸泡樹脂。噴槍還附設溶劑稀釋系統，在停工時可以用溶劑洗滌混合室與噴嘴。噴槍由空氣馬選驅動，其示意見圖14-4。

　　(2)引發劑噴射型　與引發劑注射型相似，所用噴槍有所不同。槍中不設混合室，引發劑離開噴嘴后，注射入樹脂流股，噴射入樹脂流中，在槍外混合。其優點是免除了丙酮沖洗噴頭的工序，減少了起火危險。引發劑噴射型噴嘴工作原理見圖14-5。

　　(3)復合噴射型　預促進與預引發的兩種樹脂分別喂入噴槍，在噴嘴口以預定比例一起噴射到模具表面，混合方式可以在噴嘴內或噴嘴外。玻璃纖維紗經切割后落入樹脂流股中。為了精確掌握引發劑與促進劑用量，美圍維納斯(Venus)公司制造了樹脂專用的比例泵，其結構原理見圖14-6。噴射樹脂用噴槍見圖14-7。

　　玻璃纖維紗的短切原理都是采用刀口擠壓折斷的方法。有兩個相對旋轉的輥子，一個是橡膠覆面輥，一個是刀片輥，刀片沿輥子軸向，刀口將纖維壓入橡膠層中，使纖維斷面上內、外半側各受壓應力與拉應力而折斷。刀口半徑尺經使用一階段后磨損增大，纖維與橡膠接觸角φ也會因膠輥磨損而減小。R、φ值改變到一定程度時，不能保證折斷纖維必需的拉應力和壓應力，纖維即不能被切斷．此時需要更新刀片或膠輥。短切輥作用原理見圖14-8。

　　在開始噴射鋪層之前，應先不含纖維噴少量樹脂混合物到罐中，檢查樹脂的凝膠時間。再舍纖維檢查樹脂與纖維的比例。一般樹脂對纖維的質量比波動于(2.5:1)～(3.5:1)之間。
　　鋪層開始后，層聚酯樹脂和玻璃纖維應噴得薄些(約1mm)。然后，先用短絨毛輥，再用金屬層合輥仔細輥壓，使引發劑和已促進的樹脂混合均勻，并完全提透纖維，同時使氣泡排除干凈。樹脂與玻璃纖維復合層與膠衣層要完全濕透，角、邊上沒有拱起，等層鋪層先凝膠后再繼續鋪層。
　　以后每次樹脂玻璃纖維鋪層可鋪2mm左右，用輥壓排除氣泡。若鋪層超過2mm氣泡不易排除。如此反復進行，達到要求厚度。在鋪層時，將相鄰層的噴射操作方向交換90°，可提高制品強度性能。
　　如需結合使用粗格子布以提高制品強度與硬挺度時，在鋪粗格子布前要先噴足夠量的樹脂，然后再鋪布并輥壓，使樹脂滲入纖維，并趕出氣泡。玻璃布應預先切割好形狀，并與噴射層交替疊合。不可將兩層粗格子布疊合在一起，否則制品受彎時層間會產生剪應力而被破壞。
　　制品面積較大時，一次要噴滿全部面積。制品厚度大時，需分階段施工。各階段之間要使樹脂先凝膠，以防止過度放熱。
　　如有加強筋、鑲嵌件時，可在制品厚度已完成大部時將嵌入物放入混合樹脂中，再噴上樹脂和玻璃纖維，達到設計要求。
　　噴射速度一般掌握在每分鐘噴2～10kg復合材料。
　　對于深的模具應采用抽風系統將苯乙烯揮發物抽走，以保證制品的均勻固化。
　　后一層鋪覆后，用表面氈覆蓋并輥壓密實，可得到較平滑的富樹脂表面層，再噴一層頂面樹脂，使全部層合結構密封。
　　其他固化、修邊、后固化以及脫模等與手糊法相同。

　　1.4　環境溫度對樹脂固化工藝的影響

　　接觸成型一般在室溫下進行，但隨著氣候的變化，室溫也會隨之變化。環境溫度對樹脂的固化過程有明顯的影響。溫度升高，凝膠與固化時間縮短，放熱峰溫度上升。反之，則凝膠與固化時間延長，放熱峰溫度降低。這一點對玻璃鋼制品的制造及產品性能都將發生影響。采用過氧化環己酮與環烷酸鈷、過氧化苯甲酰與二乙基苯胺、異丙苯過氧化氫與環烷酸鈷3種不同的引發系統在不同環境溫度下的固化工藝參數見表14-2。

　　環境溫度變化對過氧化環己酮及過氧化苯甲酰引發的樹脂的固化時間與放熱峰溫度影響曲線分別示于圖14-9、圖14-10。采用過氧化苯甲酰引發的樹脂在不同環境溫度下的放熱曲線見圖14-11。

　　由圖14-9、圖14-10可見，環境溫度波動可能造成樹脂固化時間的顯著波動。溫度由15℃上升到25℃，固化時間可縮短為1/3；再升到35℃時，固化時間縮短為1/7~1/8。放熱峰溫度變化也顯著（圖14-11），影響到制品的固化特性。為此，要保持產品的質量穩定，先建議保持車間溫度在18~20℃，冬季應有采暖?？諝鉂穸群玫陀?0％，濕度過大，空氣中水分會滲透到層合板結構中，造成潛在缺陷。環境溫度超過20℃以上時，可相應降低引發劑合促進劑用量，或調整工藝條件進行生產。