玻璃纤维复合材料构件地模具要求与制作流程

1、1. 模具设计模具时，必须综合考虑以下要求：满足产品设计的精度要求，模具尺寸精确、表 面光滑；要有足够的强度和刚度；脱模方便；有足够的热稳定性；重量轻、材料来 源充分及造价低。模具材料应满足以下要求： 能够满足制品的尺寸精度， 外观质量及使用寿命要求； 模具材料要有足够的强度和刚度， 保证模具在使用过程中不易变形和损坏； 不受树脂侵蚀， 不影响树脂固化；耐热性好，制品固化和加热固化时，模具不变形；容易制造，容易脱 模；昼减轻模具重量，方便生产；价格便宜，材料容易获得。脱模剂基本要求：不腐蚀模具，不影响树脂固化，对树脂粘接力小于O.OIMPa；成膜时间短，厚度均匀，表面光滑；使用安全，无毒害作用

2、；耐热、能以受加热固化的温 度作用；操作方便，价格便宜。2. 手糊成型（1）原材料增强材料手糊成型对增强材料的要求： 增强材料易于被树脂浸透； 有足够的形变性， 能满足 制品复杂形状的成型要求； 气泡容易扣除； 能够满足制品使用条件的物理和化学性能要 求；价格合理（尽可能便宜），来源丰富。用于接触成型的增强材料有玻璃纤维及其织物， 碳纤维及其织物， 芳纶纤维及其织物等。 其中常用的玻璃纤维增强材料有以下几种：无捻粗纱、无捻粗纱布、加捻布、短切玻璃纤维毡、玻璃纤维织物。基体材料手糊成型工艺对基体材料的要求：在手糊条件下易浸透纤维增强材料，易排除气泡， 与纤维粘接力强； 在室温条件下能凝胶， 固化

3、，而且要求收缩小， 挥发物少； 粘度适宜： 一般为0.20.5Pa s,不能产生流胶现象；无毒或低毒；价格合理，来源有保证。在手糊成型技术中， 最常用的是不饱和聚酯树脂， 其次是环氧树脂、 酚醛树脂和呋喃树 脂,乙烯基树脂等也有少数应用。辅助材料 接触成型工艺中的辅助材料,主要是指填料和色料两类,而固化剂、稀释剂、增韧剂等,归 属于树脂基体体系。（ 2）工艺流程生产准备场地：手糊成型工作场地的大小, 要根据产品大小和日产量决定, 场地要求清洁、 干燥、 通风良好，空气温度应保持在1535C之间，后加工整修段，要设有抽风除尘和喷水装置。模具准备：准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。树脂胶液配制：

4、 配制时，要注意两个问题： 防止胶液中混入气泡； 配胶量不能过多， 每次配量要保证在树脂凝胶前用完。增强材料准备：增强材料的种类和规格按设计要求选择。糊制与固化铺层糊制：手工铺层糊制分湿法和干法两种：干法铺层用预浸布为原料，先将预学好料(布)按样板裁剪成坏料，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。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。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%

5、 (巴柯尔硬性度为 15),可以脱模，脱后在自然环境条件下固化12周才能使制品具有力学强度，称熟化，其固化度达85%A上。加热可促进熟化过程， 对聚酯玻璃钢，80 C 加热3h,对环氧玻璃钢，后固化温度可控制在 150C以。加热固化方法很多，中小型制品可 在固化炉加热固化，大型制品可采用模加热或红外线加热。脱模和修整脱模：脱模要保证制品不受损伤。脱模方法有如下几种：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。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。大型制品(如船)脱模可借助千斤顶、吊

6、车和硬木楔等工具。复杂制品可采用手工脱模方法 先在模具上糊制二三层玻璃钢，待其固化后从模具上剥离，然后再放在模 具上继续糊制到设计厚度，固化后很容易从模具上脱下来。修整：修整分两种：一种是尺寸修整，另一种缺陷修补。尺寸修整成型后的制品，按设计尺寸切去超出多余部分； 缺陷修补 包括穿孔修补， 气泡、裂缝修补， 破孔补强等。3. 喷射成型( 1 )分类喷射成型机按喷射方式分类，可分为：(1)高压型：用泵把树脂送入喷枪，借泵压进行喷射；用空压机将树脂罐和固化剂罐加压，在该压力下，将树脂和固化剂压入喷枪进行喷 射。 (2) 气动型 ： 树脂、固化剂或它们的混合物借压缩空气喷出的力与空气雾化、喷出。 按

7、混合形式分类，可分为 ：(1 部混合型 ： 在喷枪部混入引发剂后进行喷射。 (2) 外部混合型 ： 分别含有促进剂和引发剂的树脂由喷枪喷出呈雾状相互混合，有单独喷射引发剂和喷射含引发剂树脂的两种类型。 (3) 已混合型 ： 事先调配好含促进剂和引发剂的树脂，由喷枪喷出。( 2)工艺流程在喷射成型开始以前， 应该先检查树脂的凝胶时间， 测定方法是将少量的树脂喷入小罐 中，测定其凝胶时间 ; 还必须检查树脂对玻璃纤维的比例， 一般树脂对玻璃纤维的比例在 2.5 比1到3.5 比1之间。待胶衣树脂凝胶后 发软而不粘手 ） ，就可以开始喷射成型操作。 如果没有胶衣树脂， 应 先在模具上喷一层树脂。 然

8、后开动切割器， 开始喷射树脂和纤维的混合物。 第一层应该喷射 得薄一些（约1mm厚），并且仔细滚压，首先用短的马海毛滚，然后用螺旋滚 .以确保树脂和 固化剂混合均匀以及玻璃纤维被完全浸润。 仔细操作， 确保在这一层中没有气泡， 而且这一 层必须完全润湿胶衣树脂，待这一层凝胶后再喷下一层。接下来的每一层约喷射 2mm厚,如果太厚，则气泡难以除去，制品质量不能保证。每喷射一层都要仔细滚压除去气泡。如此重 复，直至达到设计厚度。要获得较高强度的制品， 则必须与粗纱布并用， 在使用粗纱布时， 应先在模具上喷射足 够量的树脂，再铺上粗纱布，仔细滚压，这样有利于除去气泡。对大多数喷射设备，其喷射 速率一般

9、是 2-10kg /min 。 与手糊成型一样，最后一层可以使用表面毡，再涂上外涂层。固化、修整、后固化及脱模等 工序与手糊成型法相同。4. RTM 成型工艺RTM用树脂体系应满足：1 ）粘度低，浸润性好，便于树脂在模腔顺利均匀地通过并浸渍纤维；2）固化放热峰低，以 100180C为宜；3）活性高，凝胶时间和固化时间短，但在注射时又要有较长的适用期；4）树脂系统不含溶剂，固化时无低分子物析出，同时又适宜增加填料，尤其是树脂消 泡性要好；5）收缩率低，以保证制品尺寸准确，且所需的树脂应为预促进型。RTM使用的高性能树脂基体包括：不饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂，环氧树酯，双马来酰亚 胺树脂，热塑性树

10、脂。目前主要为环氧树脂。RTM成型对增强材料的要：1）增强材料的分布应符合制品结构设计的要求，要注意方向性；2）增强材料铺好后其位置和状态应固定，不动不应因合模和注射树脂而动；3）对树脂的浸润性要好；4）利于树脂的流动并能经受树脂的冲击。RTM成型工艺的原理复合材料树脂传递模塑（Resin Transfer Molding , RTM法是从湿法铺层和注塑工艺 中演变而来的一种新的复合材料成型工艺 6 。所谓树脂传递模塑，一般是指在闭合模腔中 预先铺覆好按性能和结构要求设计好的增强材料预成型体 （包括螺栓、螺帽、聚氨酯泡沫塑 料等嵌件 ） ，夹紧后，从置于适当位置的注入孔在一定温度及压力下将配好

11、的树脂注入模具 中，在室温或升温条件使之与增强材料一起固化，最后启模、脱模而得到成型制品。图1为RTM成型工艺示意图。a淌放核成唱体d脱欖图1 RTM成型工艺示意图RTMT艺通常包括以下四个步骤：一、从卷材上裁剪增强材料并铺叠在一起；二、使增 强材料具有一定的形状、按照制品的形状修剪预成型体；三、充模（包括预成型体的铺放,树脂的注射以及固化）；四、脱模及加工。5. 缠绕成型（1）分类根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。干法缠绕干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸纱（或带）是专业生产，能严

12、格控制树脂含量（精确到2%以）和预浸纱质量。因此，干法缠绕能够准确地控制产品质量。干法缠绕工艺的最大特点是生产效率高，缠绕速度可达100200m/min，缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。其缺点是缠绕设备贵， 需要增加预浸纱制造设备，故投资较大此外，干法缠绕制品的层间剪切强度较低。湿法缠绕 湿法缠绕是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点为：成本比干法缠绕低40%产品气密性好，因为缠绕力使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙；纤维排列平行度好；湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；生产效率高（达 200m/min ）。湿法缠绕的缺点为：树脂浪费大，

13、操作 环境差；含胶量及成品质量不易控制；可供湿法缠绕的树脂品种较少。半干法缠绕 半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。（2）原材料增强材料 缠绕成型用的增强材料，主要是各种纤维纱：如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃 纤维纱，碳纤维纱，高强玻璃纤维纱，芳纶纤维纱及表面毡等。树脂基体 树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。缠绕制品的耐热性，耐化学腐 蚀性及耐自然老化性主要取决于树脂性能， 同时对工艺性、

14、 力学性能也有很大影响。 缠绕成 型常用树脂主要是不饱和聚酯树脂， 也有时用环氧树脂和双马来酰亚胺树脂等。 对于一般民 用制品如管、 罐等， 多采用不饱和聚酯树脂。 对力学性能的压缩强度和层间剪切强度要求高 的缠绕制品， 则可选用环氧树脂。 航天航空制品多采用具有高断裂韧性与耐湿性能好的双马 来酰亚胺树脂。填料 填料种类很多，加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性 和降低收缩率等。在胶液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的刚性，减小密度降低成本等。 在生产大口径地埋管道时，常加入 30%石英砂，借以提高产品的刚性和降低成本。为了提高 填料和树脂之间的粘接强度，填料要保证清洁和表面

15、活性处理。（3）芯模成型中空制品的模称芯模。一般情况下， 缠绕制品固化后，芯模要从制品脱出。芯模设 计的基本要求要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种 载荷，如自重、制品重，缠绕力，固化应力，二次加工时的切削力等；能满足制品形状和 尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；制造简单，造价便宜，取材方便。芯模材料 缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材料是指 石蜡， 水溶性聚乙烯醇型砂，低熔点金属等， 这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制 品缠绕成型后，从开口处通入热水或高

16、压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的溶体， 冷却后重复使用。组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还有衬 材料，衬材料是制品的组成部分， 固化后不从制品中取出， 衬材料的作用主要是防腐和密封， 当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。（ 4）缠绕机缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备， 对缠绕机的要： 能够实现制品设计的缠绕规 律和排纱准确；操作简便；生产效率高；设备成本低。缠绕机主要由芯模驱动和绕丝嘴驱动两大部分组成。 为了消除绕丝嘴反向运动时纤维松 线，保持力稳定及在封头或锥形缠绕制品纱带布置精确，实现小缠绕角（0。15°）缠绕

17、，在缠绕机上设计有垂直芯轴方向的横向进给 （伸臂） 机构。 为防止绕丝嘴反向运动时纱带转 拧，伸臂上设有能使绕丝嘴翻志的机构。（ 5）缠绕成型工艺：缠绕的工艺过程一般包括芯模和衬的制造、 树脂胶液的配制、 纤维热处理和烘干、 浸胶、 胶纱烘干、在一定力下进行缠绕、固化、检验、加工成制品等工序。影响缠绕制品性能的主要工艺参数有纤维的浸胶、 胶液含量及分布、 胶纱烘干、缠绕力、 纱片缠绕位置、固化制度、缠绕速度、环境温度等，这些因素多半紧密地联系在一起。合理 的选择工艺参数是充分发挥原料的特性、制造高质量的缠绕制品的重要环节。纤维浸胶：含胶量高低直接关系到制品的重量和厚度。含胶量过高，制品的强度降

18、低， 成型和固化时流胶严重；含胶量过低，制品孔隙率增加，气密性、耐老化性、剪切强度均下 降。缠绕力： 力的大小、 各纤维束之间力的均匀性以及各缠绕层之间纤维力的均匀性， 对制 品的质量影响极大、合适的缠绕力可以使树脂产生预应力，从而提高树脂抵抗开裂的能力。 各纤维束之间如果力不匀， 当承受载荷时， 纤维会被各个击破， 使总体强度的发挥大受影响。 为使制品各缠绕层在力作用下不出现松外紧现象， 应使缠绕力有规律的递减， 以保证各层都 有相同的初始应力。 缠绕力将直接影响制品的密实程度和空隙率， 且对纤维浸渍质量和制品 的含胶量影响很大。缠绕速度： 缠绕速度是指纱线速度应控制在一定的围之。 速度过小

19、则生产效率低， 速度 过快则树脂容易溅洒、胶液浸不透或杂质易吸入。固化制度： 固化制度是指保证树脂充分固化的重要条件， 直接影响制品的物理力学性能。 固 化制度包括加热的温度围、升温速度、恒温温度及时间、 降温冷却等。 要根据制品的不同性 能要求采用不同的固化制度， 且不同的树脂系统， 固化制度也不相同， 一般都要根据树脂的 配方、制品性能要求以及制品的形状、尺寸及构造情况，通过实验来确定合理的固化制度。6. 挤压成型拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续玻璃纤维束、 带或布等， 在牵引力的作用下， 通 过挤压模具成型、 固化， 连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。这种工艺最适于生产各种断面形状的

20、玻璃钢型材，如棒、管、实体型材（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门 窗型材、叶片等）等。拉挤成型是复合材料成型工艺中的一种特殊工艺，其优点是：生产 过程完全实现自动化控制，生产效率高；拉挤成型制品中纤维含量可高达80%浸胶在力下进行，能充分发挥增强材料的作用，产品强度高；制品纵、横向强度可任意调整，可以 满足不同力学性能制品的使用要求； 生产过程中无边角废料， 产品不需后加工， 故较其它 工艺省工，省原料，省能耗；制品质量稳定，重复性好，长度可任意切断。拉挤成型工艺 的缺点是产品形状单调，只能生产线形型材，而且横向强度不高。（1）拉挤工艺用原材料树脂基体 在拉挤工艺中，应用最多的是不饱和聚酯树脂，约占本工艺树脂用量的90以上，另外还有环氧树脂、乙烯基树脂、热固性甲基丙烯酸树脂、改性酚醛树脂、阻燃性树 脂等。增强材料 拉挤工艺用的增强材料，主要是玻璃纤维及其制品，如无捻粗纱、连续纤维 毡等。 为了满足制品的特殊性能要求，可以选用芳纶纤维、碳纤维及金属纤维等。 不论是哪 种纤维，用于拉挤工艺时，其表面都必须经过处理，使之与树脂基体能很好的粘接。辅助材料 拉挤工艺的辅助材料主要有脱模剂和填料。（ 2）拉挤成型模具模具是拉挤成型技术的重要工具， 一般由预成型模和成型模两部分组成。 预成型模具 在拉挤成型过程中，增强材料