玻璃钢制品的设计与建造

玻璃钢制品的设计与建造

0救生排放、运输和小工作排放的量表1969年至2000年，该公司拥有专门的玻璃制品设计和生产（救援船、高速船、工作船、玻璃钢消防箱、玻璃窗框等）。从1993年到1996年,当时的玻璃钢制品不管从质量到产量,都达到鼎盛时期。自行设计及生产的6.0m、6.5m、7.0m、8.0m吊架降落式全封闭耐火救生艇,取得过CCS、NK、BV、LR、ABS等证书;自行设计及生产的交通快艇,销往珠海、江门、汕头、太平等地方;自行设计及生产的小工作艇,还曾销往非洲、东南亚等地区。可惜因为各种原因,公司在2000年底撤销了该部门。近几年,玻璃钢行业在我国得到迅猛发展,广船国际也有意在这领域重占市场。本人曾在当时(1993～2000)一直从事玻璃钢救生艇、快艇的设计及建造工艺工作。本人有意想把自己当时在工作中所积累的点滴体会,提供一些极粗糙的资料及不成熟意见,供有意从事于玻璃钢制品设计、建造的技术人员讨论。希望这些资料有参考价值。1钢板船的特性玻璃钢的科学名称是玻璃纤维增强塑料,它是国外20世纪初开发的一种新型复合材料,是以玻璃纤维或其织物(玻璃布、带、毡等)为增强材料,以合成树脂为基体而制成的一种复合材料。它具有质轻、高强、防腐、保温、绝缘、隔音、寿命长等诸多优点。由于其强度相当于钢材,又含有玻璃成分,也具有玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能,因此形成了这个通俗易懂的名称“玻璃钢”。玻璃钢的特点是比重轻,只有1.85吨/立方米,比强度(强度与重量的比值)高,无磁性,电磁波的穿透性好,耐腐蚀,抗海生物力强,成型方便,是一种能大量节约能源的新型现代材料。用玻璃钢制造的船的维修费用比木船和钢船少很多,吸水率大大低于木材,整体成型无缝隙,不渗水漏水。另外,玻璃钢船还有加工容易,不锈不烂,容易着色,不需油漆等优点。由于玻璃钢产品,可以根据不同的使用环境及特殊的性能要求,自行设计复合而成,因此只要选择适宜的原材料品种,基本上可以满足各种不同用途对于产品使用时的性能要求。所以说玻璃钢材料是一种具有可设计性的材料品种。在造船工业方面,玻璃钢被用于制作船体及船用舾装件,使船舶无论在防腐、防微生物、延长使用寿命,还是在提高承载能力、航行速度及深潜性能方面,都有着突出的优点,而且它具有成型简便、维修费用低和船体自重轻的特点。因此,从小型船艇(救生艇、工作艇、交通快艇、游艇等)、渔船到潜水艇、扫雷艇、深水探测器,直到大型巡洋舰都成功地应用了玻璃钢。2生产介绍2.1材料中产生的材料有(1)增强材料(玻璃纤维及其织物),常用的有无碱玻璃纤维和中碱玻璃纤维。无碱玻璃纤维强度较高,耐水性、电性能、耐碱性都较好,但耐酸性较差,价格较贵;中碱玻璃纤维强度比无碱玻璃纤维差,耐水性、耐碱性和电性能都较差,但耐酸性好,价格低。在船舶建造中,一般都选用无碱玻璃纤维,这主要是考虑耐水性和强度的原因。手糊成型玻璃钢制品中常用的玻璃纤维及其织物主要有:①无捻粗纱—一主要用于填充死角或局部加强;②短切纤维——主要用于填充死角;③玻璃纤维带——产品局部加强;④无捻方格布——手糊工艺中主要增强材料,工艺性好,气泡易于排除,制品抗冲击性好,价格便宜,用于厚度大强度要求不高的制品,手糊成型用的玻璃布要预先经过脱蜡(经浸润剂前处理的玻璃布不必脱蜡)、表面处理、防潮湿处理、去除油垢。耐蚀玻璃钢制品用的玻璃布一般采用耐酸性好的中碱玻璃布;⑤短切纤维毡一一主要用于制品表面,能使制品表面平整光滑,浸渍性好,气泡易排除,形变性好,施工方便,制品含胶量大,价格便宜,增厚效率高等。(2)树脂,在手糊成型工艺中,最常用的是聚酯树脂(工艺性好,价格较便宜,但机械强度不如环氧树脂);环氧树脂(价格比较贵,机械强度比聚酯高,但较脆,耐水性、耐碱性优良,收缩率小)次之;酚醛树脂(毒性大)很少单独使用;(3)辅助材料,手糊成型的玻璃钢辅助材料包括各种固化剂、引发剂、促进剂、填料、颜料等。2.2可扩充模模的企业主要是利用模具进行制造工艺(1)手糊法一—手糊成型工艺又称接触成型,是树脂基复合材料生产中最早使用和应用最普遍的一种成型方法。手糊成型工艺是以加有固化剂的树脂混合液为基体,以玻璃纤维及其织物为增强材料,在涂有脱模剂的模具上以手工铺放结合,使二者粘接在一起,制造玻璃钢制品的一种工艺方法;(2)模压法一—热固性模压成型是将一定量的模压料加入预热的模具内,经加热加压固化成型塑料制品的方法。其基本过程是:将一定量经一定预处理的模压料放入预热的模具内,施加较高的压力使模压料填充模腔。在一定的压力和温度下使模压料逐渐固化,然后将制品从模具内取出,再进行必要的辅助加工即得产品;(3)纤维缠绕成型法一—纤维缠绕工艺是树脂基复合材料的主要制造工艺之一。是一种在控制张力和预定线型的条件下,应用专门的缠绕设备将连续纤维或布带浸渍树脂胶液后连续、均匀且有规律地缠绕在芯模或内衬上,然后在一定温度环境下使之固化,成为一定形状制品的复合材料成型方法;(4)拉挤成型法—一拉挤成型工艺是通过牵引装置的连续牵引,使纱架上的无捻玻璃纤维粗纱、毡材等增强材料经胶液浸渍,通过具有固定截面形状的加热模具后,在模具中固化成型,并实现连续出模的一种自动化生产工艺。我国有90%以上的玻璃钢产品都是手糊法生产的,手糊法基体树脂通常采用不饱和聚酯树脂或环氧树脂,增强材料通常采用无碱或中碱玻璃纤维及其织物。在手糊成型工艺中,机械设备使用较少,它适于多品种、小批量制品的生产,而且不受制品种类和形状的限制。2.3模模的制作要点模具在几种主要的成型方法中占有重要地位,在手糊法中它是唯一的成型工具。合理的选择模具对保证产品质量和降低成本关系极大。手糊成型的模具分为单模和对模两类。单模又分为阴模和阳模两种。不论单模或对摸都可以根据工艺要求设计成整体模和拼装模。(1)阴模:阴模的工作面是向内凹陷,用阴模生产的产品外表面光滑,尺寸准确。但凹陷深的阴模操作不方便,排风困难,也不易控制质量,劳动条件差。多用于外表面要求高的产品,如船体等;(2)阳模:阳模的工作面是凸的。用阳模生产的产品内表面光滑,尺寸准确,操作方便,质量容易控制,便于通风处理;(3)对模:对模是由阴模和阳模两部分组成,通过定位销装配。用对模生产的产品内外表面都很光滑,厚度准确。对模一般用来生产内外表面精度及产品厚度要求高的制品,但上模要经常搬动,从而不适应于大型制品的生产;(4)拼装模:拼装模的构造比较复杂,但是由于某些产品结构复杂或为了方便脱模,常将模具分成几块拼装。在设计模具时,要综合考虑以下几点:①符合产品设计的精度要求;②有足够的刚度和强度,使用周期长;③容易脱模。脱模难易是评定模具设计的重要指标。一般大型制品多用拼装模。在模具设计中,拐角处尽量避免锐角;④材料易得,造价低。模具的经济效果,不仅要从模具本身的造价考虑,而且要从使用周期来折算。根据制造模具的材料分,模具的种类有:木模,硅胶模,石膏模,玻璃钢模,钢模、石蜡模、水泥模、泡沫塑料模等。3钢船的设计和制造3.1钢结构材料的力学性能玻璃钢船是指用玻璃纤维增强塑料作为船体结构主要材料、以柴油机驱动的船。玻璃钢船的结构与钢船、木船有很大不同,钢船、木船当所选用的材料定好以后,其材料的力学性能就定格了。而玻璃钢船就不同,船体材料与结构是同时成型的,材料选择、结构形式、铺层设计、建造工艺、施工方法、施工环境以及工人的操作水平都能影响它的性能。所以说玻璃钢船的结构设计包含了材料选择、结构形式、铺层设计、建造工艺、施工方法及环境以及工人的操作水平等所有内容。因此,对于有特殊要求的船体结构层板,一般要求在与制品糊制环境相当的情况下,由合格的操作工人糊制试验样板,提供给有关部门校核,得出性能数据后才用于特定部位。3.2钢加强构件的应用(1)无构架形式,即夹层结构。一般用于船体壳板及壁板等,玻璃钢夹层结构的面层材料是比较薄的玻璃钢,芯材主要是厚而轻的泡沫塑料、软木等,采用夹层结构主要是提高结构物的刚度,同时芯材能起到提高减振及隔音的作用;双壳体也是夹层结构的一种,一般应用在小船(如救生艇,艇体与内壳之间、顶篷与内壳之间用聚氨酯现场发泡泡沫塑料填充);(2)有构架形式,即是结构上有加强构件。玻璃钢船的加强构架形式有很多种,有开截面式:如L形、槽型、Z形、T形、工字形等,见图1,这些都是将预先层压的型材通过现场粘结后制得的,这种加强材对于象玻璃钢这样低模量材料来说,容易因扭曲和纵弯造成变形,所以这种截面的效果不太好。效果比较好的是闭截面式:如半圆形截面、圆顶帽形截面、矩形帽形截面及梯形帽形截面等,见图2。其中半圆形截面及圆顶帽形截面虽然容易糊制,但泡沫芯材加工比较困难,另外,矩形帽形截面根部容易堆积过多的树脂而产生收缩。综上所述,最值得推广的是梯形帽形截面。(3)混合形式;如底部用构架形式,上部用无构架形式。3.3胶衣层、混合材料的安装(1)在模具表面涂脱模剂:在玻璃钢成型中,为使制品与模具分离而涂于模具成型面的物质,称为脱模剂。凡是与合成树脂粘结力小的非极性或极性微弱的一类物质,都可作脱模剂用。但脱模剂还应具备下列条件:不腐蚀模具,不影响树脂固化,成模均匀、光滑,成膜时间短,使用方便,价格低廉。脱模剂一般分为片状、溶液型、油蜡类三类。溶液型脱模剂应用最为广泛。目前国内手糊成型最常用的一种脱模剂是聚乙烯醇溶液。(2)糊制胶衣层:糊制时,制品表面先做一层树脂含量高的胶衣层。它可以是纯胶衣树脂层,也可以用表面毡增强。厚度一般0.25～0.4mm。另外,为了产品外表的美观或客户对产品外表特定的颜色要求,可以在胶衣层加入相应颜色的颜料糊。(3)糊制玻璃钢层:胶衣层开始凝胶时,即可根据设计好的铺层,用选定的树脂胶液糊制玻璃钢至设计厚度。树脂胶液含胶量一般控制在45%～55%之间。操作时室温一般控制在15°以上,湿度不高于75%。锐角、尖角等复杂部位,应填充玻璃纤维和树脂。厚的玻璃钢制品应分层糊制,每次糊制厚度以小于10mm为宜,否则会因固化热使制品变形。对聚酯玻璃钢,为避免树脂阻聚,糊制完毕后,表面必须与空气隔绝,待完全固化后脱模。(4)预埋件敷设:用于安装固定特定设备或舾装件而设置的金属预埋件,预埋件预埋前必须经过酸洗、去污、去油(以保证粘结牢固),并先在模具上定位,预埋件应当在结构层糊制厚度达2/3时埋入。埋入嵌件后的表面增强层厚度,应与结构层厚度相当。嵌件表面增强层的厚度应逐渐减薄,以减少应力集中,嵌件埋设位置应尽量对称或在设备中心位置,距边缘不要太近。避免使用铜材作预埋材料(因为铜在树脂固化时能生成有机化合物,起阻聚作用);若使用木质材料作预埋材料时,应采用胶合板类型材料。木材表面应涂加有溶剂的稀释了的树脂涂料,粘合处应不透水,并应耐水解。(5)脱模:手糊聚酯玻璃钢一般在成型后24小时可达到脱模强度,脱模后再放置一周左右即可使用。3.4接枝的连接主要有三种:(1)胶接:胶接根据连接件的相对位置可分为以下几种,见图3:搭接和对接在玻璃钢船装配中采用较多;带斜口的对接是对接和搭接的折中(多用在修补破洞或填补安装孔);角接中采用最多的是T型连接;(2)机械连接:通常在下列情况下采用:①可拆连接:采用纯螺栓连接(要注意水密性);②作用有很大剥离力的不可拆连接,特别是薄板结构(t<5mm);③玻璃钢与金属、木结构之间的连接等。(3)混合连接:在允许的场合最好采用混合式连接。最典型的混合连接见船体与甲板的装配,见图4。4扩展裂纹、针孔、胶孔、背景信息(1)鼓泡:层板表面大面积隆起,一般为内部分层所致;(2)皱褶:局限在表面(大面积和小面积)的皱纹,表明模具表面湿气太大,和糊制时固化辅料中湿气太大;不局限在表面的皱褶,其成因主要为树脂含量过大;(3)桔皮纹:有乳头状突起的涂层表面,这是由于表面涂层施工不良所致,或因涂层化合物与脱模剂不相容所造成的;(4)裂痕:仅存在于涂层表面裂痕或已向层板深处扩展的裂纹,一般意味着固化速度太快,其处树脂过多和固化不正常;(5)表面发粘:通常伴随有浓的苯乙烯气味(不同于充分固化时树脂的微弱气味),意味着固化不完全;(6)针孔:成型表面上规则和不规则的针孔,显示了空气进入表面涂层和进入表面涂层与脱模剂之间;(7)纤维裸露:局部泛白的纤维过多,原因是:脱模过早;树脂与纤维或其浸润剂不相适应;纤维增强材料分布不均匀;(8)缺胶面:增强纤维材料浸渍不好,原因是:增强纤维材料局部过多;糊制时树脂分布不均匀;凝胶硬化过早;(9)积胶面:这些表面实际上仅含树脂,使用中很快出现裂缝,原因是:部件设计没有适应纤维增强塑料的特点,曲线变化太突然;(10)局部积胶:表面树脂局部积聚,因反应热而变色,出现裂缝,属操作不良所致;(11)分层:增强材料层间分离,其原因是:固化不完全;固化不正常;糊制时有潮气存在;在完全固化前受碰撞;模具上局部温度过高;脱模过早;局部缺少树脂;(12)