01拉擠成型工藝概述
復(fù)合材料拉擠成型工藝技術(shù)是一種先進(jìn)的生產(chǎn)方法,主要用于生產(chǎn)玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)
材料的制品。該技術(shù)始于1948年的美國(guó),用于制造具有恒定截面FRP(纖維增強(qiáng)塑料)型材,
并在全世界得以發(fā)展推廣。其優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)效率高、制品質(zhì)量穩(wěn)定、成本低等。隨著科技的不斷
進(jìn)步,該技術(shù)在過(guò)去的幾十年中得到了快速發(fā)展,并逐漸實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。
拉擠型材廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備、耐腐蝕部件、建筑工程、運(yùn)輸行業(yè)及軍事等領(lǐng)域,目前正處
在高速發(fā)展的階段。拉擠成型從理論上可以生產(chǎn)出任意長(zhǎng)度的制品,典型的拉擠線速度為0.2~
1.5m/min,快速成型速率可以達(dá)到4m/min以上,并且可以同時(shí)生產(chǎn)多件產(chǎn)品,從而極大地提
高了成型效率,適用于大批量生產(chǎn);此外,生產(chǎn)過(guò)程可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,產(chǎn)品截面形狀實(shí)
現(xiàn)系列化與標(biāo)準(zhǔn)化,顯著降低了復(fù)合材料制品質(zhì)量的離散性,性能穩(wěn)定;纖維含量高,最高可達(dá)
80%,由于成型時(shí)纖維在張力作用下充分展直,纖維性能可以得到充分發(fā)揮,縱向力學(xué)性能突出
,原材料利用率也可達(dá)到95%以上。
02拉擠成型工藝發(fā)展
我國(guó)拉擠玻璃鋼成型工藝的研究開(kāi)始并不算晚。1968年北京二五一廠以拉擠法生產(chǎn)了玻璃鋼
管,1974 年拉制出了槽形玻璃鋼型材,1982年拉制出體操器材雙杠、高低杠的橫杠,并試制成功以
酚醛樹(shù)脂為基體的機(jī)電槽楔。
70年代武漢工業(yè)大學(xué)以拉擠法生產(chǎn)了小直徑園截面拉桿與接收天線。以上產(chǎn)品都是采用國(guó)產(chǎn)
樹(shù)脂和玻璃纖維原料,自己摸索的工藝技術(shù)與裝備研究開(kāi)發(fā)的拉擠技術(shù)。
自1985 年以來(lái),從外洋引進(jìn)拉擠成型玻璃鋼生產(chǎn)線30 多條,關(guān)于單元還結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)實(shí),消化吸收
外洋技術(shù)自行設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)線70條,全國(guó)拉擠玻璃鋼成型總生產(chǎn)能力近3萬(wàn)余噸。
90年代初,石油天然氣總公司湖北沙市鋼管廠與秦皇島耀華玻璃鋼廠以引進(jìn)技術(shù)與自行研制相
結(jié)合,開(kāi)發(fā)生產(chǎn)石油開(kāi)采抽油桿,遭到石油部門(mén)的認(rèn)可,已用于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)。我國(guó)拉擠玻璃鋼業(yè)迎來(lái)了
第一個(gè)春天,大小拉擠廠紛紛建立,開(kāi)始研制用拉擠法生產(chǎn)玻璃鋼門(mén)窗型材。
03拉擠成型工藝流程
3.1拉擠成型典型工藝流程
玻璃纖維粗紗排布——浸膠——預(yù)成型——擠壓模塑及固化——牽引——切割——制品
無(wú)捻粗紗從紗架引出后,經(jīng)過(guò)排紗器進(jìn)入浸膠槽浸透樹(shù)脂膠液,然后進(jìn)入預(yù)成型模,將多余
樹(shù)脂和氣泡排出,再進(jìn)入成型模凝膠、固化。固化后的制品由牽引機(jī)連續(xù)不斷地從模具拔出,最
后由切斷機(jī)定長(zhǎng)切斷。在成型過(guò)程中,每道工序都可以有不同方法:如送紗工序,可以增加連續(xù)
纖維氈,環(huán)向纏繞紗或用三向織物以提高制品橫向強(qiáng)度;牽引工序可以是履帶式牽引機(jī),也可以
用機(jī)械手;固化方式可以是模內(nèi)固化,也可以用加熱爐固化;加熱方式可以是高頻電加熱,也
可以用熔融金屬(低熔點(diǎn)金屬)等。
拉擠工藝用原材料
①樹(shù)脂基體:在拉擠工藝中,應(yīng)用最多的是不飽和聚酯樹(shù)脂,約占本工藝樹(shù)脂用量的90以上
,另外還有環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、熱固性甲基丙烯酸樹(shù)脂、改性酚醛樹(shù)脂、阻燃性樹(shù)脂等。
②增強(qiáng)材料:拉擠工藝用的增強(qiáng)材料,主要是玻璃纖維及其制品,如無(wú)捻粗紗、連續(xù)纖維氈
等。為了滿(mǎn)足制品的特殊性能要求,可以選用芳綸纖維、碳纖維及金屬纖維等。不論是哪種纖維,
用于拉擠工藝時(shí),其表面都必須經(jīng)過(guò)處理,使之與樹(shù)脂基體能很好的粘接。
③輔助材料:拉擠工藝的輔助材料主要有脫模劑和填料。
3.2拉擠成型設(shè)備組成
① 增強(qiáng)材料傳送系統(tǒng):如紗架、氈鋪展裝置、紗孔等。
② 樹(shù)脂浸漬:直槽浸漬法最常用,在整個(gè)浸漬過(guò)程中,纖維和氈排列應(yīng)十分整齊。
③ 預(yù)成型:浸漬過(guò)的增強(qiáng)材料穿過(guò)預(yù)成型裝置,以連續(xù)方式謹(jǐn)慎地傳遞,以便確保它們的
相對(duì)位置,逐漸接近制品的最終形狀,并擠出多余的樹(shù)脂,然后再進(jìn)入模具,進(jìn)行成型固化。
④ 模具:模具是在系統(tǒng)確定的條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)的。根據(jù)樹(shù)脂固化放熱曲線及物料與模具的摩擦
性能,將模具分成三個(gè)不同的加熱區(qū),其溫度由樹(shù)脂系統(tǒng)的性能確定。模具是拉擠成型工藝中最
關(guān)鍵的部分,典型模具的長(zhǎng)度范圍在0.6~1.2m之間。
⑤ 牽引裝置:牽引裝置本身可以是一個(gè)履帶型拉出器或兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的夾持裝置,以便確保
連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
⑥ 切割裝置:型材由一個(gè)自動(dòng)同步移動(dòng)的切割鋸按需要的長(zhǎng)度切割。
3.3拉擠成型工藝操作注意事項(xiàng)
成型模具的作用是實(shí)現(xiàn)坯料的壓實(shí)、成型和固化。模具截面尺寸應(yīng)考慮樹(shù)脂的成型收縮率。模
具長(zhǎng)度與固化速度、模具溫度、制品尺寸、拉擠速度、增強(qiáng)材料性質(zhì)等有關(guān),一般為600~1200
mm。
模腔光潔度要高以減少摩擦力,延長(zhǎng)使用壽命,易于脫模。通常用電加熱,對(duì)高性能復(fù)合材料
采用微波加熱。模具入口處需有冷卻裝置,以防膠液過(guò)早固化。浸膠工序主要掌握膠液相對(duì)密度
(黏度)和浸漬時(shí)間。其要求和影響因素與預(yù)浸料相同。
固化成型工序主要掌握成型溫度、模具溫度分布、物料通過(guò)模具的時(shí)間(拉擠速度),這是拉擠
成型工藝的關(guān)鍵工序。在拉擠成型過(guò)程中,預(yù)浸料穿過(guò)模具時(shí)產(chǎn)生一系列物理的、化學(xué)的和物理
化學(xué)的復(fù)雜變化,迄今仍不很清楚。
大體上講按照預(yù)浸料通過(guò)模具時(shí)的狀態(tài),可把模具分成三個(gè)區(qū)域。增強(qiáng)材料以等速穿過(guò)模具,
而樹(shù)脂則不同。在模具入口處樹(shù)脂的行為近似牛頓流體,樹(shù)脂與模具內(nèi)壁表面處的黏滯阻力減緩了
樹(shù)脂的前進(jìn)速度,并隨離模具內(nèi)表面距離的增加,逐漸恢復(fù)到與纖維相當(dāng)?shù)乃健?/span>
預(yù)浸料在前進(jìn)過(guò)程中,樹(shù)脂受熱發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),黏度降低,黏滯阻力增加,并開(kāi)始凝膠,進(jìn)入
凝膠區(qū),逐漸變硬,收縮并與模具脫離。樹(shù)脂與纖維一起以相同的速度均勻向前移動(dòng)。在固化區(qū)受
熱繼續(xù)固化,并保證出模時(shí)達(dá)到規(guī)定的固化度。固化溫度通常大于膠液放熱峰的峰值,并使溫度、
凝膠時(shí)間和牽引速度相匹配。預(yù)熱區(qū)溫度應(yīng)較低,溫度分布的控制應(yīng)使固化放熱峰出現(xiàn)在模具中部
靠后些,脫離點(diǎn)控制在模具中部。
三段的溫差控制在20~30℃,溫度梯度不宜過(guò)大。還應(yīng)考慮固化反應(yīng)放熱的影響。通常三個(gè)區(qū)
域分別用三對(duì)加熱系統(tǒng)來(lái)控溫。
牽引力是保證制品順利出模的關(guān)鍵。牽引力的大小取決于產(chǎn)品與模具間的界面剪應(yīng)力。剪應(yīng)力
隨牽引速度的增加而降低,并在模具的入口處、中部和出口處出現(xiàn)三個(gè)峰值。
入口處的峰值是由該處樹(shù)脂的黏滯阻力產(chǎn)生的。其大小取決于樹(shù)脂黏性流體的性質(zhì)、入口處溫度
及填料含量。在模具內(nèi)樹(shù)脂黏度隨溫度升高而降低,剪應(yīng)力下降。隨著固化反應(yīng)的進(jìn)行,黏度及剪應(yīng)
力增加。第二個(gè)峰值與脫離點(diǎn)相對(duì)應(yīng),并隨牽引速度的增加,大幅度降低。第三個(gè)峰值在出口處,是
制品固化后與模具內(nèi)壁摩擦而產(chǎn)生的,其值較小。
牽引力在工藝控制中很重要。要使制品表面光潔,則要求脫離點(diǎn)處的剪應(yīng)力(第二個(gè)峰值)小,并
且盡早脫離模具。牽引力的變化反應(yīng)了制品在模具中的反應(yīng)狀態(tài),并與纖維含量、制品形狀和尺寸、
脫模劑、溫度、牽引速度等有關(guān)。
拉擠成型是復(fù)合材料成型工藝中的一種特殊工藝,其優(yōu)點(diǎn)是:
①生產(chǎn)過(guò)程完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,生產(chǎn)效率高;
②拉擠成型制品中纖維含量可高達(dá)80%,浸膠在張力下進(jìn)行,能充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的作用,產(chǎn)品
強(qiáng)度高;
③制品縱、橫向強(qiáng)度可任意調(diào)整,可以滿(mǎn)足不同力學(xué)性能制品的使用要求;
④生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)邊角廢料,產(chǎn)品不需后加工,故較其它工藝省工,省原料,省能耗;
⑤制品質(zhì)量穩(wěn)定,重復(fù)性好,長(zhǎng)度可任意切斷。
04復(fù)合材料拉擠成型工藝技術(shù)的應(yīng)用
復(fù)合材料拉擠成型工藝技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,以下是幾個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域:
1. 航空航天領(lǐng)域:復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn),因此在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。采用
復(fù)合材料拉擠成型工藝技術(shù)可以制備出高質(zhì)量的航空航天器零部件,如機(jī)翼、機(jī)身等。
2. 汽車(chē)領(lǐng)域:汽車(chē)領(lǐng)域是復(fù)合材料拉擠成型工藝技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。采用該技術(shù)可以制備出
輕量化、高強(qiáng)度的汽車(chē)零部件,如車(chē)架、車(chē)身等,從而提高汽車(chē)的性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。
3. 建筑領(lǐng)域:在建筑領(lǐng)域,復(fù)合材料拉擠成型工藝技術(shù)主要用于制備玻璃纖維增強(qiáng)混凝土等建筑材料
。這些材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn),可以大大提高建筑物的安全性和使用壽命。
4. 其他領(lǐng)域:除了上述領(lǐng)域,復(fù)合材料拉擠成型工藝技術(shù)還在石油化工、電子電氣等領(lǐng)域得到廣泛
應(yīng)用。例如,采用該技術(shù)可以制備出高質(zhì)量的管道、容器等產(chǎn)品,用于石油化工領(lǐng)域;同時(shí)也可以制備出
輕質(zhì)、高強(qiáng)度的電路板等產(chǎn)品,用于電子電氣領(lǐng)域。
此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯,部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的,僅供行業(yè)人士交流,引用請(qǐng)注明出處。