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喷涂成型技术
作者:济南兵器工业53所 张玉龙 曲万春 陈瑞 郝玉军    来源:PT《现代塑料》
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喷涂成型又称喷射成型,是把短切纤维增强材料与树脂体系同时喷涂在型腔内,然后压实固化成热固性复合材料制品的一种成型工艺。喷涂成型是将含有固化剂的树脂体系和含有引发剂的树脂体系分别从喷枪的两个喷嘴中喷涂到型腔内,与此同时,也运用喷枪上的切割器将连续纤维切成短纤维(约25mm长),待喷涂到规定的厚度,便可利用辊筒滚压,将其压实,固化成型制品。

设备

喷射工艺的主要设备是喷射机。喷射机按喷射压力不同分为高压喷射机和低压(气动)喷射机;按树脂和引发剂的混合方式不同分成枪内混合和枪外混合;还有专门喷射胶衣的胶衣树脂喷射机或胶衣和玻纤混合喷射机。

对制品和模具设计的几点要求

不管是大型制品还是小型制品,其拐角处的凸突部位应大于10mm,而凹陷部位应大于5mm,避免产生锐角结构;起模斜角应大于3°;制品壁厚应控制在2~8mm之间;加强筋方向应与纤维取向一致,其出模斜度应大于2°~5°;嵌件应采用不同方法(开口、打孔、打弯等方法)加以固定,并进行倒角处理,以免制品应力集中。

对原材料的要求

喷射工艺要求树脂系统粘度合适,易于喷射雾化,易于浸润玻璃纤维和易于去除气泡且不易流失,粘度应在0.3~0.6Pa·s,触变度以1.5~4为好。加入的促进剂不应使树脂黏度和触变度明显降低。喷射要求树脂系统有适宜的固化特性,它与制品大小、环境温度、树脂黏度和树脂喷射量等因素有关,其中树脂喷射量又与泵压有关,随着泵压增高,树脂喷射量增大。对双喷头的喷射机,树脂流量的稳定性显得特别重要。为了保持树脂流量的稳定性,树脂罐应保持恒温。

喷射工艺要求所选用的玻璃纤维粗纱与树脂的浸渍性好、带静电少、分散性好。纤维分散性是保证纤维均匀分布和制品厚度均一的重要因素。特别在喷射制品的垂直面时,它可以保证树脂和纤维不易从模具上脱落下来。另外,要求纤维有一定的硬挺性,在经过切断器时容易切断。

喷射工艺过程

喷射成型多采用不饱和聚酯树脂系统,环境温度以25±5℃为宜。温度过高树脂固化加快,容易引起管道堵塞,温度过低树脂黏度大,不易混合均匀且制品的固化速度慢。喷射成型时,先开树脂开关,在模具上喷上一层树脂,然后开动切割器,开始喷射纤维和树脂的混合物。喷一层纤维树脂后需立即用辊子滚压,使之压实、浸渍并排除气泡。滚压时要注意棱角和凹凸表面,必要时可用热辊滚压,但温度不能太高。喷枪喷射时,移动速度要均匀,注意喷满模具的整个工作面,不漏喷。每喷一层(指未压实的)厚度应小于10mm。喷射第一、二层和最后一层时,应喷的薄一些,以便使制品获得较光滑的内外表面。喷射完毕,所用容器、管道、喷枪、压辊要彻底清洗干净,以免残存的树脂固化损坏设备和工具。

喷射工艺参数如下:

● 引发剂。喷射系统中,促进剂用量是固定的,引发剂用量可根据环境(温度和湿度)和制品的要求在0.5%~3.6%之间调整,故每次喷射前应作凝胶试验。在喷射装置中,一般先将树脂与促进剂按固定比例充分混合(称它为预加速树脂),然后将预加速树脂与引发剂分别通过树脂泵和引发剂泵在喷枪内部或外部混合。

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● 树脂泵压力。树脂泵压力主要根据树脂温度、黏度、喷涂面积等因素选择,它必须经过简单试验确定。压缩空气管径和管长对出口压力也有较大影响。当压力合适时,喷在模具上的树脂无飞溅、夹带的空气少,气泡能在1~2min内自行消失,表明喷涂面宽度适中,故可以此作为调节压力的标准。

● 喷射量。喷射量太大影响制品质量,喷射量太小又降低生产效率,因此应控制适中。喷射量与喷射压力和喷嘴直径有关,改变动力源压力可以调节喷射压力。喷嘴直径在1.2~3.5mm之间选择,可使喷射量速度在8~60g/s之间调整。

● 喷枪夹角。预加速树脂和引发剂在喷枪外的混合程度与喷枪出口的夹角有关。不同夹角喷射出来的树脂混合交距不同,一般喷枪夹角为20°,喷枪口与模具表面距离为350~400mm,这样便于操作,胶液混合的质量均匀。如果要改变喷射距离,则需调整喷射夹角以保证树脂在到达成型面前交集混合。确定喷射距离时,要考虑制品的形状和胶液飞失等因素。

● 纤维与树脂的混合。被切断的纤维在落到模具之前应与喷出的树脂系统充分混合以防止制品中纤维和树脂分布不均匀。

● 喷射走向。一般的喷射走向是从上到下、从右到左、平行、匀速地移动,不能走弧线。相邻的两个行程间的重叠宽度为前一个行程宽度的三分之一以便得到一个均匀连续的涂层。前一个涂层与后—个涂层的走向应交叉或垂直以达到均匀覆盖的目的。喷枪与喷涂面的夹角应为90°。

● 纤维品种、含量与长度。喷射用无捻粗纱在制品中的含量(质量分数)通常控制在35%左右。低于25%滚压方便,但制品强度太低;纤维含量高于45%时滚压不方便,气泡也较多。纤维长度以25~50mm为宜。

● 特殊部位的喷射。喷射制品曲面时,喷枪与喷射方向应始终沿着曲面的法线方向;喷射制品上的沟槽时,应先喷四周和侧面,然后在底部补喷适量纤维,防止树脂在沟槽底部聚集;喷射制品转角处时,应从角尖部位向外喷射,防止在角尖出现树脂聚集。

喷射制品的缺陷分析

表1列出了喷射制品的缺陷、产生原因和改进措施。通过查询该表格,即可找到相应的问题解决方案。

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玻璃钢制品的应用案例

机车玻璃钢前端体积大,结构较为复杂,合理地选择模具的结构形式及其制造工艺方法将直接关系到前端件的制造工艺及产品质量。为此,在选择前端件模具的结构形式时,要考虑以下几个因素。

● 模具必须具有足够的强度、刚度及尺寸稳定性,结构合理,尺寸准确,制造方便,拆卸、组合简易省力。

● 便于制件成型、操作。

● 确保制件方便、顺利地脱模。

为满足这些要求,这里对前端制件的结构特点进行了分析:前端件是左右对称结构,在前窗和侧窗部位都有下陷。这样,模具只能是组合结构。考虑到脱模时将模具向两侧分离比较方便,因此,将模具的结构形式确定为对开式组合阴模。模具由6个部件组成:2个对开半模、2个前窗活块、2个侧窗活块。在2个对开半模上各装4个轮子,这样,在脱模分离半模时,非常省力。

前端件的模具是在1:1的木模型上分块制造的,选用的材料是玻璃钢,全部采用多次喷射(每次喷射积层不大于3mm)多次固化的工艺方法。除在一些复杂部位使用国外玻璃纤维外,其余均使用国产材料。制造的玻璃钢模具组装后检测,最大对角线尺寸(长4092mm)与木模型的尺寸误差为4~6mm,最大宽度尺寸(长3104mm)与木模型的尺寸误差为2~7mm,完全符合设计要求。

在前端件的玻璃钢模具及前端件产品的制造中都存在着如何能保证其顺利脱模的问题,尤其是前端件产品。为保证制件结构及外型的整体性,提高制件的强度、尺寸稳定性及整体的协调性,采用玻璃钢对开式组合阴模进行整体成型。制件与模具的接触面积约30m2,为保证脱模顺利,对脱模剂的性能提出了较高的要求。为此选择了5种脱模剂进行模拟性试验,经过对5种脱模剂的综合性能比较,选用了自配的复合型脱模剂(石蜡乳液—聚乙烯醇溶液)。实施方法是,首先使用石蜡乳液使其在模具表面形成一层光滑的蜡膜,而后在其表面上用聚乙烯醇溶液制成一层聚乙烯醇薄膜,这样就制成了复合型脱模剂层。尽管所使用的复合型脱模剂中的任一种脱模剂的粘结力都很低,但在脱模剂与模具之间制件的界面上仍有一定的粘附力,当采用复合型脱模剂时,制件脱模时在粘合力最小的两侧脱模剂之间分离。通过前端件的玻璃钢模具和前端件制品试制,证明这种复合型脱模剂能较好地满足使用要求。

生产过程中,应该注意的一些事项包括:

● 引发剂用量的选择。引发剂用量的选择主要是根据施工现场的环境温度、湿度及产品工艺对凝胶时间的要求,通过调节设备上的引发剂泵的位置,可在0.5%~3%之间调整。如20℃时,要求凝胶时间为1lmin,引发剂用量取2.5%就比较合适。每次选定引发剂用量后,必须用设备做两次以上的取样试验。

● 含胶量的控制。含胶量可以通过两种途径来控制:通过选择不同型号的喷嘴调节树脂的输出量;通过增加或减少玻璃纤维股数调节纤维的输出量。

通常纤维的输出量为1~1.8kg/min,树脂喷射量为2~3.6kg/min。如使用3股纤维和中等型号的喷嘴(如4004SS)时,含胶量可控制在66%左右。

● 喷射积层厚度的控制。喷射积层厚度可以根据喷射输出量和所需喷射的制件面积来计算。通常,使用3股纤维和中型喷嘴时,树脂的输出量为3.6kg/min,纤维的输出量为1.8kg/min,总输出量为5.4kg/min。根据总输出量,只要控制好喷射面积和喷射时间,就可得到预期的积层厚度。这种控制厚度的方法只是理论上的计算,在实际操作中很难实现。因为制件的形状不一定很规整,操作喷枪喷射的时间及其移动速度也不易严格控制。在实际操作中常用随喷射随测试的方法来控制积层的厚度,这样可以较好地控制制件各部位的厚度。对于厚度大于3mm的制件,要采取分次喷射的成型方法。一般来说,第一次喷射的积层厚度为1~2mm,以后各次为2~3mm。后次喷射必须在前次喷射的积层基本固化后方可进行,这样可以避免因积层太厚引起固化时产生过热烧蚀现象,影响制件质量。

● 喷射操作要领。喷射玻璃纤维积层时,从喷枪喷射出的树脂和玻璃纤维所形成的扇面应相吻合,树脂的扇面要略宽于玻璃纤维的扇画。树脂的扇面可以通过更换不同型号的喷嘴在25°~60°之间调整,每—个喷嘴都有其固定的喷射角度。如3004SS喷嘴和4004SS喷嘴,其喷射角度分别为30°和40°。玻璃纤维的喷射扇面可通过调节喷枪上的纤维切断器与喷嘴的相对高度来与树脂扇面进行吻合。喷射的走向通常是从上向下,从左向右进行往复式运动。喷枪的移动速度要均匀、稳定,相邻两行程之间要有一定的重叠宽度,—般是后次喷射积层压合前次喷射积层三分之一的宽度,这样就可以得到厚度均匀一致的喷射积层。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2007-7-22)
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