复合材料的真空灌注工艺

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欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 在复合材料行业，真空灌注工艺的使用正愈加普遍，在船舶和风能领域则更为常见。斯高特巴德（Scott Bader）公司的前技术服务经理Trevor Osborne 在本文中介绍了这项工艺的基础知识。 在船舶工业，船体外壳的制造长度一般为6 至40 米，而甲板、地板、托盘以及其他以长度和宽度为重点的大型零部件也是一样。然而，该工艺并不局限于船舶制造，也能用于其他所有的市场领域，尤其是在建筑和路上运输领域中用于制造很多的大型结构。真空灌注既可使用单面模成型也可用于常规生产。但是，鉴于该工艺所需要的准备时间，通常，每天一副模具不能进行超过一个小型成型件的制造；大型成型件的制造过程，例如船体壳的制造周期则长得多。真空灌注的一项特殊应用是采用特殊填充树脂来制造应用于建筑和列车中的低烟防火成型件，例如斯高特巴德的Crestapol 树脂系统，这种树脂很难用其他的工艺方法进行加工。 真空灌注成型在复合材料领域内的使用变得频繁，原因有很多，而主要的两大驱动力是苯乙烯挥发量得到了大幅减少，以及层压的固结度和强度更高。苯乙烯挥发量的减少将有助于满足未来任何降低的苯乙烯允许的挥发量标准。图1 展示了由手糊成型或灌注成型的层压件的典型苯乙烯挥发量。 真空灌注层压制件表现了更好的固结度和强度，这是因为层压板内部没有空气，玻纤材料的含量也更高。更高的玻纤含量表示，与手糊成型相比较，灌注成型所得每平方米相同玻纤重量的层压板更薄，降低了刚度。 灌注用模具 真空灌注（VI）工艺可以采用与手糊成型相同的模具，只需做一些修改即可。然而，模具本身必须具有良好的整体状况，这是因为模具上的任何裂纹都可能引起真空泄露，从而危害到工艺过程。所需进行的修改是在模具四周增加一个宽150 毫米的法兰边。这个部位将用于铺设灌注的真空通道。工艺中可以采用瓣合式模具，但是必须给予特别的关注，要确保它的连接处于真空密封状态。当首次对真空灌注过程进行研究试验时，推荐采用单面模具。 树脂的选择 灌注工艺应该采用专为该工艺设计的专用树脂。市场上有很多可供选用的产品，它们涵盖了所有的树脂类型，例如ortho 型、iso 型、DCPD 型以及乙烯基酯型树脂。非常重要的是，所选树脂要能提供模具填充所需的胶凝时间，这个时间可能会很长。图2 为一种灌注用树脂典型的胶凝时间图。 必须注意，图2 显示了不同温度下的胶凝时间，但是在实际生产过程中， 建议整个灌注过程在一个基本一致的工厂温度环境中进行，从而得到一致的结果。灌注用树脂具有低粘度，一般为100 至200cps，此外它们也是非触变性的。不应采用触变性手糊树脂，因为它们的流动性很差。同时建议树脂固化采用的过氧化物具有红色消除技术（vanishing red，简称VR），这是因为树脂中的变色系统不会始终发挥作用。使用VR 型过氧化物能够确认树脂是否确实完成了催化，因为任何错误都是无法纠正的。 增强材料 玻璃纤维、碳纤维，以及凯芙拉芳纶纤维都可用于这个工艺，但是，对于聚酯基的层压件，玻纤是更好的选择。增强材料覆盖得好不好很重要，因为它必须以干燥的状态进入到模具中，也必须符合模具的轮廓，同时还要很容易地推入模具的角落。在真空灌注中最常见的玻纤是一种组合毡，它将一层短切毡缝编到多轴向增强织物表面上。其他常用的玻璃纤维是不采用CSM 和无捻粗纱的组合毡。在选择玻纤时，既要考虑层压件的设计需求也要考虑成品部件的美感，这非常重要。为了实现最佳表面质量，玻璃纤维必须尽量地平滑，纤维原丝之间不能有缝隙。在需要将玻纤推入模具角落的地方最好使用多层重量较小的玻璃纤维，而不采用重量较大的单层纤维。如果在角落处产生桥接，则容易导致树脂的竞流效应（race tracking） 和不好的填充效果。 由于玻璃纤维是在干燥状态下铺放到模具上，因此必须想办法让它保持原位，尤其是在垂直表面上。为此有两种方法可供选择：第一种是采用背胶玻璃纤维，它的整个表面上覆有一层压敏胶粘剂， 以离型膜进行保护，这层薄膜在玻纤即将铺放至模具之前剥去；第二种方法是采用标准玻璃纤维布，并采用专为灌注工艺而研发的喷胶进行位置的固定。 泡沫 灌注工艺可以使用泡沫材料，常用的有PVC、SAN、PU 或者PET，与在手糊成型工艺中所用材料相似，但是需要为灌注工艺而专门生产。必须采用闭孔泡沫，因为任何的泡沫开孔都会在真空状态下吸收树脂。为了确保树脂围绕泡沫流动，通常泡沫会经过预先打孔， 并且其一侧表面还具有网格型沟槽。这些沟槽的放置远离模具表面，将起到树脂分配系统的作用。这种泡沫材料可以以平板或平纹基布的形式供应，后者可用于更加复杂的几何形状。 真空袋装材料 为了准备一个灌注单元，需要遵从一些具体的条目。真空袋膜需根据所选灌注树脂而专门制造。市场上供应有各种宽度的薄膜材料，必须选择有足够的宽度而无需连接的薄膜尺寸。真空袋膜采用真空袋密封胶条固定，市场也上有各种规格的密封条，选择时必须考虑到所用树脂、环境温度，以及树脂放热曲线。树脂通过进胶管导入模具，进胶管贯穿真空袋，令树脂注入分配系统（通常采用螺旋管）。螺旋管通常铺设在导流网上辅助树脂的流动。一旦树脂进入模具就要流向模具外部，这个过程通过上述泡沫材料上的沟槽或覆盖在整体层压板上的导流网来完成。导流网不应铺设到层压板末端，否则会导致树脂进入真空管路。从已经固化的模具上剥离导流网可能会比较困难，因此通常会在该导流层与玻纤铺层之间铺设一层脱模布。脱模布铺放在包括所有泡沫部分在内的整个表面上，所以一经剥落，制件就会有一个不错的表面外观。如果在胶接之前将脱模布立即剥落，则也能为真空灌注层压板获得更好的二次胶接提供机会。前文提到的真空管路由螺旋管以及与之类似的树脂进胶口组成。 真空灌注工艺 实际上的真空灌注工艺从开始到完成包含了一系列步骤。模具的准备工作是一个标准过程，此后涂覆胶衣。接下来通常是手糊表面层（skin coat），至少采用一层300 至450 克重的CSM。这层表面层起到两个作用。首先，它能保证层压板的第一层与胶衣间没有任何孔洞；其次，它能减小模具角落的半径， 这让干燥的玻纤更容易适应模具。必须小心确保模具的法兰上没有受到喷溅。胶衣和罩面层一旦胶凝，就沿法兰边的外周长铺设密封条。 而后在表面层上铺设干燥的第一层玻纤，并用上文所述粘结系统加以固定。玻纤必须推入模具的所有角落，以避免产生孔洞。如果工艺将采用泡沫材料， 这时就可以进行铺放，如果存在任何的连接点，则必须在可能的情况下让泡沫表面的沟槽相拼合。最好能够沿泡沫材料的外周长斜切，以使后续的玻纤更容易贴合。然后，其余的玻纤材料可以按需铺放。 螺旋真空管路于随后固定在靠近密封条的地方，并且用小条胶带加以固定。根据模具的尺寸需要多个抽气口，一般至少需要两个位于模具两端的抽气端口。 然后，可以将脱模布铺设在整个表面上，并应铺设在真空螺旋管路之下。脱模布应该是连接模具中的玻璃纤维和真空管路的唯一材料，并且起到树脂阻断的作用。 导流网应该铺设于所有的层压板整片区域，并应重叠到泡沫部分。然而， 导流网不应铺到玻纤边缘，而应在大约150 毫米处停下。这能保证灌注结束时的树脂流动更加平稳，还能减少树脂进入真空管路的可能性。 树脂流动螺旋管路铺设在层压板上方，而且这些管路应该缠绕在导流网上， 从而保证树脂的快速流动。为了让树脂在所有方向上平稳流动，流动管路的所在位置和长度都需要经过设计。使用大型模具时需要许多流动管路，这是因为填充速率将沿距离而减缓，推荐的最大铺设间距为1 米。流动管路一旦铺设完成就应该进行合模面的检查，以保证没有松散的纤维，因为这将影响真空完整性。 下一步是根据模具的复杂性准备真空袋膜，薄膜应该是模具的长度和宽度的1.5 倍。必须对薄膜给予高度重视， 要确保其没有损坏，因为在薄膜中间发现微小的孔洞是很难的。推荐将成卷的薄膜固定在一个能够移动到模具的架子上，然后再直接展开。随后在适当的长度对真空袋进行裁切，并大致地铺装到模具上。任何刀片或者锋利的物件都不应留在模具附近，这是为了保证真空袋不被刺破。 然后，将密封条上的离型膜缓慢剥离，将真空袋铺装到模具上，并使薄膜平稳光滑。铺装到模具上的真空袋膜不能产生褶皱，这会引起真空泄露。为了确保有足够的薄膜覆盖到模具的整个形状，必须采用活褶。它们能够提供足够的薄膜来覆盖模具的所有设计要点，因为模具的总长度比所有轮廓线的距离要短。要对薄膜做经常性的检查，使所有区域都有一个余量而避免产生任何桥接的可能性。 真空袋膜安装妥当后就可以连接真空管路，此时需再次确认薄膜上没有褶皱。然后就可以开始抽真空，由于空气被逐渐抽离，真空袋需要正确定位，以避免在角落里发生桥接。有必要在模具和真空泵之间连接一个收集器，这是为了消除树脂在灌注过程中进入真空泵的可能性。由于真空泵的抽气量不同，其抽离空气的速度可能较慢，可以在最开始采用一台真空吸尘器来帮助去除空气。当真空袋中的空气排完后，需要对桥接或不良铺装进行检查。如果发现上述情况，需要释放真空，根据需要移动真空袋膜，而后再次抽真空。所用真空度须高于0.8 巴，如实际操作中接近1.0 巴。真空袋需要进行泄漏检测，市面上有很多检漏器。要对发现的泄漏进行修复。当不能再检测到泄漏时，就应进行真空度下降检测。这表示应在真空袋上安装一台真空表，并应将真空泵夹紧。真空度的下降应该尽量地慢，容许的真空度下降应低于每15 分钟0.1 巴，但是实际真空度取决于模具的尺寸。如果真空度下降过大，则说明在某处存在着泄漏，必须找到并且修复。 当真空袋处于真空密封状态，就可以连接树脂的进胶管，要再次注意， 这些管路在真空袋的安装位置上不能存在褶皱。这些树脂进胶管要从进料口连接到树脂桶，并应在安装前夹紧， 以防真空损失。将插入真空袋的进胶管末端削尖，然后在末端向上约25 毫米处用密封带缠绕。随后，将管道末端推入进胶口，穿入真空袋，再用密封条重新密封。这些地方都应用检漏器进行泄漏检查。图6 所示为已经完成准备工作的真空灌注工艺。 现在可以进行真空灌注的实际操作。将催化树脂放置在合适的容器内， 并将其安放在低于模具水平面的位置。将闭合的树脂进胶管浸入树脂中，并加以固定。通常的做法是依次打开进胶管，其中位于模具中央的管路应该最先打开。这样就能让树脂开始流动， 其他进胶管仅在树脂到达它们的所在位置时才打开，如果打开得太早，在有些地方可能会发生树脂的堵塞。必须让树脂桶保持满载，因为如果有空气进入模具，产品就有可能报废。在灌注过程中要进行仔细观察，以便尽快修复检查到的微小泄漏。当模具完成填充，会有少量的树脂进入真空管路，在这种情况下，可以关闭树脂进胶口，并且让模具保持在真空状态。至少将真空状态保持到树脂固化放热， 最好能保持一个通宵。 这个过程涵盖了实施真空灌注的基本方法，但还有一些其他的选择。在有些情况下，模具的法兰边是无法利用的。如果是这种情况，可以使用专门的真空透气垫（vacuum breather pads），将真空管路直接铺设到干燥的玻纤表面。这些方法的采用不在本文的讨论范畴内。 另一种选择是直接将树脂注射到真空袋内，而不采用将树脂从容器中真空导流的方法。Composite Integration 公司开发了一种系统可以实现这个方法，它通过仔细检测真空袋内压力，调整注射速度来实现平稳的填充。该工艺能够加快灌注速度，并且减少树脂的浪费。 结论 真空灌注成型能够成功地应用于大多数复合材料制造领域，这是一种具有高质量成型件制造和低苯乙烯排放量的工艺方法。 然而，这项工艺确实需要对操作工人进行培训，同时也需要在工艺应用中投入大量的关注。当好处显而易见时，很多经营者也都起而应对新工艺带来的挑战。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/30/2014)