玻璃钢(也称玻璃纤维增强塑料,国际公认的缩写符号为GFRP或FRP)是一种品种繁多,性能各别,用途广泛的复合材料。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺,制作而成的一种功能型的新型材料。
玻璃钢材料,具有重量轻,比强度高,耐腐蚀,电绝缘性能好,传热慢,热绝缘性好,耐瞬时超高温性能好,以及容易着色,能透过电磁波等特性。与常用的金属材料相比,它还具有如下的特点:
玻璃钢是一种复合材料,所用的树脂基体是分散介质,增强材料为分散相,另外在增强材料与基体树脂之间还有第三相,即它们的界面。这三个单元的有机组合,使所制成的玻璃钢复合材料具有单独组分所不可能具备的优异性能,这正是复合材料得到飞速发展,日益受到各个工业部门重视的主要原因之一。
增强材料的主要功能是赋予复合材料以高强度和高模量等力学性能。尤其是纤维状增强材料,其抗拉强度和拉伸弹性模量,比同材料块材的要大得多。
△建筑行业:冷却塔、玻璃钢门窗New、建筑结构、围护结构、室内设备及装饰件、玻璃钢完美电竞平板、波形瓦、装饰板、卫生洁具及整体卫生间、桑拿浴室、冲浪浴室,建筑施工模板、储仓建筑,以及太阳能利用装置等。
△化学化工行业:耐腐蚀管道、贮罐贮槽、耐腐蚀输送泵及其附件、耐腐阀门、格栅、通风设施,以及污水和废水的处理设备及其附件等等。
玻璃钢的成型工艺方法,有很多种方法。其中有最简单易学的手工糊制方法,也有比较容易建立的模压工艺成型方法;也有必须经过专门设计、专业制造的纤维缠绕成型方法;更有一些综合注射、真空、预成型增强材料或预设垫料的几种模塑方法;以及为了达到制品高性能指标而设计制造的,由计算机进行程序控制的先进的自动化成型方法。
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,自行设计复合制作而成,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。因此,玻璃钢材料是一种具有可设计性的材料品种。
玻璃钢产品,制作成型时的一次性,更是区别于金属材料的另一个显著的特点。只要根据产品的设计,选择合适的原材料铺设方法和排列程序,就可以将玻璃钢材料和结构一次性地完成,避免了金属材料通常所需要的二次加工,从而可以大大降低产品的物质消耗,减少了人力和物力的浪费。
经多年来的检索,己收集了关于“玻璃钢/复合材料制品及其应用、树脂、玻璃纤维及制品、成型制作工艺方法及其设备”等方面的专利摘要1700多条,并且按其内容,对其进行了整理分类。
在玻璃钢/复合材料制品及应用技术类方面,有冷却塔、玻璃钢贮罐、管道管件、屋面及墙地材料、门窗、板材及装饰板材、水箱、浴盆、卫生洁具、站亭、雨阳罩、保丽板、桥、井盖、坐椅、太阳能热水器、壁纸、集装箱、车库、模板、通风管、保温材料、家用电器及家具、自行车及摩托车制品、无机玻璃钢制品、GRC板、复合装饰板及石板、人造大理石、人造玛瑙制品等,以及玻璃钢铁路、汽车、船舶、飞机等交通运输业、工农业、文体、游乐器械、民用产品、医疗应用、环保业等方面的应用;
△船艇及水上运输行业:内河客货船、捕渔船、气垫船、各类游艇、赛艇、高速艇、救生艇、交通艇,以及玻璃钢航标浮鼓及系船浮筒等等。
△电气工业及通讯工程:有灭弧设备、电缆保护管,发电机定子线圈和支撑环及锥壳,绝缘管、绝缘杆,电动机护环,高压绝缘子,标准电容器外壳,电机冷却用套管,发电机挡风板等强电设备;配电箱及配电盘,绝缘轴,玻璃钢罩等电器设备;印刷线路板、天线、雷达罩等电子工程应用。
纤维缠绕工艺方法,是将浸渍过树脂的连续纤维,按一定的规律缠绕到芯模上,层叠至所需的厚度,固化后脱模,即成制品。该方法的特点,是可按产品承受应力情况来设计纤维的缠绕规律,使之充分发挥纤维的抗拉强度,并且容易实现机完美电竞械化和自动化,产品质量较为稳定,若配用不同的树脂基体和纤维的有机复合,则可获得最佳的技术经济效果。纤维缠绕工艺,可成功地应用于制作玻璃钢管道、贮罐、气瓶、风机叶片、撑高跳竿、电线竿、羽毛球拍等的制品。
玻璃钢材料,还是一种节能型材料。若采用手工糊制的方法,其成型时的温度一般在室温下,或者在100℃以下进行,因此它的成型制作能耗很低。即使对于那些采用机械的成型工艺方法,例如模压、缠绕、注射、RTM、喷射、挤拉等成型方法,由于其成型温度远低于金属材料,及其他的非金属材料,因此其成型能耗可以大幅度降低。
拉挤成型方法,是在牵引装置牵引下,使浸渍树脂的纤维增强材料,先在模具中预成型,并经加热使之固化成型,制成玻璃钢型材,最后切割成所需长度的玻璃钢制品。
该种成型工艺方法,具有以下明显的特点:首先它可以制作几何形状复杂的制品,尤其对于特小型或特大型制品,该工艺方法具有其他方法所无法比拟的优越性;其次只要经过合理的产品设计、工艺设计,某些高性能复合材料的制作,在拉挤工艺中就可得以实现;另外,拉挤工艺方法,尤其适合于开发制作各种热塑性玻璃钢制品;加之由于拉挤速度日趋加快,因此拉挤工艺的生产效率很高,作为连续生产的先进方法之一,为实现玻璃钢的工业化生产开辟了一条有效的途径。
但是也必须指出,建立拉挤生产工艺方法的要求比较高,例如其设备投资较大,模具设计较为复杂,工艺条件的控制及对原材料的性能要求较为严格,这些都是建立拉挤成型工艺的困难之处。
在上述玻璃钢的制作成型技术方法中,每一种技术均有其自身的特点。生产企业在选择确定采用何种工艺方法时,需根据企业的基本情况及生产产品的情况,如生产产品的批量及其质量要求,以及企业的技术基础和生产资金情况等因素进行综合考虑。
假如,企业拟准备签订一批玻璃钢桌椅的业务,采用手糊、模压、RTM工艺均可以制作玻璃钢桌椅,这时需根据企业和产品的实际情况来加以确定,以便获得最适宜的生产投入、产品质量及经济效益之间的关系。
玻璃钢是一种复合材料,其性能的适应范围非常广泛,因此它的市场开发前景十分广阔。据有关统计资料,目前世界各国开发的玻璃钢产品的种类已达4万种左右。虽然各国均根据本国的经济发展情况,开发的方向各有侧重,但基本上均已涉及到各个工业部门。我国玻璃钢工业经过四十多年来的发展,也已在国民经济各个领域中取得了成功的应用,在经济建设中发挥了重要的作用。
在玻璃钢成型制作工艺方法及其设备类方面,有玻璃钢/复合材料成型工艺及制作方法、模具制作技术,玻纤增强模塑料、片状模塑料、组合物、预混料、预浸料、玻璃钢填充材料的制备方法,玻璃钢/复合材料成型工具及机械、试验装置及测试设备类等的内容。
我国国内玻璃钢的应用范围有多大,重点开发的产业有那些,这是玻璃钢业界人士普遍关心的一个问题。
△汽车及铁路交通运输行业:汽车壳体及其他部件,全塑微型汽车,大型客车车体外壳、车门、内板、主柱、地板、底梁、保险杠、仪表屏,小型客货车,以及消防罐车、冷藏车、拖拉机的驾驶室及机器罩等;在铁路运输方面,有火车窗框、车内顶弯板、车顶水箱、厕所地板、行李车车门、车顶通风器、冷藏车门、储水箱,以及某些铁路通讯设施等;在公路建设方面,有交通路标、路牌、隔离墩、公路护栏等等。
近年来,随着科学技术的发展,以及人民生活水平的提高,许多民用玻璃钢产品大量地被开发,例如许多城市雕塑、工艺美术造型,快餐桌椅、摩托车部件、玻璃钢花盆、安全帽、高级游乐设备、家用电器外壳等,都成功地被大量应用。
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模压成型工艺和模塑料成型工艺,其压制工艺和设备条件基本相同,前者采用浸胶布作为模压料,而后者采用片状、团状、散状的模压料,首先将一定量的模压料置于金属对模中,而后在一定温度和压力下成型制得所需的玻璃钢制品。这种生产成型方法,所制得的产品尺寸精确,表面光洁,可一次成型,生产效率较高,且产品质量较为稳定,适合于大批量制作各种小型玻璃钢制品。其不足之处是模具的设计和制造较为复杂,生产初期的投资较高,且制件受设备的限制较为突出。
九十年代初期,有关行业规划部门,曾对各个产业部门进行过祥细的调查研究,根据调查统计资料,九十年代我国玻璃钢产品应用,涉及的产业部门就已达二十多个,几乎覆盖了国民经济各个产业部门。具体有如下这些行业:黑色冶金业、有色冶金业、电力行业、煤炭业、石油化工、化学工业、机电工业、纺织工业、汽车及摩托车制造业、铁路业、船舶工业、建筑业、轻工业、食品工业、电子工业、邮电业、文化、体育及娱乐业、农业、商业、医药卫生业,以及军工及民用应用等各个方面的应用领域。
由此可见,玻璃钢制品的制作成型方法有很多种,它们的技术水平要求相差很大,其对原材料、模具、设备投资等的要求,也各不相同,当然它们所生产产品的批量和质量,也不会相同。
目前,国内外常用的玻璃钢制作成型方法,有手糊成型工艺、喷射成型工艺、模压成型工艺、模压料成型工艺、纤维缠绕成型工艺、卷管成型工艺、袋压成型工艺、树脂浇铸及注射成型工艺、RTM成型工艺、拉挤成型工艺、板材及管道连续成型工艺、增强反应注射模塑成型工艺、弹性体贮脂模塑成型工艺,以及胶接和连接技术、夹层结构制作技术等。
综上所述,与传统的金属材料及非金属材料相比,玻璃钢材料及其制品,具有强度高,性能好,节约能源,产品设计自由度大,以及产品使用适应性广等特点。因此,在一定意义上说,玻璃钢材料是一种应用范围极广,开发前景极大的材料品种之一。
目前我国的玻璃钢工业,己经具备了一定的规模,在产品的品种数量及产量方面,以及在技术水平方面,均已经取得了巨大的进展,在国民经济建设中发挥了重要的作用。
手糊制作方法,设备投资低,产品形状的限制因素少,适合小批量生产。它的生产条件是需要制作产品的模具,并掌握手糊工艺的技术要领。但是,这种制作方法所制成的产品,质量不够稳定,产品的质量档次不够高,较难满足某些产品的性能要求。
喷射成型方法,是一种借助于喷射机器的手工积层的方法。该方法具有效率高、成本低的特点,有逐步取代传统的手糊工艺的趋势。其产品的整体性强,没有搭接缝,且制品的几何尺寸基本上没有受到限制,成型工艺不复杂,材料配方能保持一定的准确性。其不足之处,在于制品的质量在很大程度上,取决于操作工人的生产技能。另外,喷射所造成的污染,一般均大于其他的工艺方法。
例如,E玻璃纤维和硼纤维的抗拉强度,均约为3450兆帕,氧化铝纤谁的抗拉强度约为689兆帕,其数值都远高于相应块状材料的抗拉强度。由此可见,使用这些高强度纤维所制得的复合材料,其强度将远比块状材料复合所得的要高得多。
常用于制作玻璃钢的玻璃纤维,有E-玻璃纤维(电绝缘性)、C-玻璃纤维(耐化学腐蚀性),以及中碱玻璃纤维、A玻璃纤维(高碱)、S或R玻璃纤维(高强度)、M玻璃纤维(高模量)、AR玻璃纤维(耐碱玻璃)和D玻璃纤维(低介电玻璃)等。其中E玻璃纤维及其制品的用量最多。
增强用玻璃纤维制品的品种,有无捻粗纱类,无捻粗纱织物(方格布),玻璃纤维毡片,短切原丝和磨碎纤维,以及平纹、斜纹、缎纹、罗纹和席纹等五种类型的玻璃布等。
除上述玻璃纤维织物品种外,还有平纹的玻璃带(它分为有织边带和无织边带两种);缎纹的单向织物;三向织物;异形织物;槽芯织物;缝编织物等品种。
组合增强材料,也是九十年代后期发展起来的,并且逐步广为采用的增强材料。这类材料是将短切原丝毡、连续原丝毡、无捻粗纱织物和无捻粗纱等,进行一定顺序的组合。其组合的形式有以下的几种∶
在树脂合成及应用技术方面,有不饱和聚酯树脂(含饱和聚酯)、环氧树脂、酚醛和聚缩醛、脲醛树脂、热塑性树脂类、聚氨酯及其他改性树脂类、树脂原料及固化剂、辅料、添加剂,以及原子灰、腻子、涂料、粘结剂、树脂膜、调色剂、阻燃耐火材料、水泥砂浆、磨石等树脂应用;
还有,玻璃纤维增强材料制品及其应用技术方面,包括玻璃纤维及其制品类(含玻璃球)、玻璃纤维制品制作技术及其设备类、玻璃纤维及制品、碳纤维处理技术装置,处理剂、偶联剂,碳纤维、混用纤维及其他类等内客;
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