大型玻璃钢游艇真空导流成型工艺研究_刘自浩.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言玻璃钢材料具有质量轻、高强度、耐腐蚀、抗冲击、绝缘性好的特点，根据产品力学需求进行设计的优点，在游艇设计与建造领域得到广泛应用。游艇船体及构件面积较大，形状复杂，传统船厂一般采用手工糊制成型方式进行加工，但由于手糊成型树脂含量高、产品质量不稳定、对工人熟练要求高、环境影响大等因素，真空导流成型工艺在游艇建造领域应运而生。真空导流成型工艺原理是在单面刚性模具上直接铺设干纤维及芯材等增强材料，并铺设脱模布、导流网、进料管及抽气管，再用真空袋膜和密封胶泥封装整个模腔，然后用真空泵抽出模腔中的气体，在真空压力的作用下，树脂通过进料管充满整个模腔，并完全浸渍增强材料，最后在室温或加热条件下固化成型1-2。随着游艇产业的迅速发展，大型玻璃钢游艇对重量控制及力学性能要求提高，对成型工艺要求也越来越高。真空导流成型工艺改善了浸渍效果，抽出模腔内多余树脂，增加产品的纤维含量，大大提高了产品的力学性能，纤维材料受压均匀紧密，使部件具有很好的一致性，逐渐成为游艇建造的主导工艺。1 影响真空导流成型的工艺参数由于大型游艇制造成本较高，工艺参数的不合理可能导致产品不合格甚至报废，因此大型游艇采用真空导流成型工艺前需仔细研究其各种工艺参数。大型玻璃钢游艇真空导流成型工艺研究刘自浩，马晓东，冷学华，陈卫忠（江门市海星游艇制造有限公司，广东 江门 529147）摘 要：大型玻璃钢游艇船体面积较大，真空导流成型工艺不易控制。通过研究归纳真空导流成型过程中各种工艺参数对产品的影响，总结施工过程中容易出现的缺陷，提出不同缺陷对应的控制和补救措施，并总结大型游艇真空导流成型工艺流程，目的在于提高大型玻璃钢游艇真空成型产品质量。关键词：玻璃钢；大型游艇；真空导流成型；工艺参数中图分类号：U671 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.018引用格式刘自浩,马晓东,冷学华,等.大型玻璃钢游艇真空导流成型工艺研究 J.船舶物资与市场,2023,31(3):57-60.收稿日期：2022-10-21 作者简介：刘自浩（1988-），男，硕士，工程师，研究方向为游艇设计与建造。1）模具真空导流成型工艺要求模具有较高的气密性能，通常采用高质量玻璃钢船体模具或在木质模具表面铺设玻璃钢材料，并喷涂模具胶衣，打磨制成高表面质量、高气密性的船体模具。2）增强材料增强材料的主要作用是增加产品的力学性能，在游艇建造行业，主要应用增强材料玻璃纤维，特殊部位加强采用碳纤维或芳纶纤维。纤维织物按照纤维的编织与组成可分为短切纤维毡、正交方格布、多轴向编织布等形式。在增强材料的铺设过程中，由于增强材的编织方式，铺设方向的不同，整个结构的孔隙率、渗透率、树脂通道都会不同，从而最终影响制品的含胶量、自身重量与力学性能。在制作制品时应考虑其强度、刚度、渗透率以及编织形式等要求，选取合适的增强材料。多轴向编织布是通过贯穿纱线将二层或多层平直敷放的纤维编织而成，由于经向和纬向的纤维之间形成较宽松的间隙，有利于树脂的流动和渗透，在制作大板厚玻璃钢船体构件时，为了多层纤维的渗透性能，增强材料首选多轴向编织布。增强材料的铺设在满足强度的条件下，尽量通过采用混合形态增强材料来提高渗透率，以提高树脂充模速度和充模质量。3）芯材芯材考虑的主要因素是最大幅度减轻重量，同时增船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 58 加结构刚度，提高结构强度。游艇制造过程中，对芯材的要求有：吸水性要小，泡沫材料应该为闭孔，有较好的工艺性，与树脂不发生作用等。船用主要芯材有聚氯乙烯泡沫（PVC）、聚苯乙烯泡沫（PS）、聚氨酯泡沫（PU）、聚甲基丙烯酰亚胺泡沫（PMI）、Balsa 轻木、PP 蜂窝板、胶合板等。真空成型中，PVC 芯材是目前船体结构主要采用的芯材，PVC 芯材双面均纵横向开有浅槽，并在浅槽内厚度方向打孔，连通两面浅槽，开槽的作用是树脂可利用浅槽的流道效应，沿着浅槽的方向迅速流动，加快充模速度；打孔的作用是连通芯材上下表面树脂，让树脂在芯材上下表面的纤维中相互渗流，提高充模质量。夹芯结构中，芯材表面的浅槽及厚度方向的孔，是树脂快速流动的通道，并在同等强度情况下，夹芯结构双面纤维铺含量比单板结构少，对提高整个预成型体的渗透率产生好的效果，夹芯结构中树脂充模速度比单板结构树脂充模速度快3。4）树脂真空导流成型的树脂主要有不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂等，树脂体系不仅要有很好的纤维浸润性和较好的力学性能，还应考虑树脂粘度、凝胶时间、放热峰值等因素。树脂粘度过低，流动比较快，充模过程中部分纤维材料不能充分浸润，会出现过抽现象；树脂粘度过高，则流动缓慢，很难充满整个模腔，导致产品失败。树脂粘度的最佳范围为 100300 mPas，同时保证在此粘度下有 2030 min 的工艺窗口最佳，以保证纤维/树脂浸渍过程的顺利进行和彻底浸渍4。凝胶时间是真空树脂的重要指标，凝胶时间太短，树脂在充模过程中便开始凝固，容易出现干区现象；凝胶时间过长，树脂充满模腔后久久不能凝固，导致树脂容易吸走，甚至产生流胶及过抽现象。一般凝胶时间控制再树脂充满模腔后 1520 min5，树脂既能完全充满整个模腔，又能充分浸润增强纤维，保证预制件质量。树脂固化的放热峰温度不应过高，放热峰温度过高，容易局部高温而烫坏真空袋膜导致模腔漏气，更严重的由于温度超过树脂的热变形温度而导致树脂玻璃化，从而失去强度。放热峰温度太低，固化交联反应时间过长，凝胶反应较慢，容易产生流胶现象，从而导致产品质量降低。5）渗透率渗透率是增强纤维材料固有属性，取决于纤维材料的孔隙率。渗透率对真空导流成型工艺具有以下重要意义6：渗透率是树脂在纤维中的流动特性和浸润性能的关键因素；渗透率对预制件的充模时间，树脂注入管和排气管位置的布置具有指导意义；渗透率是设计产品的工艺性和力学性能的重要考虑参数。在设计玻璃钢游艇船体构件时，船体铺层是由不同纤维编织方式、不同纤维形态、不同纤维方向的纤维材料叠加而成，其渗透率也因铺层方式不同而不同，因此在船体铺层设计时，应结合不同纤维材料的渗透率，合理搭配，提高预制件的整体渗透率。6）导流网和脱模布导流网和脱模布是真空导流成型工艺的重要辅助材料。导流网是一种网格状的塑料织物，具有高渗透率，用于在抽真空过程中引导树脂在材料中更好的流动。由于导流网的渗透率比增强纤维材料高 23 个量级，可根据制品不同的铺层厚度及形状铺设导流网的比例，有效增加制品的整体渗透率。脱模布是一种低粘连性、低孔隙率、低渗透率、易于从制品表面剥离的纤维织物，主要用于隔离复合材料与真空袋，便于产品成型后表面的辅助材料，保证制品表面的光滑平整度。7）进料管和抽气管布置艇体真空成型进料管与抽气管的基本布置方式主要有“丰”字型和“川”字型，其中“丰”字型管道布置主要沿船体横向充模，“川”字流道主要沿船体纵向充模。管道的布置方式主要根据船体形状与纤维铺设方向，通常对于考虑横向强度为主的船舶，纤维方向主要以横向为主，这种情况宜采用“丰”字型布管方式；对于主要船体纵向强度的船体，纤维主要沿船体纵向铺设，这宜采用“川”字型布管方式，降低整体的充模时间。通常在实际应用中，根据制品的实际形状，将 2 种布管方式结合起来，提高充模速度的同时，提高制品质量。8）真空度真空度是真空导流成型过程中重要的考虑参数，真空度过低，模腔内纤维松散不紧实，需要大量的树脂来充满模腔，造成制品树脂含量高力学性能差，并且树脂受到的负压小而充模速度缓慢，容易造成局部树脂聚集或局部缺胶。对于大型游艇船体构件而言，由于构件较大，需要足够高的真空度来保证纤维叠层压实致密，通常采用多台真空泵来保证整个模腔真空度的一致性，真空负压绝对值应大于等于 0.09 MPa，最佳值在 0.0950.098 MPa。9）温度和湿度温度是影响树脂粘度和活化程度的重要工艺参数，第 3 期 59 温度过低，树脂需增加促进剂和固化剂的量才能激发其活化和交联反应，固化时间慢。温度过高时，容易造成固化反应过快，玻璃钢因为应力集中而发生开裂甚至烧结现象。因此，在真空导流成型过程中，温度过高或过低都对成型不利，以 1530为宜7。从表面观察，湿度对真空导流成型制品不产生明显的影响，但湿度过高，空气中的水分子随着抽真空进入模腔内，导致树脂与纤维界面结合力降低，从而使制品的力学性能和耐热性能降低，因此，一般应严格要求在环境相对湿度 30%70%的环境下进行。2 缺陷控制与补救措施真空导流成型工艺过程中，由于工艺参数的设计不合理或操作不当，容易产生缺陷，相关缺陷及其补救措施有：1）气泡气泡是指树脂在固化过程中仍然包裹有气泡留在制品中未完全消除而形成的缺陷。气泡的存在使树脂对纤维的浸渍程度降低，造成产品的力学性能降低。气泡缺陷如图 1 所示。图 1 气泡缺陷气泡产生的主要原因有：树脂固化放热峰值高，树脂凝胶时间短，导致凝胶过程中模腔内的气体不能及时完全排除；树脂注入时，在树脂凝胶时间内，带入的空气未被完全抽出；树脂粘度大，消泡时间长，树脂内裹挟的气泡不能完全从制品中溢出；树脂注入的压力过大，树脂内裹挟的气泡不能及时排出8-10。消除气泡的有效方法有：在充模完成后，树脂未完全固化时，继续抽真空保压，逐渐减小气泡体积，最终消除气泡；在气泡区域进行敲打振动，降低树脂粘度，从而有效排出气泡；在气泡区域钻孔，用应急针及时注射树脂补救。2）干斑和干区干斑是指玻璃钢制品中纤维浸润不充分形成的蜂窝状区域，如图2所示，干区是指制品纤维完全未浸润区域，如图 3 所示。图 2 干斑缺陷 图 3 干区缺陷干斑和干区形成的主要原因有：增强材料变形或结构紧密度不同造成局部渗透率不一致；树脂进料管和抽气管不合理或进料管开启顺序不合理；增强材料铺设不合理，与模具间存在间隙等。干斑和干区的主要消除方法有：树脂粘度调节至最佳范围内；合理布置树脂进料管和抽气管；充模完成后，仍然保持树脂导入，让树脂尽量完全浸润纤维；干斑和干区形成区域沿着垂直导流管的方向拉动真空袋，让表面的真空袋形成细小的导流通道，手工引导树脂迅速流过该区域；对面积较大区域局部重抽补救或表面打磨，手工刷树脂补救。3）局部未固化局部未固化是指制品的局部树脂一直处于未凝固状态或固化不完全状态。局部未固化的主要原因有：缺胶，由于树脂进料管和抽气管设计不合理，制品边缘的树脂很快被抽走，造成局部缺胶；凝胶反应时，制品固化反应放出的热量在制品边沿区域被抽气管抽走，造成制品边沿区域热量散失而无法进行凝胶反应；真空度过低，制品局部树脂较少且不连续，当真空负压较低时，树脂无法形成一个连续的整体产生凝胶反应。解决局部未固化的方法有：合理布置树脂进料管与抽气管，形成良好的树脂流动通道；用短切毡和脱模布在制品周围抽气管上做成吸气垫，防止边沿区域局部未固化；保证模腔真空度，对于大构件，可采用多台真空同时抽真空，让树脂顺利充满模腔。4）过抽过抽是由于制品表层大面积树脂未固化，在抽真空保压时，表面树脂被抽走而形成缺陷，如图 4 所示。解决过抽缺陷方法有：在树脂调配时使用正确的固化剂比例，保证树脂适当的粘度与固化时间；及时关闭过抽缺陷出现区域附近的抽气口，避免缺陷继续严刘自浩，等：大型玻璃钢游艇真空导流成型工艺研究船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 60 重；制品成型后打磨掉未固化部分，然后用手工积层补救。图 4 过抽缺陷3 大型游艇真空导流工艺流程大型游艇通常采用分层成型，表面层通常采用手工成型方式，保证模具的气密性能，手工铺层完成后，经过表面处理再进行真空成型材料铺设及真空树脂导流成型。大型游艇船体真空导流成型工艺流程如下：1）准备模具、材料在进行真空成型工艺前，应将模具清理干净，并打脱模蜡或抹脱模水。依据游艇的铺层设计准备玻璃纤维材料、PVC 芯材、真空树脂以及辅助材料；对增强材料和辅助材料进行剪裁，材料形状根据制品的形状和模具的实际情况进行剪裁。2）表面层积层铺设表面层通常根据模具实际情况喷胶衣（或树脂），并手糊 13 层毡，保证模具的气密性，防止漏气。3）增强材料铺设根据铺层设计将增强材料与芯材干法铺设在模具上，并用喷胶固定。4）辅助材料铺设在按设计铺设的增强材料上按顺序铺设脱模布、导流网，树脂进料管与抽气管，根据规定要求布设树脂流道，最后用真空袋膜密封整个模腔。5）抽真空、检漏铺完材料后，关紧树脂进料管及抽气管开关，抽真空，多次检查每个角落是否存在漏气现象，若检测到漏点，则应精确地找出漏气点并用胶泥堵住，保证真空系统在最佳状况下进行操作。6）配树脂抽真空达到规定要求的真空度，查漏检漏无漏点后，树脂按照不同比例固化剂和促进剂进行凝胶试验，根据胶试验结果得到的最佳固化时间和固化剂促进剂最好的比例，来进行树脂配比。7）导入树脂及固化按顺序开启树脂进料管，抽真空让树脂沿进料管逐渐浸润纤维，直至浸润整个艇体表面。在树脂完成整个模腔充模后，保持整个系统环境，直至树脂完全固化，必要时根据需要进行加温后固化处理。8）脱模加工树脂固化到规定要求后，撕去制品表面的真空袋膜、脱模布等辅助材料。从模具中取出游艇艇体并进行后加工处理。4 结语大型游艇船体面积较大，曲面比较复杂，工艺参数对真空成型有重要影响，为了保证产品质量及力学性能，采用真空导流成型要充分考虑各种工艺参数。本文通过梳理真空导流成型的各种工艺参数对产品的影响，总结真空导流成型过程中容易出现的缺陷、对缺陷的控制及补救措施，明确大型游艇真空导流成型工艺流程，对提高大型游艇真空导流成型的产品质量有着积极作用。参考文献：1 钟勇,肖加余,尹笃林,等.VIMP 中结构拐角对纤维预成型体渗透特性的影响 J.复合材料学报,2015,32(1):217-226.2 胡晓敏.“龟裂”TiO_2 纳米纤维片的可控制备及其对复合材料层间断裂韧性的影响 D.天津:天津工业大学,2016.3杨金水.真空导入模塑工艺基体树脂流动行为研究D.长沙:国防科技大学,2007.4 李传胜,周利峰,张锦南.真空灌注成型工艺及其影响因素的探讨 J.玻璃钢,2004(4):7-10.5 李传胜,张锦南.真空灌注成型工艺在大型风力叶片中的应用 C/玻璃钢学会第十六届玻璃钢/复合材料年会论文集,2006,(15):254-256.6邱中琪.玻璃纤维织物一维面内渗透率的实验研究D.武汉:武汉理工大学,2010.7 康新建,刘坚.大型玻璃钢电解槽成型工艺 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