沈 葛，孫 洲

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300456)

淺談?wù)婵展嘧⒐に嚦尚蜅l件及常見缺陷修復(fù)

沈 葛，孫 洲

(天津東汽風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300456)

真空灌注工藝是玻璃鋼成型的主流工藝，相比玻璃鋼手糊成型工藝有很多優(yōu)點(diǎn)。分析了兩者的區(qū)別，對(duì)真空灌注工藝的成型條件進(jìn)行了闡述，提出真空灌注工藝材料和工藝原因都可能導(dǎo)致出現(xiàn)不同的缺陷，而缺陷修復(fù)的方式也不相同。

真空灌注工藝 手糊工藝 材料選擇 工藝研究 缺陷修復(fù)

1 真空灌注工藝和手糊工藝對(duì)比

1.1 真空灌注工藝簡(jiǎn)介

真空灌注工藝的原理是：在真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體，通過樹脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維的浸漬(見圖1)。

圖1 真空灌注工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of the vacuum infusion process

1.2 真空灌注工藝和手糊工藝的優(yōu)缺點(diǎn)比較

手糊工藝是一種開模工藝，它的優(yōu)點(diǎn)是在模具的形狀改變上有很大的自由度，模具價(jià)格低、適應(yīng)性強(qiáng)。但該工藝也存在一系列問題，如可揮發(fā)有機(jī)物(VOC)超標(biāo)、對(duì)操作人員的健康影響大、人員易流失、需用材料限制多、產(chǎn)品性能低、樹脂用量大且浪費(fèi)多等，尤其是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品的玻璃纖維含量、制件厚度、生產(chǎn)效率等都受操作人員的影響，要求操作人員有較好的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)。手糊產(chǎn)品的樹脂含量一般在 50%～70%左右。開模工藝的 VOC排放超過 500,mg/mL，而各國(guó)規(guī)定都在 50～100,mg/mL，苯乙烯的揮發(fā)量高達(dá)使用量的 35%～45%。目前國(guó)外大都改用環(huán)戊二烯(DCPD)或其他低苯乙烯釋放樹脂，但苯乙烯作為單體還沒有好的替代品。

真空灌注工藝是近20年來發(fā)展的低成本制造工藝，尤其適合于大型產(chǎn)品的制造。其優(yōu)點(diǎn)如下：

①產(chǎn)品性能優(yōu)良，成品率高。在同樣原材料的情況下，與手糊構(gòu)件相比，真空灌注工藝成型構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及其他物理特性可提高 30%～50%以上(見表1)。工藝穩(wěn)定后成品率可接近100%。

②產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好。產(chǎn)品質(zhì)量受操作人員影響小，不論是同一構(gòu)件還是各構(gòu)件間都存在高度一致性。產(chǎn)品的纖維用量在注入樹脂前已計(jì)算好，構(gòu)件有相對(duì)恒定的樹脂含量，一般在 30%～45%，因此產(chǎn)品性能的均勻性和重復(fù)性比手糊工藝產(chǎn)品好得多，缺陷也少得多。

表1 典型聚酯玻璃鋼性能比較Tab.1 Performance comparison of typical FRPs

③抗疲勞性能提高，可減輕結(jié)構(gòu)重量。由于制品纖維含量高，孔隙率低，產(chǎn)品性能高，尤其是層間強(qiáng)度高，大大提高了產(chǎn)品的抗疲勞性能。在強(qiáng)度或剛度要求相同的情況下，采用真空灌注工藝制作的產(chǎn)品可減輕結(jié)構(gòu)重量。

④環(huán)境友好。真空灌注工藝是一種閉模工藝，揮發(fā)性有機(jī)物和有毒空氣污染物均被局限在真空袋中。VOC排放不超過50,mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)。這大大改善了操作人員的工作環(huán)境，穩(wěn)定了勞動(dòng)人員的隊(duì)伍，也擴(kuò)大了可用材料的范圍。

⑤產(chǎn)品整體性能好。真空灌注工藝可同時(shí)形成加強(qiáng)筋、夾芯結(jié)構(gòu)及其他嵌件，提高了產(chǎn)品的整體性，因此可制造大型制品。

⑥制品精度好。真空灌注工藝產(chǎn)品的尺寸精度(厚度)優(yōu)于手糊制品。在同樣的鋪層下，一般真空灌注工藝產(chǎn)品的厚度為手糊制品的 2/3。產(chǎn)品厚度偏差約為±10%，而手糊工藝一般為±20%。真空灌注工藝產(chǎn)品的表面平整度也優(yōu)于手糊制品。

目前真空導(dǎo)入工藝也有一定缺點(diǎn)：①準(zhǔn)備工序時(shí)間較長(zhǎng)，較為復(fù)雜。需要正確的鋪層鋪設(shè)導(dǎo)流介質(zhì)、導(dǎo)流管，進(jìn)行有效的密封。②生產(chǎn)成本較高，并產(chǎn)生較多的廢料。如真空袋膜、導(dǎo)流介質(zhì)、脫膜布及導(dǎo)流管等輔助材料大都是一次性使用，但產(chǎn)品尺寸越大，差別越小。③工藝制造有一定的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，一旦在樹脂灌注過程中失敗，產(chǎn)品易報(bào)廢。因此要有較好的前期研究、嚴(yán)格的工藝控制和有效的補(bǔ)救措施，以保證工藝成功。

2 真空灌注工藝成型條件

2.1 材料選擇

根據(jù)玻璃鋼制品的應(yīng)用條件確定對(duì)材料強(qiáng)度的要求，在滿足強(qiáng)度要求的前提下選擇符合工藝條件的材料，此時(shí)必須綜合考慮材料的兼容性以及材料對(duì)工藝的適應(yīng)性。

2.1.1 樹脂

真空導(dǎo)入工藝要求樹脂體系粘度低(一般為100～400,mPa·s)，樹脂僅在真空壓力作用下完全浸漬增強(qiáng)材料。不同的工藝對(duì)凝膠時(shí)間有不同要求，凝膠時(shí)間的可變易控是實(shí)現(xiàn)成功灌注的關(guān)鍵之一。在選擇樹脂時(shí)，應(yīng)保證樹脂粘度變化小，固化放熱峰值適中。高放熱峰會(huì)損壞模具甚至成型構(gòu)件。由于真空灌注工藝中通常有加強(qiáng)筋，樹脂應(yīng)具有較高的延伸性能。[1]環(huán)氧樹脂及改性環(huán)氧樹脂以其優(yōu)異的力學(xué)性能和綜合性能，一直以來是先進(jìn)復(fù)合材料使用的主打樹脂基體。近年來國(guó)外針對(duì)降低真空灌注工藝成型溫度，開發(fā)了多種低粘度環(huán)氧樹脂，國(guó)外公司真空導(dǎo)入樹脂的發(fā)展趨勢(shì)是針對(duì)阻燃、低煙、低毒性及降低成型溫度等要求開發(fā)低粘度環(huán)氧樹脂，涉及的樹脂包括雙酚A、雙酚F和有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂體系。[2]

2.1.2 纖維織物

要求表面浸潤(rùn)劑與真空導(dǎo)入樹脂相匹配，編織方式、纖維克重與制品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相符，透氣性好、適用性強(qiáng)，易形成與制品相同的形狀。

2.1.3 導(dǎo)流介質(zhì)

導(dǎo)流介質(zhì)鋪設(shè)在玻璃纖維預(yù)制件上面，其滲透率要遠(yuǎn)高于脫模介質(zhì)及玻璃纖維預(yù)制件的滲透率，樹脂在導(dǎo)流介質(zhì)內(nèi)快速流動(dòng)，同時(shí)樹脂從導(dǎo)流介質(zhì)內(nèi)滲出，自上而下緩慢浸漬玻璃纖維預(yù)制件。

2.1.4 脫模介質(zhì)

脫模介質(zhì)的作用是將玻璃纖維預(yù)制件和滲透介質(zhì)隔開，使制品固化后易于脫模。脫模劑采用外脫模劑，將其涂在模具內(nèi)表面，主要脫模劑有：石蠟類、硅質(zhì)類、聚乙烯醇類等。[3]

2.1.5 密封材料

真空袋膜一般采用 50,μm 或 70,μm 的擠出柔性尼龍薄膜。真空袋密封材料成粘稠狀，鋪放于模具邊框，以保證真空袋膜的密封性。在真空成袋過程中，密封材料具有足夠的“粘性”，可以粘接在各種表面上，同時(shí)其“粘性”不能過大，以保證固化脫模后，能將其及時(shí)清理掉。

2.1.6 真空泵

要求真空度好，大型制件要求有高排氣速度。

2.2 工藝研究方法

真空灌注工藝要求在真空狀態(tài)下完成樹脂對(duì)纖維材料的充分浸潤(rùn)，然后通過樹脂本身交聯(lián)固化反應(yīng)放熱和輔助加熱獲得滿足強(qiáng)度要求的玻璃鋼制品。

2.2.1 樹脂的流動(dòng)性研究

在真空導(dǎo)入工藝中，主要是采用達(dá)西定律(Darcy’s Law)(公式 1)來描述樹脂在預(yù)制件中的流動(dòng)過程。[4]

其中：v為樹脂流動(dòng)速度；K為預(yù)制件滲透率；μ為樹脂粘度；ΔP/Δx為壓力梯度。

在達(dá)西定律中，樹脂被認(rèn)為是不可壓縮的、粘度不隨切變速率影響的牛頓流體。玻璃纖維預(yù)制件被看作多孔介質(zhì)，其特性可用孔隙率和滲透率來表征，它們影響樹脂在預(yù)制件中的流動(dòng)方向和速度，因此決定著復(fù)合材料成型時(shí)需要的真空壓力、流動(dòng)時(shí)間和流動(dòng)途徑等關(guān)鍵參數(shù)。

樹脂的流動(dòng)可分為兩類：由壓力梯度決定的浸潤(rùn)或宏觀流動(dòng)(紗線束間)的流速；由纖維毛細(xì)管壓力和表面張力決定的浸透或微觀流動(dòng)(紗線束內(nèi))的流速。

影響流速和流道的因素包括：原材料、導(dǎo)流介質(zhì)、鋪層和真空度等。兩種速度必須相當(dāng)，流動(dòng)前鋒一旦匯合，就很難排出所包裹的氣體，在微觀層次上排除氣體要受到樹脂粘度和纖維束周圍表面張力的影響。

在工藝中要防止由于不合理鋪層等導(dǎo)致的“短路效應(yīng)(cutline)”，在這些低阻力區(qū)，樹脂流動(dòng)速度會(huì)增加 10～100倍，使工藝不能在預(yù)想的情況下進(jìn)行。通過對(duì)樹脂流動(dòng)過程的研究，可預(yù)先發(fā)現(xiàn)工藝中潛在的問題，使工藝達(dá)到優(yōu)化。

2.2.2 預(yù)制件的壓縮行為研究

在真空導(dǎo)入工藝中，還要知道最終產(chǎn)品的厚度和纖維含量。由于真空袋是柔性的，不能直接控制產(chǎn)品的厚度，產(chǎn)品厚度及纖維含量和預(yù)制件的壓縮行為有關(guān)，包括纖維在壓力下的壓縮和松弛行為，以及纖維和樹脂間的相互作用。

試驗(yàn)表明，產(chǎn)品厚度是隨著樹脂流動(dòng)方向改變的，離真空源越遠(yuǎn)，樹脂含量越高，相應(yīng)纖維含量越低，產(chǎn)品越厚。在真空導(dǎo)入工藝中預(yù)制件受到的外壓是大氣壓(Patm)，這個(gè)壓力有樹脂壓力(rP)和纖維結(jié)構(gòu)支撐(Pf)(公式2)。

樹脂在進(jìn)口處的壓力為一個(gè)大氣壓，其流動(dòng)前鋒的壓力為零，樹脂壓力從出口處到進(jìn)口處，其壓力是從0到1個(gè)大氣壓的分布，離開出口處越遠(yuǎn)樹脂壓力越大，相應(yīng)預(yù)制件受的壓力越小，纖維受壓縮也越小，厚度也較大。在樹脂到達(dá)出口處后，關(guān)閉樹脂進(jìn)口，而繼續(xù)保持真空出口，使壓力穩(wěn)定地減少，從而使預(yù)制件進(jìn)一步壓縮，可減緩厚度不均的現(xiàn)象。

織物在浸潤(rùn)過程中的壓縮行為描述：當(dāng)樹脂未到達(dá)前，織物處在干態(tài)下，織物內(nèi)的支撐力等于大氣壓，此時(shí)織物達(dá)到最大的壓縮變形。在樹脂到達(dá)后，開始浸潤(rùn)，這有兩個(gè)過程，首先是樹脂對(duì)纖維的潤(rùn)滑作用，引起纖維的重排，使織物進(jìn)一步壓縮，這時(shí)在外力作用下，由于纖維重排引起壓縮量的增加。當(dāng)樹脂壓力繼續(xù)升高時(shí)，由于外力不變，由公式(2)知，纖維承受的壓力相應(yīng)減少，從而發(fā)生回彈，織物的壓縮量減少，預(yù)制件厚度的變化取決于這兩個(gè)過程的綜合作用。

理論上影響預(yù)制件織物滲透率的因素只與組成織物的纖維材料類型和比例、纖維含量、預(yù)制件的結(jié)構(gòu)以及孔隙率等有關(guān)，和樹脂的化學(xué)特性無關(guān)。但在實(shí)際測(cè)試中纖維毛細(xì)管壓力、流動(dòng)速度、注入壓力、不同試驗(yàn)流體等都對(duì)滲透率有不同程度的影響。此外如上所述，預(yù)制件的滲透率和孔隙率在真空導(dǎo)入工藝過程中是發(fā)生變化的。纖維排列越有序，織物的松弛行為減輕，玻璃纖維氈和粗紗布的松弛行為越明顯，單向玻璃纖維紗的松弛行為就不太明顯，在樹脂注入前對(duì)預(yù)制件反復(fù)施加壓縮-松弛周期，可減少產(chǎn)品的富樹脂區(qū)。

2.2.3 真空灌注工藝控制研究

纖維預(yù)制件中樹脂流動(dòng)檢測(cè)裝置，包括硬件(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))和軟件(控制和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng))。通過檢測(cè)平臺(tái)，可以獲得導(dǎo)入過程中樹脂在預(yù)制件中到達(dá)的位置。真空導(dǎo)入工藝中控制模型的研究很多，其內(nèi)容包括：樹脂在預(yù)制件中的流動(dòng)模型、預(yù)制件在真空壓力下的壓縮和松弛行為模型及樹脂粘度和固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。其數(shù)據(jù)處理通常采用相應(yīng)面法：把模型分成許多有限元，再圍繞節(jié)點(diǎn)，把有限元分成更小的單位，構(gòu)成控制元，用有限元計(jì)算樹脂在浸潤(rùn)區(qū)的壓力分布，用達(dá)西定律計(jì)算流動(dòng)速率，用控制元和填充因子跟蹤樹脂流動(dòng)前鋒的位置。[5]

3 缺陷修復(fù)方式

合適的材料和優(yōu)化的工藝條件能保證真空灌注工藝獲得優(yōu)質(zhì)的玻璃鋼制品。真空灌注工藝對(duì)工藝條件的苛刻要求也造成工藝質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)較高。材料體系的不兼容、真空體系無法完全保證、導(dǎo)流體系的不合理都會(huì)導(dǎo)致不同程度的玻璃鋼制品缺陷。玻璃鋼制品最常見的缺陷有：纖維預(yù)制件局部未被樹脂浸潤(rùn)；纖維預(yù)制件被樹脂浸潤(rùn)后內(nèi)部或表面有白斑、氣泡；纖維預(yù)制件被樹脂浸潤(rùn)后纖維布層之間分離；纖維預(yù)制件被樹脂充分浸潤(rùn)后固化不足，玻璃鋼制品強(qiáng)度不夠；纖維預(yù)制件被樹脂充分浸潤(rùn)后經(jīng)過充分固化，玻璃鋼制品仍然達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

針對(duì)玻璃鋼制品的缺陷，修復(fù)方式有兩種：復(fù)原和補(bǔ)強(qiáng)。復(fù)原：清除缺陷，在缺陷區(qū)域按照原結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次纖維鋪放和灌注以及后固化。補(bǔ)強(qiáng)：保留原有缺陷，在缺陷區(qū)域增加纖維鋪放。根據(jù)缺陷的情況以及修復(fù)的難度，通過對(duì)修復(fù)方式的強(qiáng)度校核單獨(dú)或同時(shí)選擇合適的修復(fù)方式。

作為修復(fù)手段，復(fù)原和補(bǔ)強(qiáng)都不可能達(dá)到原有設(shè)計(jì)強(qiáng)度和成本的平衡，而且復(fù)原和補(bǔ)強(qiáng)的效果也需要用強(qiáng)度校核作為理論依據(jù)。真空灌注工藝中由于真空體系和導(dǎo)流體系問題導(dǎo)致的小范圍制品缺陷可以修復(fù)，大范圍的缺陷或材料體系導(dǎo)致的缺陷，考慮成本因素，基本是無法修復(fù)的。

4 結(jié) 論

真空灌注工藝是一種低成本制造工藝，相比手糊工藝優(yōu)點(diǎn)明顯，尤其適合于大型產(chǎn)品的制造。選擇合適的材料能提高工藝的穩(wěn)定性，確保產(chǎn)品質(zhì)量，有效節(jié)約生產(chǎn)成本。工藝?yán)碚摰难芯磕軌驗(yàn)閷?shí)際生產(chǎn)過程中的材料選擇和工藝確定提供支持。缺陷修復(fù)是追求制品強(qiáng)度和成本的平衡，而選擇合理的修復(fù)方式能提高產(chǎn)品的利用率，節(jié)約成本。

［1］ 李新華，祝穎丹，王繼輝，等. VIMP成型工藝用不飽和聚酯樹脂的研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(8)：3-6.

［2］ 洪曉斌，謝凱，刁巖，等. 真空輔助成型(VARI)用低黏度環(huán)氧樹脂研究進(jìn)展[J]. 化工新型材料，2006，34(8)：15-17.

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［5］ Dong Chensong. Development of a process model for the vacuum assisted resin transfer molding simulation by the response surface method[J]. Composites，2006：Part A：1316-1324.

Moulding Conditions of FRP Vacuum Infusion Process and the Repairing of Common Defects

SHEN Ge，SUN Zhou
(TianJin DongQi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD.，Tianjin 300456，China)

Vacuum infusion is the main process of FRP moulding. Compared with handing lay-up process，it has lots of advantages. The differences of the two processes were discussed in the paper. Besides，moulding conditions of vacuum infusion were described. It was concluded that different defects may arisedue to material selection and the technique itself and the ways of repairing vary as well.

vacuum infusion process；hand lay-up process；material selection；process study；defect repairing

TH48

A

1006-8945(2014)06-0088-04

2014-05-09