真空樹脂導(dǎo)入工藝和手糊工藝的比較

兩者的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：
手糊工藝(Hand lay-up)是一種開模工藝，目前在玻璃纖維增強(qiáng)的聚酯復(fù)合材料中占65%。他的優(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)、產(chǎn)品性能得到市場(chǎng)認(rèn)可和投資少等。所以特別適合于小公司，也適合于船舶及航空航天產(chǎn)業(yè)，這兒通常是一次性的大部件。但該工藝也存在一系列問題，如可揮發(fā)有機(jī)物(VOC)排放超標(biāo)、對(duì)操作人員的健康影響大、人員易流失、許用材料限制多、產(chǎn)品性能低，樹脂浪費(fèi)并且用量大等，尤其是產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品的玻纖和樹脂比例、部件厚度、層材制造速率、層材的均勻性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500PPm，苯乙烯的揮發(fā)量高達(dá)使用量的35%-45%。而各國(guó)規(guī)定都在50-100PPm。目前國(guó)外大都改用環(huán)戊二烯(DCPD)或其它低苯乙烯釋放樹脂，但苯乙烯作為單體還沒有好的替代品。 123456
真空樹脂導(dǎo)入工藝是近20年來發(fā)展的低成本制造工藝，尤適合于大型產(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，真空樹脂導(dǎo)入工藝成型構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及其它的物理特性可提高30%-50%以上（表1）。工藝穩(wěn)定后成品率可接近100%。
表1 典型聚酯玻璃鋼性能比較
增強(qiáng)材料 無捻粗紗布 雙抽向織物 無捻粗紗布 雙抽向織物
成型工藝 手糊 手糊 真空樹脂擴(kuò)散 真空樹脂擴(kuò)散
玻纖含量 45 50 60 65
拉伸強(qiáng)度（MPa） 273.2 389 383.5 480
拉伸模量（GPa） 13.5 18.5 17.9 21.9
壓縮強(qiáng)度（MPa） 200.4 247 215.2 258
壓縮模量（GPa） 13.4 21.3 15.6 23.6
彎曲強(qiáng)度（MPa） 230.3 321 325.7 385
彎曲模量（GPa） 13.4 17 16.1 18.5
層間剪切強(qiáng)度（MPa） 20 30.7 35 37.8
縱橫剪切強(qiáng)度（MPa） 48.88 52.17
縱橫剪切模量（GPa） 1.62 1.84

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(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)件間都存在高度的一致性。產(chǎn)品的纖維用量在注入樹脂前已按規(guī)定的量放入模具中，構(gòu)件有相對(duì)恒定的樹脂比，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。
(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)度的提高，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，采用真空導(dǎo)入工藝制作的產(chǎn)品可減輕結(jié)構(gòu)重量。
(4)環(huán)境友善。真空樹脂導(dǎo)入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于真空袋中。僅在真空泵排氣（可過濾）和打開樹脂桶時(shí)有微量的揮發(fā)物。VOC排放不超過5PPm的標(biāo)準(zhǔn)。這也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)品整體性好。真空樹脂導(dǎo)入工藝可同時(shí)成形加強(qiáng)筋、夾芯結(jié)構(gòu)及其它嵌件，提高了產(chǎn)品的整體性，因此可制造風(fēng)機(jī)機(jī)罩、船體和上層建筑等大型制品。
(6)減少原材料使用，減少用工。在同樣鋪層時(shí)，樹脂用量減少30%。浪費(fèi)少，樹脂損耗率低于5％。勞動(dòng)生產(chǎn)率高，比手糊工藝可節(jié)約勞動(dòng)力50%以上。尤其在成型大型復(fù)雜幾何形狀的夾芯和加筋結(jié)構(gòu)件時(shí)，材料和人工的節(jié)省更為可觀。如在航空工業(yè)的垂直舵制造中，使緊固件減少365個(gè)價(jià)格比傳統(tǒng)方法減少75%，產(chǎn)品重量不變，性能更好。
（7）制品精度好。真空樹脂導(dǎo)入工藝產(chǎn)品的尺寸精度（厚度）優(yōu)于手糊制品。在同樣的鋪層下，一般真空樹脂擴(kuò)散技術(shù)產(chǎn)品的厚度為手糊制品的2/3 。產(chǎn)品厚度偏差約為士10%，而手糊工藝一般為士20% 。產(chǎn)品表面的平整度優(yōu)于手糊產(chǎn)品。真空樹脂導(dǎo)入工藝的機(jī)罩產(chǎn)品內(nèi)壁光滑，表面自然形成富樹脂層，不需要另外加涂面漆(Top coat)。減少了打磨和涂漆工序的人工和材料。
當(dāng)然目前真空樹脂導(dǎo)入工藝也有一定的缺點(diǎn)：
（1）準(zhǔn)備工序時(shí)間較長(zhǎng)而且較為復(fù)雜。需要正確的鋪層、鋪設(shè)導(dǎo)流介質(zhì)、導(dǎo)流管、有效的真空密封等。因此對(duì)于小尺寸產(chǎn)品，其工藝時(shí)間反而超過手糊工藝。
（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)、脫模布及導(dǎo)流管等輔助材料都是一次性使用，而且目前相當(dāng)多的要依賴進(jìn)口，故生產(chǎn)成本比手糊工藝高。但產(chǎn)品越大，這個(gè)差別越小。隨著輔助材料的國(guó)產(chǎn)化，這一成本差別也越來越小。當(dāng)前研究可多次使用的輔助材料是本工藝的一個(gè)發(fā)展方向。
（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，以保證工藝的成功。
2 真空樹脂導(dǎo)入工藝對(duì)原材料的要求
作為以真空導(dǎo)入工藝生產(chǎn)的機(jī)艙罩中使用的樹脂要求： 123456
（I）低粘度。一般在100-400mPa.s左右。最好不高于200mPa.s; (2)適當(dāng)?shù)姆艧岱鍦囟?，一般不高?0℃；(3)在使用溫度達(dá)到60℃前，玻璃鋼層材仍有合適的強(qiáng)度；(4)長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境下（相對(duì)濕度95%),仍與所選玻璃布有很好的結(jié)合強(qiáng)度：(5)可在常溫下固化；(6)有足夠長(zhǎng)的凝膠時(shí)間，保證工藝的完成，而且最后能完全固化；(7)耐氣候性好；（8）耐油脂性好；(9)阻燃性好；（10）價(jià)格低；（11）固化收縮率低等。
對(duì)于樹脂體系的各種組分，如樹脂、固化劑、促進(jìn)劑、阻聚劑、色漿和填料等都要開展相應(yīng)的樹脂流動(dòng)性、粘度和固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，以保證工藝的可靠性(圖3)。其研究手段包括DSC、DTA、動(dòng)態(tài)粘度計(jì)等。
一般來說，各種形式的增強(qiáng)材料，如短切氈、長(zhǎng)絲氈、無捻粗紗織物（方格布）、加捻織物、縫編織物以及夾芯材料（泡沫、輕木和蜂窩）等都可以應(yīng)用，應(yīng)用的織物面密度最大可至87kg/M2。但是要注意到，不同織物對(duì)真空導(dǎo)入工藝的影響是很大的，要盡量采用滲透率高、對(duì)樹脂浸潤(rùn)性好的織物。

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在采用芯材時(shí)，則需采用GPS芯材。
3真空樹脂導(dǎo)入工藝研究。
3.1樹脂的流動(dòng)性研究
在真空樹脂導(dǎo)入工藝中，主要是采用達(dá)西定律(Darcy's Law)(公式（l））來描述樹脂流過預(yù)制件的過程。

其中，u:樹脂流動(dòng)速度
K：預(yù)制件滲透率
u：樹脂粘度
△P/△x:壓力梯度
在達(dá)西定律中，樹脂被認(rèn)為是不可壓縮的、其粘度不隨切變速度影響的牛頓流體。在實(shí)驗(yàn)中，也可以用其它液體來代替樹脂，如用糖漿、甘油和纖維素水溶液等，這樣可大大減少實(shí)驗(yàn)成本和提高試驗(yàn)速度?？椢镱A(yù)制件被看作多孔介質(zhì)，其特性可用孔隙率和滲透率表征，他們影響樹脂在預(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)（充模）時(shí)間和流動(dòng)途徑等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而影響著樹脂進(jìn)口，出口及流道等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以確保樹脂在凝膠化前完成充模過程。 本文來自123
樹脂的流動(dòng)可分為兩類：(圖3)
由壓力梯度決定的浸潤(rùn)或宏觀流動(dòng)（紗線束間）的流速。(Macroscopic flow)。
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。(Microcosmic flow)

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)，如果流動(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。
研究發(fā)現(xiàn)，高滲透率導(dǎo)流介質(zhì)的應(yīng)用，大大縮短了充模時(shí)間，樹脂在導(dǎo)流介質(zhì)中流動(dòng)大大快于在預(yù)制件中的流動(dòng)，但二者的差距保持一個(gè)恒定值，充模時(shí)間只是導(dǎo)流介質(zhì)滲透率的函數(shù)，受預(yù)制件滲透率的影響很小。導(dǎo)流介質(zhì)的應(yīng)用使充模時(shí)間減少50-80%。
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，從而使工藝不能在預(yù)想的情況下進(jìn)行。

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目前有相當(dāng)多的軟件可模擬真空導(dǎo)入工藝中的流動(dòng)過程，包括樹脂流動(dòng)前鋒的位置和圖樣，可預(yù)先發(fā)現(xiàn)工藝中潛在的問題，并使工藝達(dá)到最佳化。
3. 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馳行為，以及纖維和樹脂間的相互作用。
試驗(yàn)表明，產(chǎn)品厚度是隨著樹脂的流動(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VARIM工藝中預(yù)制件受到的外壓是大氣壓（Patm） ,這個(gè)壓力由樹脂壓力(Pr)和纖維結(jié)構(gòu)支撐(Pf)(公式2)。
Patm=Pr+Pf (2)
樹脂在進(jìn)口處的壓力為1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，其壓力是從零到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(圖4)。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，使樹脂壓力穩(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。