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    真空灌注工藝

    放大字體  縮小字體 發布日期:2020-09-15  瀏覽次數:1650
    核心提示:真空導入技術自2000年左右引入到我國后,經過十多年來的發展,在國內已經是一項非常成熟的工藝了。近幾年由于環保嚴查,閉模工藝
         真空導入技術自2000年左右引入到我國后,經過十多年來的發展,在國內已經是一項非常成熟的工藝了。近幾年由于環保嚴查,閉模工藝越來越受到大家的重視,原先很多做手糊工藝的企業都在謀求工藝上的轉型。
     
        雖然RTM工藝被大家炒得火熱,但對于很多產品來說,并不是很合適。如果想要嘗試閉模工藝,真空導入工藝仍舊是最好的嘗試方案之一。
     
        本文從真空導入的原理入手,對于整個工藝流程進行了完整的描述,也從力學性能和優勢方面跟其它工藝進行了比對,讓大家對真空導入工藝有比較清晰的了解。
     
    摘要
     
        真空導入是最近興起的復合材料加工方法,本文介紹了真空導入工藝的原理,并與其他工藝在力學性能上做了對比,闡述由真空導入工藝所制作的產品的優勢,同時對生產工藝過程作了扼要的介紹。
     
        在目前的材料中,復合材料因其質輕高強而被廣泛應用。針對復合材料的制造工藝也在不斷的提高和創新。由起初的手糊,發展到機械化的噴射,拉擠,模壓等工藝,到現在興起的真空導入工藝,與真空導入相關的工藝還有樹脂傳遞模塑(RTM),真空輔助RTM(VARTM),真空袋壓SCRIMP,SRIM(Structural,ReactionMolding),RTI(resin filminfusion)。但都有一些差別,很多文章中都介紹過,這里就不贅述了。
     
    1、真空導入工藝(Vacuum infusion process,VIP)
     
        真空導入工藝,簡稱VIP,在模具上鋪增強材料(玻璃纖維,碳纖維,夾心材料等,有別于真空袋工藝),然后鋪真空袋,并抽出體系中的空氣,在模具型腔中形成一個負壓,利用真空產生的壓力把不飽和樹脂通過預鋪的管路壓入纖維層中,讓樹脂浸潤增強材料最后充滿整個模具,制品固化后,揭去真空袋材料,從模具上得到所需的制品。
     
        VIP采用單面模具(就象通常的手糊和噴射模具)建立一個閉合系統。
     
        真空導入工藝公諸于世很久了,這個工藝在1950 年出現了專利記錄。然而,直到近幾年才得到了發展。由于這種工藝是從國外引入,所以在命名上有多種稱呼,真空導入,真空灌注,真空注射等。
     
    2、理論
     
        真空導入工藝能被廣泛的應用,有其理論基礎的,這就是達西定律:
     
       Darcy’s Law)t =?2h/(2 kDP )
        t 是導入時間,由四個參數來決定;h-樹脂粘度
     
        從公式上可以看出所用樹脂的粘度越低,則所需導入時間就越短,因此真空導入所用的樹脂粘度一般不能太高。這樣可以使樹脂能夠快速的充滿整個模具。
     
        ?-注射長度,指的樹脂進料口與到達出料口的之間的距離,距離長當然所需的時間亦長。
     
        DP-壓力差, 體系內與體系外壓力差值越大,對樹脂的驅動力也越大,樹脂流速越快,當然所需導入時間也越短。
     
        k= 滲透性,指玻纖,夾心材料等對樹脂浸潤好壞的參數。k 值大說明浸潤好,像多向氈要比方格布,短切氈易被樹脂浸潤。因此為了使得樹脂在增強材料被壓實的情況下能方便的充滿體系,一般會人為設置一些導流槽,比如在夾心泡沫上下打孔等。
     
    3、優勢
     
        在通常的手糊工藝(hand lay-up)中,增強材料鋪于模具中, 采用刷子,輥子或其它方式手工浸潤增強材料。另外一種改進的方法是使用真空袋吸出手糊時積層中多余的樹脂。這樣提高的玻纖含量,得到更高強度和更輕的產品。VIP 相對于傳統的工藝具有很多優勢,如圖以手糊,真空袋和真空導入為例。在力學性能上真空導入占有明顯的優勢。

    由此可以看出真空導入的優勢:
     
        a 更高質量制品:在真空環境下樹脂浸潤玻纖,與傳統制造工藝相比,制品中的氣泡極少。體系中不留有多余的樹脂,玻纖含量很高,可達到70%,甚至更高。所得制品重量更輕,強度更高。批與批之間也非常穩定。
     
        b 更少樹脂損耗:用VIP 工藝,樹脂的用量可以精確預算,對于手糊或噴射工藝來說,會因操作人員的多變性而難于控制。VIP 可以使得樹脂的損耗達到最少,更重要的是,這樣可以節約成本。
     
        c 樹脂分布均勻:對于一個制品來說,不同部分的真空產生的壓力是一致的,因此樹脂對玻纖的浸潤速度和含量趨于一致。這個對于重量要求穩定的FRP 制件來是很關鍵的。
     
        d 過程揮發更少:生產過程中沒有刷子或輥子之類,不會造成樹脂的潑灑或滴落現象發現,更不會有大量的氣味出現。所以它能提供一個干凈、安全和友好的工作環境, 保護操作者的身心健康。
     
        e 使用單面模具:僅用一面模具就可以得到兩面光滑平整的制品,可以較好的控制產品的厚度。節約模具制造成本和時間。
     
        正因為用VIP 工藝所做產品有如此的優點,最早應用于航天航空等特種領域,后來慢慢應用于高要求的民用產品。
     
    VIP 工藝的應用領域
     
    1)船艇工業--船體,甲板,方向舵,雷達屏蔽罩
     
    2)風電能源--葉片,機倉罩
     
    3)體育休閑--頭盔,帆板
     
    4)汽車工業--各類車頂,擋風板,車廂
     
    5)建筑領域--建筑物頂部件,建筑模板
     
    6)農業和園藝--糧倉圓蓋,農機保護蓋
    4、工藝流程

    4.1 VIP 所用材料
     
    4.1.1 樹脂
        當準備開始真空導入的試驗時,首先要選用合適的樹脂,是環氧樹脂還是不飽和聚酯樹脂。真空導入工藝的樹脂,不能用普通的樹脂來代替,它對粘度,凝膠時間,放熱峰,浸潤性等有特殊的要求,具體可咨詢樹脂供應商。
     
    4.1.2 固化體系
        如果是環氧樹脂,要使用其相對應的專用固化劑;不飽和樹脂常用的固化劑是過氧化甲乙酮。不同的廠家其質量是不一樣的,選用時對其評價,不能因為用量少的材料而影響到整個制品的質量。
     
    4.1.3 增強材料
        增強材料一般常用的是玻璃纖維和碳纖維。比如復合縫邊氈,單布等,具體要根據力學設計。選用時最好做一下實驗,滲透性如何,因為纖維在制造過程中選用的浸潤劑,粘接劑的不同對樹脂的浸潤會不一樣,導致最終制品的力學性能會有很大的差異。
     
    4.1.4 夾心材料
     
        一般常用的是Balsa木,PVC 泡沫,PUR/PIR 泡沫,強心氈等。依據制品的需要選用合適的夾心材料。
     
    4.1.5 設備、輔材
     
        真空泵,接口,壓力表,導流管,脫模布,導流布,真空袋等等。真空導入工藝用所的材料不是隨隨便便拿來就能用,每種材料都要經過實驗加以確認,以此判斷是不是適用。

    4.2 VIP 工藝流程
     
    為了要了解材料如何使用和如何安排。為了解說方便,我們以如所例示意圖為例子。
     
    第一步:準備模具
     
    和其它積層工藝一樣, 對VIP 來說高質量的模具也是必須的。表面要有較高的硬度和較高的光澤,并且模具邊緣至少保留15 厘米,便于密封條和管路的鋪設。對模具進行清理干凈,然后打脫模蠟或抹脫模水。
     
    第二步: 施工膠衣面可以根據制品的要求,可以用產品膠衣和打磨膠衣,選用類型有鄰苯,間苯和乙烯基。用手刷和噴射的方法施工膠衣。
     
    第三步:增強材料鋪設
     
    選用增強材料-玻璃纖維,碳纖維,夾心材料…這要依據制品強度要求來定。選擇增強材料對積層工藝來說是很重要的一步,但對于VIP 要多考慮幾點。雖然所有織物都可以用,但不同的材料和織法會影響樹脂流速。
     
    第四步:真空袋材料鋪設
     
    先鋪上脫模布,接著是導流布,最后是真空袋。在合上真空袋之前,要仔細考慮樹脂和抽真空管路的走向,否則有的地方樹脂會無法浸潤到。鋪設時要非常小心,以免一些尖銳物刺破真空袋。
     
    第五步:抽真空
     
    鋪完這些材料后,夾緊各進樹脂管,對整個體系抽真空,盡量把體系中空氣抽空,并檢查氣密性,這一步很關鍵,如有漏點存在,當樹脂導入時,空氣會進體入體系,氣泡會在漏點向其它地方滲入,甚至于有可能整個制品報廢。
     
    第六步:配樹脂
    抽真空達到一定要求后,準備樹脂。按凝膠時間配入相應的固化劑,切記不能忘加固化劑,否則很難彌補。不過一般真空導入樹脂含有固化指示劑,可以從顏色上來判斷是否加了固化劑。
     
    第七步:導入樹脂
     
    把進樹脂管路插入配好的樹脂桶中,根據進料順序依次打開夾子,注意樹脂的量,必要時及時補充。
     
    第八步:脫模
     
    樹脂凝膠固化到一定程度后,揭去真空袋材料。從模具上取出制品并進行后處理。
     
    5、 結語
     
    當然任何一個工藝不可能是十全十美的,目前來說VIP 所需的一次性耗材很大一部分需要進口,提高材料成本,但這部分可以減少樹脂用量上得到平衡。另外對操作人員的技能要求更高。每一過程都仔細按步驟做好才能進入下一步的操作,否則會造成不能逆轉的損失。   
     
    所以這種工藝目前用在附加值高的FPR 部件和制品中, 如體育用品配件,游艇,風力發電葉片等。但人們對更高性能材料的大量需要,真空導入工藝正被越來越多的人認識和采用。
     
     
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