拉挤工艺现状及进展

拉挤工艺现状及最新工艺进展拉挤成型这项工艺，目前还处在高速发展阶段。从国内外发展趋势来看，主要为生产大尺寸、复杂截面、厚壁产品，发展重点为：新型海洋用复合材料、电力传输、民用工程的结构组件、以及高层建筑项目。目前国外最厚的拉挤成型产品已达101.6mm，同时拉挤工艺也从模腔内“黑色艺术”发展到以更加科学的实验手段，反复验证研究模内固化动力学，同时借助于各种电子设备、树脂注射、模具设计等不断优化质量提高生产率，随着先进设备的发展，那些之前被认为不可想象的工艺也将不断涌现。拉挤成型的特点：一是工艺简单、高效，适合于高性能纤维复合材料的大规模生产。拉挤线速度己知达到4m/min以上，加上可同时生产多件产品，更进一步提高了生产效率。二是拉挤能最好地发挥纤维的增强作用。在大多数复合材料制造工艺中纤维是不连续的，这使纤维强度损失极大，即使连续纤维缠绕，由于纤维的弯曲、交迭等也使其强度有一定损失。例如螺旋缠绕中，纤维的张度发挥一般只有75%～85%。在拉挤中，纤维不仅连续而且充分展直，是发挥纤维强度的理想形式。三是质量波动小。拉挤工艺自动化程度高，工序少，时间短，操作技术和环境对制品质量影响都很小，因此用同样原材料，拉挤制品质量稳定性较其他工艺制品要高。在线编织拉挤成型法自动编织在20世纪初就实现了，传统的复合材料编织是芯轴在编织机上以一定轨道匀速运动来实现的，编织的预成型体的浸渍可以通过手糊或自动喷射技术或在成型的编织点直接添加树脂。理论上，与其他预成型体制造技术相比，编织的管状制件最适合拉挤成型，编织的最大优点在于能够把单向纤维引入到编织结构中，轴向纤维可以从任意编织纤维接点处引入。这种结构是连续周向增强体和轴向增强体的有机结合成很稳定的预制体。编织物所有的纤维均斜交，与轴线夹角不呈0°与90°。编织原理与编织管如图1、图2所示。编织过程中，纤维的运动轨迹为螺旋线。选择合理的纤维角度，可调节产品管材径向强度与轴向强度的比例，同时，选择适宜的纤维排列密度可满足强度与外观的要求。图1编织原理图图2编织套管为适合工艺要求，现成的编织机需进行局部改造，将原机上的卷取部分――摇柄、蜗轮、卷取盘等取下。原卷取轴改换为相应直径的芯模，此芯模伸入模具内，成型产品内径，芯模的尺寸精度与光洁度要求较高。此轴一段固定要牢固，并且可进行上下左右4个方向的位置调节。图3在线编织拉挤成型示意图图3为在线编制拉挤成型示意图，芯棒自缝编机尾端穿入模具，树脂通过泵，在压力下注入模具前端的腔内对纤维进行浸渍。在线编织的管装纤维套由拉挤机的牵引装置牵引，芯模固定不动。纤维套沿芯模织好后，进入模具，在模具入口的树脂浸渍区内浸渍树脂，经牵引通过加热的模具，在模具内凝胶、固化，最终成为FRP管材成品。目前国内已有厂家采用此工艺投产，并申报专利。聚氨酯拉挤传统的拉挤用树脂有聚酯、乙烯基酯、环氧树脂等，使用聚氨酯树脂进行拉挤是目前新开发的技术。德国拜耳材料科学公司正在大力推进这种技术的发展，并已成功制造出聚氨酯拉挤产品上市。这种新型双组分聚氨酯是用专利方法把多元醇与一种高反应性的异氰酸酯混合形成的。异氰酸脂的加入赋予了以下特性：粘度低(保证纤维良好浸渍)、胶凝时间长(方便临时停机)、聚合迅速(提高成型速度)、表面光洁度良好、成本具有竞争力。与其他材料相比，聚氨酯拉挤工艺的优越性显而易见。它可以提高制品中玻璃纤维含量而使制品强度大大提高。例如，用玻璃纤维与聚氨酯树脂拉挤窗框，所得窗框的强度比PVC窗框高8倍，其导电性比铝低40倍，因而绝缘性能好得多。同时，因为聚氨酯拉挤窗框的脆性更小，它们不会开裂，从而经久耐用。聚氨酯拉挤技术，存在以下有优点：1、用传统树脂拉挤某些型材时，可能要求使用多达4或5种不同的玻璃纤维毡。采用聚氨酯拉挤，常常可以用玻纤无捻粗纱来代替玻纤毡。毡容易破碎，碎片可能堵塞机器，影响生产。取消玻纤毡后，就减少了原料成本以及操作毡所耗的劳力成本。取消毡后，在一定程度上，能提高生产线速度，从而提高成本效益。另一方面，用无捻粗纱代替毡后，纤维体积含量可以增至80%左右，而大多数非聚氨酯拉挤制品的纤维含量为60%。这样，更高的玻纤含量与性能更好的树脂相结合，打造了强度和刚度更好的聚氨酯拉挤型材。2、聚氨酯拉挤制品的应用更加广阔，这些制品可以用于聚酯树脂不能胜任的用途，在建筑、基础设施和交通运输市场代替钢和铝材。3、从原有的拉挤系统转换成聚氨酯拉挤系统比较简单、方便和经济，无需大的投资。原有的模头、加热器和机组仍可使用。需要改装的设备有两件：树脂计量/混合器和树脂注射箱。其一，因为聚氨酯是双组分体系，故需用一种专门的计量/混合装置。其二，因为聚氨酯树脂的反应活性，还需要把传统的敞式树脂槽取消，代之以树脂注射系统，以适应聚氨酯更快的胶凝时间。拜耳材料科学公司专门设计了一种树脂注射箱，以优化拉挤过程中玻璃纤维的浸渍。注射箱可用高密度聚乙烯材料制成，以减少成本，方便清洁和防止纤维损伤。树脂两种组分的泵送速度与树脂消耗速度匹配，并在注射箱中保持足够压力，以保证玻璃纤维浸透。4、聚氨酯拉挤制件还具有装配优点，特别是紧固方便。在聚氨酯拉挤制品上装入螺钉时，不需预先钻孔，这样就可节省时间和劳力。反过来，在聚氨酯拉挤制品中拔出螺钉所需的力量是在聚脂拉挤制品中拔出螺钉所需力量的两倍多。CRTM（反应注射拉挤）反应注射成型是20世纪70年代后期发展起来的。玻璃纤维通过导纱器和预成型模后，进入连续树脂传递模塑模具中，在模具中以稳定的高压和流量，注入专用树脂，使玻璃纤维充分浸透和排除气泡，在牵引机的牵引下进入模具固化成型，从而实现连续树脂传递模塑（ContinuousResinTransferMoldingPulltrusionProcessCRTM）或称注射拉挤。这种方法所用原料不是聚合物，而是将两种或两种以上液态单体或预聚物，以一定比例分别加到混合头中，在加压下混合均匀，立即注射到闭合模具中，在模具内聚合固化，定型成制品，由于所用原料是低粘度液体，用较小压力即能快速充满模腔，所以降低了合模力和模具造价，特别适用于生产大面积制品。反应注射成型要求各组分一经混合，立即快速反应，并且物料能固化到可以脱模程度。因此，要采用专用原料和配方，有时制品还需进行热处理以改善其性能。成型设备的关键是混合头的结构设计、各组分准确计量和输送。此外，原料贮罐及模具温度控制也十分重要。反应注射拉挤具有以下优点：1、玻璃纤维充分浸透，所生产的FRP制品中微气泡含量少，机电性能优良；2、供树脂系统与大气容易隔离，产品性能不易受环境影响；3、注射的树脂一直保持有相同的固化特性（一直是“新胶”）；4、容易得到透明的产品，使产品缺陷（如夹杂、结纱等）易于发现和剔除；5、对环境和操作人员的影响小。曲面拉挤美国GoldworthyEngineering公司在现有拉挤技术基础上，开发了一种可以连续生产曲面型材的拉挤工艺，用来生产汽车用弓形板簧。这种工艺的拉挤设备由纤维导向装置(用来分配纤维)、浸胶槽、射频电能预热器、导向装置、旋盘阴模、固定阳模模座、模具加热器、高速切割器等装置组成。所用原材料为不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂或环氧树脂和玻璃纤维、碳纤维或混杂纤维。弓形板簧的生产过程为：在旋转台上固定几个，与板簧凹面曲率相同的阴模(称作旋转模)，形成一个完整的环形模具，阴模的数量应与板簧的长度相配合。同时，固定阳模模座的凹面，使之与旋转环形阴模的凸面相对应，它们之间的空隙即是成型模腔。转台转动时，牵引着浸渍了树脂的增强材料经过高频预热器和导纱装置后，再经紧靠着导纱装置的固定模端部的模板进人由固定阳模与旋转阴模构成的闭合模腔中，然后按模具的形状弯曲定型、固化。制品被切割前始终置于模腔中。待切断后的制品从模腔中脱出后，旋转模即进人到下一轮生产位置。德国的Thomas公司，最近开发了一种新的制造技术“半径拉挤成型”，这使得有可能生产出几乎所有角度的半径连续弯拉挤型材。该技术能够产生拱形或圆形部分，包括螺旋形部分，使我们跳出一维，生产出三维拉挤型材。“半径拉挤成型可应用于汽车、飞机、结构、建筑和家具，及允许弯曲以及连续型材项目。近年来拉挤成型工艺取得了快速的发展，这与新树脂的采用、新的成型技术的应用息息相关，极大的扩展了材料的适用领域。同时，新的传感器和控制技术的产生，也进一步提高了拉挤制品的质量，拉挤成型这种具有强大生命力的FRP生产工艺将成为未来许多新产品的主要生产技术。