拉挤成型工艺及应用

拉挤成型工艺及应用 黄克均张建伟 (第五三研究所.济南250031) 内容提要概述拉挤成型工艺及其应用前景，通过对拉挤成?工艺与其它复合材料加工工艺的 比较，阐述了拉挤戋型工艺的特点和这种新的复合材料加工工艺在航空、躭天、交通、电气、化工和建 筑等领域的发展潜力。 关键词拉挤成5!复合杈枰树脂材料工艺应明 展-囝1为现今的拉挤成型工艺流程示意图。 1前言 拉挤成型工艺是复合材料的主要成型工艺方法 之一。用拉挤成型工艺可以全自动地生产不变截面 的棒、板,如c型槽(板）、丨型梁、圆柱棒、j型棒等。 最初的拉挤制品是钓鱼竿和电机檜楔等。自70年代 以来，拉挤成型工艺不断完善,拉挤成型制品应用范 围已遍及航天，航空、交通、建筑、化工和电气等各个 领域，甚至用来制造桥梁结构架、汽车和轮船传动轴 等主承力结构件。90年代初拉挤制品的世界年产量 为复合材料总年产量的3%?5%,达9万?15万t, 其中美国占一半左右。拉挤制品的年增长率达到 10%?15%,是复合材料制品中增长最快的- 种[卜 2拉挤工艺过程 2- 1 拉挤工艺 拉挤成型工艺是指将浸溃了树脂的连续纤维粗 纱经加热模拉出形成预定截面型材的过程。在拉挤 成型工艺的发展中，有三种同时发展起来的工艺： (1) 隧道炉拉挤工艺该工艺是把玻纤粗纱或 类似的增强材料牵引穿过树脂浴后，经过整形套管 除去包藏的空气和多余的树脂达到预定的直径，然 后牵引穿过隧道炉并悬空连续固化得到最终产品。 (2>间歜成型拉挤工艺该工艺是把增强纤维 牵引穿过树脂浸溃槽并进入对分式阴模，在脖止状 态下由模外加热固化。通常模具的进入端要冷却以 防树脂固化.当一段增强纤维上的浸溃树脂完全固 化后,打开模具再把下一段牵引到模中。 (3)高频或微波加热拉挤工艺该工艺与上述 两种方法类似,但采用高銕或微波加热，这种方法树 脂固化速度快，在模内即可固化。 由于70年代初连续纤维毡的问世解决了拉挤 型材的横向强度问题，使拉挤成型工艺获得高速发 1 一纱团架>2 —纤维控制系统,3 —树脂浸溃槽； 4 —加热的模具,5 —牵引机,6 —切割锯 图1拉挤成型工艺流程图 通常拉挤过程包括纤维粗纱自纱团架经纤维控 制系统向前牵引，在浸溃槽中用适宜的浸溃树脂浸 润并整理，将合在一起的浸溃过树脂的纤维束穿过 成型模.使已成型的浸溃了树脂的预浸件穿过拉挤 模等过程= 2- 2 材料 拉挤成型工艺中使用的材料包括树脂、增强材 料、无机填料和内脱模剂等[14〕。 拉挤成型工艺使用的树脂与其它复合材料成型 工艺使用的树脂不同。国外已推出的可用于拉挤工 艺的树脂如表1所示。 拉挤成型工艺使用的增强材料有玻璃纤维.石 墨纤维、芳纶纤维、硼纾维和混杂纤维等。国外使用 的增强材料见表2。 在拉挤工艺中适当加入填料可提高树腊基体的 酎热性，降低树腊收缩率，改善拉挤制品表面性能和 降低成本。还可賦予拉挤制品阻燃、耐化学腐蚀或电 绝缘等功能。 对拉挤工艺使用的无机填料的要求是填料的化 学成分稳定、杂质含量少、吸水率低于0. 5 %、平均 收稹日期：I996-U-15 表1拉挤工艺用树脂 类型 商品牌号 生产厂家 性能与应用 聚酯 Dion 8200 Dion EP 34456 Hetron 197A Polylite 31-020 不饱和聚酯 4001A,B703 Koppers Koppers Ashland Ashland Re ic hold 日本1匕亡会社（株) 通过缓和升温引起的收缩反应，可解决热裂纹问题 在148. 9C下连续使用，用作抽油杆 反应型增韧剂与通用树脂混合使用可减缓歼温，减少 裂纹并能增加拉挤线速度 耐酸，但不耐碱和次氣酸盐 高活性间苯聚酯,可增加小直径杆与型材的拉挤速度 可提卨阻燃性，降低收缩率 溴化聚酯 Herron 613 Ashland 阻燃级树脂 乙烯基酯树脂 Hetron 922 Hetron 980 Derakane 411 — 35 ? 470-25 Ashland Af.hU nd Dow 射碱和次氣酸盐 高温F荇良好的物珲性能保持率?弔作抽油忏 阻燃剂含最低?拉挤线速賓高，苯乙烯含量低、钻度 高，用怍抽油杆，低填料量时有良好的物理性能和埘 高温性 环氧树脂 EPON 9102,9302 EPON 9310 TACTIX TETRAD-C.X ELM100,120 Shell Shell Dow 三菱瓦斯化学会社 (株） 大日本>夸化学会 社（株） 可提高拉挤速度，可用高频加热固化.粘度与收缩率 类似聚酯 推荐用于拉挤工艺 用予航天与航空结构件 可提高耐热性?用F制造飞机零部件 可提高耐磨性，用f航天航空结构件         表2拉挤成型工艺用增强材料 类型 商品 牌号 制造厂家 性能与应用 聚酯粗纱|   Alhed 低模量，低性能，低成本   E —玻璃   通用品级   S-2玻 瑞463   适用于环氧树脂，可改善剪 切性能，降低成本   S-2玻 璃449 Owens 一 Corning 高性能，适甩J1军品 玻璃粗纱 425 424， 30型 常用56股和股粗纱， 低悬垂度，分散性好，工艺 性好 浸润性好，无悬垂度，常用 113股和256股粗纱；分敢 性和拉伸性能好，仅适用于 聚酯。加工条件苛刻时易断   E—玻璃 PPG 通用品级 有机纤维 Kevlar — 49 Du Pont 轻质，用于航空、航天材料 和军用材料，中等成本 石墨布带 AS Hercules 轻质，成本高于Kevlar纤 维和玻璃纤维，用于刚性要 求高的场合   T300 Union Carbide 与AS相同         粒径5?10 Mm。填料加入量一般为15%?40%，拉 挤工艺中常用的填料见表3。 表3拉挤工艺用无机填料 硅酸盐类 碳酸盐类 硫酸盐类 氧化杓类 瓷土、高岭十. 碳酸钙 硫酸钡 水合氧化铝 粘卜.、滑6粉   硫酸钙 氧化铝 珍珠岩粉. 云母粉     沉积或气相 :氧化硅 A英粉         拉挤工艺常W的脱模方法有下列4种： (1>在模具内成型料的表面放置脱模板； (2)在横具内壁涂脱模剂； (3)使用聚四氟乙烯等非粘材料制作模具； (4) 在成型料中预先加入脱模性好的内脱模糾。 实践证明方法（1)、（2)、（3)不能达到满意的脱 模效果。国外现已推出的拉挤成型工艺用脱模剂见 表4。 2. 3 模具 拉挤成型工艺使用的模具是用工具钢制成的。 为了将浸溃了树脂的增强纤维牵引通过加热的模 具，制成外观光洁美观的拉挤制品，在模具的设计与 加工中，一方面要提高加工精度，另方面要尽量提高 模腔内表面的粗糙度等级（通常采用镀铬或渗钽 法）。模腔内表面粗糙度等级高，既利于脱模又可咸 表4拉挤成型工艺用内税横剂 商品牌号 生产厂家 性能与应用 Orth 162 Du Pont 用于乙烯基酯树脂 Mold Wiz PS-125   用于乙烯基醅树脂、不饱 和聚酯树脂 Mold Wiz INT-54   用于乙烯基酯树脂，不饱 和聚酯树脂 Mold Wiz INT-33P/A Axel Plastics Research Lab 高分子缩聚产品，用于乙 嫌基酯树腊 Mold Wiz INT-EQ-6   高分子缩聚产品，用于乙 烯基酯树脂、不饱和聚酯 树脂 MW 1NT-1846   液体，用于环氧树脂 Synpron 1301 Synthetic Products 液体，用于乙烯基酯树 脂、不饱和聚酯树脂 FX-9 Special Products 用于乙烯基酯树脂 Zelec NE   糊料，用于不饱和聚酯树脂 Zelec VN Du Pont 用于环氧树脂 Zelec UN 液体，用于不饱和聚酯树脂 Zelec NK   糊料，用于环氧树脂       少摩擦阻力，延长模具的使用寿命⑴。 2.4 拉挤成型用树脂纪方 因增强纤维浸润的好坏?树脂凝胶速度的快慢. 以及树脂在模具内的固化速率和脱模的难易，均取 决于树脂体系，所以树脂体系的选择是非常重要的。 常见的树脂配方见表5 4_。 2. 5 成型工艺条件 拉挤成型工艺必须选择合适的模内温度设置 点，设定合适的顸热温度和牵引速度。图2为拉挤装 置的加热部分和模具的示意图。图2中，拉挤模具分 为三个区，在第?区内，树脂与增强材料的混合物进 入预热模具，混合物被加热后，模腔内液压提高。在 第二区内，树脂幵始反应，从粘稠液态固化为凝胶 状，再变为橡胶状材料。当树脂固化为固态产品时， 体积收缩使压力下降，产品从模具表面脱离下来。在 第三区内，部分固化的复合材料继续固化完全，常用 拉挤工艺条件见表6[3]。 3拉挤成型工艺特点、应用与发展「2工5?8] 拉挤成型工艺作为一种自动化连续生产的复合 材料成型工艺方法，类似于金属的挤出工艺，其主要 优点是制造速度快，拉挤成型材料的利用率为95% C手糊成型材料的利用率仅为75%)。用拉挤成型方 法制成的拉挤制品具有高强、轻量（钢的20% ?钔的 60%)、较少或不需维修、耐化学腐蚀、酎老化、耐紫 表 5典型拉挤用树脂配方   项目 材料 质量份   Derakane 530 100   ASP-400 粘土 可变 乙烯基酯树脂配方 待丁基过氧化辛酯 1,0   脱模剂 1.0   玻璃纤维 可变   不饱和聚酯4001A 100   v、。一 口松 TCP 1.5 不饱和聚酯树脂 八一失工了 HI 1-5 配方 减粘剂TSAV-201 10   碳酸钙SS 80 200   MW INT-EQ6 3. 0   EP0N 树脂 9310 100   EPON 树脂 9360 33 环氧树脂配方 EP0N固化助剂537 0. 67   MW INT-1846 0. 67   ASP 400P 13 ?20       1 一摸具:2—复合材料；3_绝热层金属平板 5 —第一加热区；6—第二加热区：7—苇三加热区 图2拉挤装置的加热部分与模具部分 表b'拉挤成型*作条件 拉挤用材料 模温‘ C 牵引速度/ mm ? min_1 不饱和聚酯/玻璃粗纱 110?160 300 环氧树脂/玻璃粗沙或玻璃 160-182 305 布带 环氧树脂/石蜃纤维 165?182 400       外线降解、尺寸稳定、表面光滑、易着色、无磁性、电 磁透过性好、易于加工、可机械连接或胶接等特性 拉挤制品与其它成型方法成型制品的不同之处主要 是,可大批量生产；生产率高，成本低;制品纤维含鼋 高.强度和刚度高,?制品可复制性好；产品为直线型 柱体。拉挤制品在工业发达国家已广泛应用于电气、 建筑、交通及航天航空等领域。表7为一些工业发达 国家使用拉挤制品的例子。 随着拉挤成型工艺的不断发展，人们已能制作 1.6 m宽的拉挤型材。近期又相继发展了拉挤缠绕 国家 用 途 美国 梯子扶手，抽油杆，工业和农业框架体系，栏杆 和支撑体系，电绝缘制品，变压器衬套支柱，电 缆盘，标准框架，消费品和娱乐品（帐蓬杆、撑 杆、风筝、射箭设备和滑雪杆、钓鱼竿），工具 柄，住宅区旗杆，住宅区栅栏支杆 英国 近海工业中防爆墙的宽翼工字梁，移动桥式过 滤机格栅，通讯塔T型梁，单排联装冷却塔部 件，交通信号牌 意大利 车用双向无线电天线.光缆抗张元件，各类大 d、杆件，航海设备，化学设备.航空、建筑和农 用型材、预制件，电气和电力牵引产品 欧洲 其它国家 通道和人行通道的孔格栅地板、梯子、护栏，冷 藏设备的铝型材代用品，厢式货车拉门用的型 材，冷藏库门框型材，公共汽车用供热风道     表7拉挤制品在工业发达国家的用途 3 组合工艺(用于制造管形结构产品）和曲面拉挤工艺 (PuUonniiig，用于制造汽车板簧、工具手柄等）。新 近开发的具有大功率、大截面拉挤能力的Pulmaster 18-36-0型拉挤机，最大牵引力为10 t,产品截面 积可达450 mmX 900 mm以上。 我国哈尔滨玻璃钢研究所80年代中期就引进 了拉挤设备，并对拉挤设备、拉挤模具、拉挤材料、拉 挤工艺全方位地开展了较深入的研究，取得了一定 的成果，其拉挤成型技术在国内居领先地位。现在国 内已先后引进了二十多条拉挤生产线。对于拉挤成 型，有关专家指出，目前国内尚存在原材料不配套， 大部分靠进口，模具制造技术水平较低，对拉挤工艺 科学研究不够深入等问题，今后应紧紧抓住拉挤市 场开发的机遇，发挥这些先进拉挤设备的作用，促进 拉挤成型工艺在我国的发展。