第八节 解决玻璃钢成型难题的条件
一、概论
玻璃钢复合材料挤出制品的质量及产量不仅取决于挤出设备的制造技术，更主要的是受到被加工材料的性能，挤出操作条件，挤出过程故障和制品缺陷的在线监测水平，挤出控制系统方式和控制精度，设备的保养水平等因素的影响。在挤出过程中出现的许多问题并不完全是由于设备的制造质量出现的问题，而主要在于玻璃钢复合材料加工企业的管理人员或现场操作人员对设备性能及操作、保养规范，材料加工性能和工艺条件以及周围环境条件对加工过程的影响等方面缺乏基本的、全面的、正确的认识。
二、有效的前提条件
解决玻璃钢制品质量问题处理过程有效的前提条件：首先在解决一种特殊挤出问题之前，处理事故的技术人员应该着手解决确定的问题，快速和准确地诊断某个发展中的挤出机问题，以减少停工期或废品数量。合适的检测仪表和对挤出过程的深刻的认识是有效检测和解决问题的重要条件。
对于一个有效的问题处理过程其重要的前提条件有以下几点。
1.合适的检测仪表
在很大程度上，挤出过程是一种黑箱过程，看不见挤出机内部正在发生着什么，只能观察到材料进入挤出机和材料从挤出口模中出来，因为这一部分被挤出机螺缸遮掩了。因此，主要依赖于精确的传感器及检测仪表来确定挤出机内部的状况，来监测出重要参数的变化。
2.认识玻璃钢挤出过程与成型过程
对玻璃钢挤出过程的完整认识对于有效解决挤出问题是必要的，例如玻璃钢复合材料的特性，挤出机器的特点，检测仪表和操作，挤出机内部工作原理，螺杆和挤出机头等。正确的操作以便生产出良好的产品。如果一台挤出机被错误地操作，可能会生产出不合格的产品或造成设备的损坏及人员的伤害。
玻璃钢成型过程一般采用冷固化，固化温度不低于10～15℃；有时为了加速不饱和聚酯树脂的固化，可适当加热固化（20～25℃/6～8h，60～80℃/4～6h）。
应注意原材料的易燃性，绝不能把催化剂和加速剂直接混合，否则会发生猛烈的爆炸性反应。通常配料时应先把不饱和聚酯和引发剂（催化剂）混合搅拌均匀，然后再用移液管加入加速剂搅拌均匀。配剂须随配随用，由于胶凝较快，操作必须迅速，一般须在30min以内用完。
不饱和聚酯树脂的贮存期在20℃时为6个月，操作温度不低于10℃。树脂黏度太大时，可加适量（小于10%）苯乙烯稀释。
3.收集和分析历史记录数据
为了明白一个过程不能正确进行的原因，必须将当前的工作条件与以前正常工作时的条件进行比较，这种方法被认为是一种时间信息方法。所收集的这些数据不仅包含了挤出机的工作信息，如温度，压力，电机载荷，线速度，螺缸尺寸，螺杆尺寸等，还包含了有关材料的信息以及可能影响这一过程的其他参数。
时间信息的构成是基于过程正常运行一定时间的基础上。因此必须存在有一个或几个造成挤出过程混乱的可以确认的变化。这里的任务就是要鉴别这些变化，改正这些变化，并使挤出过程回到正常状态。时间信息产生过程开始于过程稳定期的某一时刻，结束于挤出过程出现问题的某一时间，甚至与挤出过程间接关联的也被列于这种时间信息中。一旦时间信息完成，它将成为鉴别问题产生原因的有效工具。
另外应该指出的是，并不是所有的因素都能导致一个当前的问题。在某些情况下，在一种变化的一些影响因素变为明显之前，可能存在着一个相当长的酝酿期。当然，这样使检测和处理问题的过程变得复杂了，牢记不要轻率地下结论这一点是很重要的。
4.有关设备情况的完整信息
当一台玻璃钢复合材料的挤出机开始出现问题时，能掌握有关这台设备的完整情况是很重要的。挤出机应该很好地维护保养，完整的保养记录应该可用于对这台设备各种零件情况的评估。应该遵守挤出机供货商所制定的保养建议，以确保良好的操作状态。
5.有关原料的完整信息
一台挤出机的性能同时受到玻璃钢复合材料的原料特性和机器的特性所决定。影响挤出过程的原料性能包含宏观流动性能，熔体流动性能和热性能。
宏观流动性能：积密度，可压缩性，粒子尺寸，外摩擦系数，内摩擦系数以及凝聚倾向等。
熔体流动性能：剪切黏度，拉伸黏度。
热性能：比热容，玻璃化转变温度，晶体熔点，熔融潜热，热导率，密度，降解温度。
当玻璃钢复合材料的变化影响到确定材料挤出行为的一个或几个聚合物特性时，这种变化将在挤出中产生问题。为了一个材料相关的挤出问题，一种实际的试验方法是挤出一些原先批号的材料，以观察问题是否消失。如果确实属于这种情况，强烈地表明这个问题与材料有关。如果相关材料的变化是长期的，则应该调整工艺条件，以适应材料的变化。
三、玻璃钢的分层工艺与张力问题
1.玻璃钢分层工艺
分层是一种高级工艺说。分层固化的工艺方法是这样进行的。在内衬上先成型一定厚度的玻璃钢壳体，使其固化，冷至室温经表面打磨再缠绕第二次。这样依此类推，直至缠到满足强度设计要求的层数为止。
厚壁容器的强度低于薄壁容器，这一事实已从理论上得到了证实。随着容器容积的增加，压力的提高，壁厚也随之增加。造成玻璃钢厚壁容器与薄壁容器的强度差异。除力学分析的原因外，从玻璃钢容器制造角度看还有以下几点：
随着容器壁厚增加、缠绕层数增多，要求纤维的缠绕张力愈来愈小，使整个容器中纤维的初张力偏低，这将影响容器的变形能力和强度。
由于容器是分几次固化的，所以纤维在容器中的位置能及时得到固定，不致使纤维发生皱褶和松散，使树脂不致在层间流失，从而提高了容器内外质量的均匀性。在内压作用下，它们有统一的变形，承受相同的应力，而又无层与层之间的约束，彼此能自由滑移。这样就充分发挥了薄壁容器在强度方面的优越性。为有效地发挥厚壁容器中的纤维强度，分层固化是一个有效的技术途径。分层固化的容器，好像把一个厚壁容器变成几个紧紧套在一起的薄壁容器组合体。
铝板点焊机，随着容器厚度增加，内外质量不均匀性增大。
2.玻璃钢的张力设计
这是因为后缠上的一层纤维由于张力作用会使先缠上的纤维层连同内衬一起发生压缩变形，使内层纤维变松。严重者可使内层纤维产生皱褶、内衬鼓泡、变形等屈服状态。这样将大大降低容器强度和疲劳性能。采用逐层递减的张力制度后，虽然后缠上的纤维对先缠上的纤维仍有削减作用，但因本身的张力较小，就和先一层被削减后的张力相同，这样就可保证所有缠绕层自内至外都具有相同的变形和初张力。
容器充压时，纤维能同时受力，使得容器强度得到提高。使纤维强度能更好地发挥，纤维缠绕制品获得高强度的重要前提是使每束纤维受到均匀的张力，即容器受内压时，所有纤维同时受力。假若纤维有松有紧，则充压时不能使所有纤维同时受力，这将影响纤维强度的发挥。
张力大小也直接影响制品的胶含量、密度和孔隙率。张力制度不合理还会使纤维发生皱褶、使内衬产生屈服等，将严重影响容器的强度和疲劳性能。假若采用不变的张力制度，将会使容器上的纤维呈现内松外紧状态，使内外纤维的初应力有很大差异，容器充压时纤维不能同时均匀受力。缠绕张力应该逐层递减，会产生很好的效果。
四、玻璃钢的环境与自然腐蚀破坏
玻璃钢是复合防腐材料中最具代表性的一种。玻璃钢是由树脂基体和有机纤维结合构成的复合材料。玻璃钢形成过程中，有机纤维起到了支撑骨架的作用，树脂在不饱和官能团作用下发生固化，并起到外层保护的作用。
（1）玻璃钢的受腐蚀过程 玻璃钢在被放置入腐蚀性环境后，腐蚀性介质会通过玻璃钢表面的间隙和气孔等缺陷，浸入树脂基体的内部引起玻璃钢的溶胀，随后腐蚀性介质将逐渐渗透到树脂基体与有机纤维的结合面，引起树脂基体与有机纤维之间的脱离，这就是玻璃钢被腐蚀的过程。
玻璃钢的腐蚀过程实际上就是其被介质渗入、浸蚀和剥离的过程。由此可以明白，玻璃钢的耐腐蚀性是与树脂的耐腐蚀耐渗透性、树脂与有机纤维间的结合性能及有机纤维本身的耐腐蚀性这三个因素相关的。
（2）玻璃钢的被腐蚀因素 玻璃钢所采用的树脂基体在固化后仍存在有酯键，这些酯键的性能和数量会决定了树脂基体的耐腐蚀性，若酯键数量多则在腐蚀性环境中易受到水解破坏，则树脂基体的耐腐性低，反之耐腐蚀性高，因此树脂基体酯键数量和水解难易程度是决定玻璃钢耐腐蚀性的重要因素。玻璃钢的树脂基体与有机纤维的界面结合性能也会影响玻璃钢的耐腐蚀性能。玻璃钢的界面浸润性越好意味着树脂基体与有机纤维的结合越稳固，在腐蚀过程中越不容易发生脱离，则玻璃钢制品的耐腐蚀能力也就越高。
（3）环境与自然腐蚀破坏 当玻璃钢在溶液中受应力作用时，发生下列作用：
①当溶液渗透到玻璃钢的界面中黏结不良的地方或裂纹处时，将引起界面黏结力的削弱或破坏；在应力的作用下，界面可能会出现脱黏、剥落等破坏现象，这些破坏行为为溶液进一步腐蚀开通了捷径。
②溶液引起树脂基体的溶胀，溶胀的不均匀使树脂基体产生了内应力，而且溶液还会引起某些树脂基体降解，导致树脂基体的强度降低；在低于正常破坏条件的应力作用下，将引起树脂基体破坏，树脂基体的破坏使玻璃钢中没有腐蚀的部分逐渐暴露于酸液里，加快了玻璃钢的腐蚀。
③溶液的侵入导致玻璃钢中微裂纹的生成和扩展，还会引起大尺寸裂纹的扩展和传播，同时应力的作用使裂纹的生成、扩展和传播加剧。
④溶液与玻璃纤维进行离子交换，离子交换使玻璃钢表面收缩而产生内应力，降低玻璃纤维的强度，在低于正常强度的应力作用下，玻璃纤维就会断裂。
上述作用也与化学介质的性质有关：非溶剂型介质（醇类和非离子型表面活性剂等表面活性介质）对高聚物的溶胀作用不严重。介质只能渗入材料表面层中的有限部分，产生局部增塑作用；溶剂型介质对材料有较强的溶胀作用。这类介质进入大分子之间起到增塑作用，使链段易于相对滑移，从而使材料强度严重降低，在较低的作用力下即可发生应力开裂；强氧化性介质（如浓硫酸、硝酸等）与高聚物发生化学反应，使大分子链发生氧化分解，在应力作用下，就会在少数薄弱环节处产生银纹，银纹中的空隙又进一步加快介质的渗入，继续发生氧化裂解，最后在银纹尖端应力集中的地方大分子链断链，造成裂缝，发生开裂。这种开裂产生银纹很少，但在较弱的应力作用下可使极少的银纹迅速开展，导致脆性断裂。这类开裂称为氧化应力开裂。在应力条件下的腐蚀破坏是溶液和应力耦合双重作用的结果。溶液降低玻璃钢的力学性能，使其容易被应力破坏；应力对玻璃钢的破坏使溶液更加顺利地进入未腐蚀的部分进行腐蚀。就这样溶液和应力既是循环又是同时相互推进，加快了玻璃钢的破坏。
五、玻璃钢的自然老化种类及原因
在一些因素的协同作用下，如光、热和氧存在的环境下，水解反应、水的塑化和玻纤/树脂界面脱黏得到进一步加速并且各反应变得更复杂。
玻璃钢的自然环境老化是利用自然大气环境条件或自然介质进行的老化。主要包括大气老化、埋地老化、仓库存储老化，海水浸渍老化、水下埋藏老化等。自然环境老化结果更符合实际，所需费用较低而且操作方便，是国内外广泛采用的方法。
对于高分子材料来说应用最多的还是自然气候曝晒老化。自然气候曝晒实验就是将试样放置于自然大气环境下曝晒。而自然环境老化又根据老化形式和时间的要求又分为直接曝露、间接曝露和自然加速老化。
（1）直接曝露 这是最普通的一种自然气候老化方式，即将老化试样直接放置在自然环境中，尽可能地使实验条件与最终使用环境一致。目前我国关于直接自然气候曝晒的实验方法主要有光解性塑料户外曝露实验方法、涂层自然气候曝露试验方法和塑料自然气候曝露试验方法。
（2）间接曝露 根据样品的实际使用环境，利用相关的工具，模拟出实际使用环境老化的一种老化方式，主要适用于不暴露在室外的产品和材料，其中主要包括玻璃钢下的曝露老化和黑箱曝露老化。目前我国关于间接曝露的试验方法主要有硫化橡胶在玻璃下耐阳光曝露试验方法和塑料在玻璃钢板过滤后的日光下间接曝露试验方法。
（3）自然气候加速老化 是通过强化某些环境因素的方法来加速老化的试验。主要解决直接曝晒试验的周期长的问题，主要包括跟踪太阳反射聚能加速老化（EMMA）及在其基础上发展出来的老化方式，如玻璃钢框下跟踪太阳反射聚能加速老化（EMMAQUA）。但在制定自然环境加速老化和选择试验方法时，首先要考虑其模拟性的问题，即老化机理一致，在此基础上，再尽可能提高加速倍率。
六、玻璃钢材料老化的原因及增强材料
要求选择的材料能赋予玻璃钢良好的力学性能，要有较好的耐水性和耐腐蚀性，同时还应满足船舶工艺的要求。用于制造玻璃钢船舶的材料主要有增强材料、基体材料、芯材以及辅助材料等。
玻璃钢材料在军工、航天、造船等行业应用广泛，为了了解各种树脂材料的耐老化性能，国内外进行了大量的玻璃钢长期曝露或加速老化试验，对玻璃钢材料的老化规律已经有了一定的认识。
玻璃钢在大气中老化的原因是：树脂硬化后继续收缩，使其与纤维分离，造成强度降低，当温度变化时，纤维和树脂的膨胀和收缩引起层间分离造成强度降低，紫外线使树脂变化，风、雨和砂等的机械损伤造成强度损失。玻璃钢在水中性能的下降是由于水的吸附作用和大分子的水解。玻璃钢在酸碱化学介质中的腐蚀是由于化学介质的扩散和向树脂基体的渗透，以及由此所引起的基体化学降解和物理腐蚀。玻璃钢烟囱多作为套筒烟囱的内筒，除筒首外受日光和大气的影响较小。另外，玻璃钢烟囱主要用于脱硫后的湿烟囱，处于潮湿和酸性环境。
针对玻璃钢烟囱的使用环境，玻璃钢烟囱树脂优先选用环氧树脂或改性的环氧树脂，增强材料选用耐酸耐水性能优异的E-CR型玻璃。在玻璃钢烟囱设计时，可通过合理的铺层构造和在结构设计时考虑玻璃钢性能随时间衰减的折减系数来确保玻璃钢烟囱的耐久性。玻璃钢长期性能的折减可参考BS4994等标准和厂家的试验资料。
玻璃钢复合材料具有天然的低温防腐优势，十分适合用于燃煤电厂脱硫后的湿烟囱。在美国玻璃钢排烟筒占有10%～15%的市场率，已有30多年的应用经验，国内对玻璃钢结构的设计、加工和制作方面也积累了丰富的经验，完全能满足玻璃钢烟囱的设计和施工需要。
相信随着大家对玻璃钢材料认识的深入和不断的探索实践，玻璃钢烟囱必将物尽其用，为燃煤电厂湿烟囱设计思路的拓展、为我国电力行业清洁能源的发展发挥应有的作用。
七、玻璃钢力学性能不稳定性的具体表现
手糊玻璃钢制品常常会出现各种各样的问题，在长期的工作实践中，上海馨艺艺术景观总结了以下10个常见的问题和解决方法奉献给同行参考。
手糊玻璃钢制品最常见的问题有起皱、针眼、胶衣树脂剥落、发黏、纤维显露、起泡、开裂或龟裂、白化、制品变形、硬度差和刚性低。下面对每个问题进行一一总结。
1.起皱
胶衣制品经常发生的现象。是由于在施加辅层用树脂之前，胶衣树脂固化不完全，使辅层树脂中的单体部分溶解了胶衣树脂，引起膨胀，产生皱纹。
解决方法：①控制胶衣层厚度，使其在0.3～0.5mm，400～500g/m2。②胶衣树脂完全固化后再加辅层树脂。③树脂的成分、催化剂的加入量、颜料糊对固化的影响都要严格控制。④环境温度要控制在20℃左右。
2.针眼
凝胶前小气泡进入树脂中会引起针眼，模具表面有灰尘也会引起针眼。
解决方法：①模具表面无灰尘。②保证树脂的黏度。③选用正确的脱模剂，脱模剂选用不当，可造成胶衣层不能很好的浸湿，从而引起针眼。④加催化剂和颜料糊时应防止空气混入树脂。⑤喷枪功率太大也会产生针眼。⑥催化剂过量使其过早凝胶会产生气泡从而产生针眼。
3.胶衣树脂剥落
由于胶衣树脂与层叠制品之间黏结不好引起的，在制品脱模过程中敲打也会出现。
解决方法：①模具表面多抛光几次，使胶衣树脂不会黏附在模具上。②避免使用软的、能渗透胶衣树脂的石蜡。③在铺敷之前保持胶衣表面清洁，否则会使辅层用树脂与胶衣树脂黏结不好。④在开始辅层时控制好胶衣树脂的固化时间。不能固化很长时间后才开始辅层。⑤控制好凝胶时间。太短了，不能充分压实。
4.发黏
暴露于空气中的制品表面，由于固化不完全而发黏。
解决方法：①避免在寒冷、潮湿条件下铺敷。②用空气干燥的树脂作最后涂层。③尽可能增大催化剂促进剂用量。④提高固化温度。⑤在外涂层加石蜡油或石蜡。
5.纤维显露
脱模后玻璃毡通过胶衣层显露出来。
解决方法：①胶衣层太薄，增加胶衣层厚度或者在胶衣层和层压材料之间放一层细毡。②在胶衣层充分固化前开始铺敷。③脱模不能太快。④层压制品内放热温度太高。可以减少催化剂-促进剂的用量，也可以改换催化剂。
6.起泡
会在表面出现。可能是在脱模后的很短时间或者在后固化期间，也可能在脱模后的几个月内出现。是由于空气或溶剂夹在胶衣树脂和层压材料之间，也可能是选错了在特殊条件下应用的树脂或增强材料造成的。
解决方法：①使用时玻璃纤维浸渍不充分，要充分压实。②材料、胶衣层被水或清洗剂污染，应保证刷子或压辊干燥。③使用不当的催化剂高温固化，改换催化剂。
7.开裂或龟裂
这种情况一般是很快就发生或固化几个月后出现。在树脂表面出现细裂纹，光泽变暗。
解决方法：①胶衣层太厚，应保持在0.4mm左右。②树脂选择不当。③催化剂用量不当。④过量的苯乙烯加到胶衣层上。⑤树脂固化不完全。⑥树脂中加入的填料过量。
8.白化
表面出现起霜现象。
解决方法：①胶衣树脂固化不完全，是否因为厚度不合适，促进剂、催化剂用量不正确。②使用颜料或填料不当。③填料、颜料过量。
9.制品变形
制品脱模后变形。
解决方法：①制品脱模时固化不完全。②增强肋强度不够。③在脱模之前，把富树脂层涂在制品的背面，保持胶衣层的平衡。④改进制品设计，抵消弯曲应力。
10.硬度差和刚性低
由于制品固化不完全引起。
解决方法：①检查促进剂和催化剂的用量。②避免在寒冷和潮湿情况下铺敷。③确保玻璃毡在干燥条件下保存。
上述10种情况是手糊玻璃钢制品中最普遍、最常见的问题。
八、手糊玻璃钢生产工艺的质量控制
玻璃钢产品采用手糊成型法，首先在模具上刷一层胶液，然后铺一层玻纤布进行排气，再刷第二层胶液，铺第二层布，用刮板轻轻将布刮平，排除气泡，防止玻纤布皱折，以后依此类推，进行操作，直到所需厚度为止。玻纤布的铺设方向采用纵横交叉法，玻纤布的搭接缝为5cm，每层布的搭接缝应相应错开，错开距离应不大于15cm，在整个成型过程中，玻璃钢产品的树脂含胶量应控制在52%以内，使产品厚度均匀，树脂无淤积和漏胶等现象。
玻璃钢产品成型完毕后，应在室温下（20℃左右）放置一天（24h），再采用红外线进行升温加热，加热应均匀，不允许局部过热，也可在室温下放置20天以上，待其自然固化。
脱模应采用铁锤、木锤或橡胶锤等工具进行轻轻敲打，以免损伤产品，影响产品的层间黏接力或与骨架的粘接强度，然后清理干净转入下道工序。
按技术文件规定的要求，有的玻璃钢产品须进行钻孔、预埋金属或用螺钉连接时，则应采用环氧树脂胶粘牢，密封填平，以保证产品质量。
玻璃钢产品内、外表面须用砂纸打磨，铲除毛刺，涂刷内、外表面胶液层，再用水砂磨光，使其光顺、平滑。
九、玻璃钢木制品制作中主要的一些问题
使用玻璃钢制品之前，需要使用滚筒移除气泡。如果不将气泡移除掉，模具强度将会降低，可导致模具生产的产品易于弯曲，至少会减少产品的尺寸。玻璃纤维层涂于模具的表面，旨在提高产品强度。玻璃纤维和树脂凝固后，可将模具移开。使用楔型物将模具从母模中移开。而这里所说的母模，就是产品实样，即客户所希望生产产品的精确复制品。在模具上制作的胶衣层可应用于母模上玻璃钢制品，涂抹一层润滑剂非常重要，制造完毕，这层润滑剂可有助于模具顺利从母模中脱落下来。一般情况下，这些润滑剂是一些蜡状物质，有时也使用其他一些材料用作润滑剂玻璃钢制品。模具脱落后，蜡状物润滑剂对模具造成的损害最小。
玻璃钢制品家具较传统的木质家具具有机械性能优异、光泽和手感好、耐火性好、刚度大、寿命长、耐腐蚀、耐湿热、不怕烫、防霉菌、耐水、防火等优点，特别是不含有人造板家具中对人体有害的甲醛等挥发物质，产品质量符合国家标准，其防火性能满足国家消防装备质量检测中心的测试标准要求。
玻璃钢制品家具制造技术将欧式家具的豪华、高雅、富丽以及我国古典的装饰艺术与玻璃钢制品成型技术有机地融为一体，玻璃钢制品不仅可用以生产各式家具，而且还能用以生产各种规格型号的工艺雕花、装饰花线、高级艺术木线和罗马柱、大厅吊顶以及仿实木雕花门、防火门等。