第三节 常用玻璃钢的成型加工特点
一、玻璃钢加工的性能
（1）轻质高强 相对密度在1.5～2.0之间，只有碳钢的1/5～1/4，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400MPa以上。
（2）耐腐蚀性能好 FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。
（3）电性能好 是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。
（4）热性能良好 FRP热导率低，室温下为1.25～1.67kJ/（m·h·K），只有金属的1/1000～1/100，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。
（5）可设计性好
①可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。
②可以充分选择材料来满足产品的性能，如可以设计出耐腐的、耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的产品，等等。
（6）工艺性优良
①可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。
②工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。
一般不能要求一种FRP来满足所有要求，FRP不是万能的，FRP也有以下一些不足之处。
（1）弹性模量低 FRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E=2.1×106）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。
可以做成薄壳结构、夹层结构，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。
（2）长期耐温性差 一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50℃以上强度就明显下降，一般只在100℃以下使用；通用型环氧FRP在60℃以上，强度有明显下降。但可以选择耐高温树脂，使长期工作温度在200～300℃是可能的。
（3）老化现象 老化现象是塑料的共同缺陷，FRP也不例外，在紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用下容易导致性能下降。
（4）层间剪切强度低 层间剪切强度是靠树脂来承担的，所以很低。可以通过选择工艺、使用偶联剂等方法来提高层间黏结力，最主要的是在产品设计时，尽量避免使层间受剪。
二、各种树脂基材的性能
1.手糊成型工艺用不饱和聚酯树脂
玻璃钢手糊成型工艺又称为接触成型或低压成型，是将加有固化剂（常温下固化还要添加促进剂）的树脂和玻璃纤维毡或玻璃布在模具上手工铺放层合，使两者黏结在一起形成制品的方法。
手糊成型工艺用不饱和聚酯树脂的物化性能：在守护成型时，树脂要容易浸透纤维增强材料，容易排出气泡，与纤维黏结力强；在常温下，全年树脂的凝胶、固化特性不要变化太大，而且要求收缩率小，挥发物少；黏度一般为0.2～0.75Pa·s，对于施工有斜面的制品，树脂要有促变度，不能产生流胶现象。
手糊成型工艺用不饱和聚酯树脂的特性及选用：不饱和聚酯树脂是守护成型中用量最大的树脂，占各种树脂用量的80%以上，树脂品种多，应根据玻璃钢制品所要求的性能合理选用树脂，如造船用的树脂应该具有很好的耐水性能，浇注体吸水率小，抗冲击性能好，在船发生冲撞事故时不易产生微裂纹而发生渗水现象。
手糊成型树脂的交联剂一般都采用苯乙烯，但由于苯乙烯在常温下的蒸气压比较高，易于挥发，在玻璃钢的成型过程中，散发到空气中的量较大，造成环境污染和影响人身的健康。不少国家陆续规定了在车间空气中苯乙烯含量的极限值。
2.手糊成型工艺用环氧树脂
透明玻璃钢树脂牌号很多，普通的196#、191#都可以，当然环氧树脂也是透明的，不过造价就高多了。
一般低黏度手糊树脂应用于叶片、模型、玻璃钢、碳纤维制造等方面。
其中PRO-SET系列环氧树脂为复合材料积层专用树脂，能对纤维束之间起到良好的黏合作用，特别适用于制作碳纤维、芳纶纤维等高性能纤维增强材料的复合材料。
已经被广泛应用于大型帆船、高速艇、太空船、小型的结构件制造，并且可以满足各层次的设计需求。与手糊成型工艺用环氧树脂配套如有125低黏度手糊树脂、224快速固化剂、226中速固化剂、229慢速固化剂。如模型专用手糊环氧树脂SST-2331系低黏度双组分环氧树脂，A组为无色透明液体，B组为淡黄色透明液体，特别适用于玻纤、碳纤的无溶剂刷涂，在浸润性、硬度、强度等方面特别优于市场上通用的E51树脂+593固化剂体系。质量比A∶B=4∶1混合，70～90℃ 10～30min即可固化，国内手糊成型工艺用环氧树脂有一项发明专利涉及风力发电机叶片，是一种风电叶片用的环氧树脂组合物，其的树脂组分包括双酚A型环氧树脂128 70%～90%，双酚F型环氧树脂170 5%～15%，环氧稀释剂BDGE 5%～15%；固化剂组分包括聚醚胺固化剂D230 30%～50%，聚酰胺1250 20%～40%，酚醛胺固化剂T31 20%～30%，叔胺促进剂K54 2%～10%。树脂组分和固化剂组分按照100∶30的比例混合后即为所述组合物。这种手糊树脂固化速率快，有助于提高叶片的生产效率。
HJ-815环氧树脂体系技术数据单如下：HJ-815环氧树脂体系具有良好的浸润性、中等固化活性和适中的黏度，成型后制品具有优良的机械性能、较高的韧性和良好的耐腐蚀性，综合性能达到和超过了进口的同类环氧树脂，适用于手糊成型、真空灌注、树脂传递模塑等工艺。目前广泛用于制造高档汽车零部件、兆瓦级风电叶片（38～62m）、航空航天零部件和民用船舶、复合材料模具等。
（1）树脂体系
HJ815树脂
树脂黏度（25℃）：1300MPa·s
密度：1.13～1.16g/cm3
闪点：230℃
GC815固化剂
黏度（25℃）：19MPa·s
密度：0.9～1.0g/cm3
闪点：>200℃
（2）混合特性
重量配比：HJ-815环氧树脂：GC-815固化剂=100∶30
凝胶时间（25℃）：90min
玻璃化转变温度：80℃
（3）力学性能
常温固化，后处理50℃，3h
①浇注体性能：
拉伸性能（ISO 527—2）
拉伸强度：≥63MPa
拉伸模量：≥2.9GPa
拉伸断裂应变：≥4.0%
弯曲性能（ISO 178）
弯曲模量：≥2.9GPa
弯曲强度：≥105MPa
②复合材料性能 （玻璃纤维单轴UD1200）
拉伸性能（ISO 527—5）
拉伸强度：≥930MPa
拉伸模量：≥44GPa
压缩性能（ISO 14126）
压缩强度：≥630MPa
压缩模量：≥42GPa
3.手糊成型工艺用酚醛树脂
酚醛树脂是最早工业化的合成树脂，已经有100年的历史。由于原料易得，合成方便以及树脂固化后性能能满足很多使用要求，因此它在模塑料、绝缘材料、涂料、木材粘接等方面得到广泛应用。
近年来，随着人们对安全等要求的提高，具有阻燃、低烟、低毒等特性的酚醛树脂重新引起人们重视，尤其在飞机场、火车站、学校、医院等公共建筑设施及飞机的内部装饰材料等方面的应用越来越多，与不饱和聚酯树脂相比，酚醛树脂的反应活性低，固化反应放出缩合水，使得固化必须在高温高压条件下进行，长期以来一般只能先浸渍增强材料制作预浸料（布），然后用于模压工艺或缠绕工艺，严重限制了其在复合材料领域的应用。为了克服酚醛树脂固有的缺陷，进一步提高酚醛树脂的性能，满足高新技术发展的需要，人们对酚醛树脂进行了大量的研究，改进酚醛树脂的韧性、提高力学性能和耐热性能、改善工艺性能成为研究的重点。
近年来国内相继开发出一系列新型酚醛树脂，如硼改性酚醛树脂、烯炔基改性酚醛树脂、氰酸酯化酚醛树脂和开环聚合型酚醛树脂等。可以用于拉挤、喷射、手糊等复合材料成型工艺。
目前国内可用于手糊成型的酚醛树脂牌号有哪些？一般手糊成型的此类树脂在常温条件下贮存期不超过2年，此类树脂生产厂家很多，而且各家都有自己的编号品牌，可选择使用，选择的前提是要能够手糊并冷却固化成型。
三、玻璃钢复合材料桥架成型加工工艺特点
与其他材料加工工艺相比，复合材料成型工艺具有如下特点：
（1）材料制造与制品成型同时完成 一般情况下，玻璃钢桥架的生产过程，也就是制品的成型过程。材料的性能必须根据制品的使用要求进行设计，因此在制造材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足制品的物化性能、结构形状和外观质量要求等。
（2）制品成型比较简便 一般热固性玻璃钢桥架的树脂基体，成型前是流动液体，增强材料是柔软纤维或织物，因此，用这些材料生产玻璃钢桥架，所需工序及设备要比其他材料简单得多，对于某些制品仅需一套模具便能生产。
四、常用的玻璃钢品种比较
目前市场上较常见的几种玻璃钢制品种类，大致分为三种：环氧玻璃钢、聚酯玻璃钢和无机玻璃钢，其中环氧玻璃钢和聚酯玻璃钢又统称为有机玻璃钢，即FRP（fiber reinforced plastics）玻璃纤维增强塑料。
环氧玻璃钢和聚酯玻璃钢是以环氧树脂或不饱和聚酯树脂等有机树脂为基体，以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢之称。
这两种玻璃钢同样具有轻质高强、耐腐蚀性能良好、介电性能优异、独特的绝热性能、加工工艺性能优异、材料的可设计性好等优点；特别是聚酯玻璃钢，因为价格比环氧玻璃钢更低廉，同时性能又优越，被广泛地应用于生产生活中的各个领域。两者的不同在于环氧玻璃钢的刚性更好一些，硬度和强度都要比聚酯玻璃钢大，当然环氧树脂的价格是不饱和聚酯树脂的一倍。而聚酯玻璃钢耐候性更好，更耐老化，且固化时不会挥发酸雾，污染小，更加环保。
无机玻璃钢又名FRIM（fiber reinforced ionorganic material）玻璃纤维增强氯氧镁水泥无机复合材料。严格来说，无机玻璃钢不是玻璃钢，无机玻璃钢只是相对于人们所熟知的有机玻璃钢（FRP）而言的一种叫法。主要区别在于：它不是由有机树脂而是用无机材料作为增强材料的一种复合材料。它的主要材料是：无机原料菱苦土（主要成分为氧化镁）和卤水（氯化镁水溶液），以及中碱玻纤布。
无机玻璃钢的最大优点就是不燃、耐热、成本低、耐老化，可广泛应用于防火板、通风管道等的制作；但是无机玻璃钢的耐水性差，一直以来都是无机玻璃钢的生产者迫切需要解决的问题。常见玻璃钢品种优缺点比较（见表1-1）。
表1-1 常见玻璃钢品种优缺点比较
五、影响玻璃钢产品好坏的四种因素
玻璃钢产品广泛应用于各个行业中，所以玻璃钢产品生产企业在行业中的数量也在不断增长，但是玻璃钢制作方法对操作者技能的依赖性较大，因而生产的玻璃钢质量的不稳定性也是最大的，正是由于这种原因，在所有的玻璃钢成型工艺中，玻璃钢的发展速度是最慢的，解决玻璃钢质量的稳定性的问题，也就成了解决玻璃钢发展问题的一个当务之急。影响玻璃钢产品好坏的主要四种因素如下。
1.施工人员因素
制作玻璃钢，施工人员自始至终都在参与玻璃钢生产过程，是玻璃钢生产的直接执行者，施工人员的责任心、技术水平、工作情绪及素质的高低、好坏都将直接影响到玻璃钢的质量好坏，因此，在影响玻璃钢质量的因素中，施工人员对玻璃钢质量的影响是最主要的，同时因为施工人员的各个相异性，所以这个因素的问题最为复杂也最为困难，因而解决这个问题，我们需要花费更多的精力从多方面来做工作。
首先，经常和施工人员进行思想交流，多做宣传，多摆事实，让员工了解现在社会中行业面临的市场竞争的激烈性，明白产品质量对企业的重要性，明白企业立足的根本就是要有过硬的产品质量，没有了质量，企业就会失去市场，企业也将无法生存，员工本人也将失去工作，失去生活的来源，明白产品质量的好坏实际关系到施工人员的自身利益。其次，就是要加强企业的内部管理，相应制定一些企业质量管理的规章制度，形成一套完整的质量管理模式，明确个人在施工过程中的职责和责任，明确奖优罚劣、优胜劣汰的准则，个人酬劳与个人所做的贡献的大小直接挂钩，激励员工形成积极向上的态势，在内部形成一种良好的竞争意识，也使企业的产品质量可以有基本的保障，保证企业具有较强的竞争实力。
施工前，给施工人员进行技术交底时，要做到尽可能地详尽细致，让施工人员清楚工艺要求，明白在施工过程中应该达到的具体要求，而在进行工作安排时，还要根据施工人员的水平高低和不同的特长，对施工人员进行合理的安排搭配。尽可能地做到人尽其能，充分发挥他们的才能，同时对施工人员进行定期培训，组织员工学习现在的先进技术，开展技术比武活动，让员工在比较中看到自己存在的差距，从而帮助施工人员提高业务能力和操作技能。最后，还要多关心员工的思想动态，关心员工的生活，体贴员工，做好生产后勤工作，尽可能地为员工创造出一个平和良好的工作环境，让员工更安心地工作，可以把更多的精力投入到生产中。
2.施工工艺的影响
施工工艺包括玻璃钢生产用的模具设计和施工方法的制定。生产玻璃钢制品用的模具的质量好坏以及模具的选用关系到玻璃钢制品质量的好坏。玻璃钢是在预先设计好的模具上成型制成的，因此，设计制作完成的模具好坏直接关系到制品的外表的美观、物理尺寸的精确、施工过程质量控制的难易、施工的方便与否和玻璃钢成型后脱模的难易，这些都会对玻璃钢制品的最终质量产生影响。玻璃钢生产使用的模具基本都应该满足以下一些要求：模具工作面光滑平整以使得制品获得光洁表面；有足够的刚度以保证模具成型面基准不变；较小的热容量以便有效地利用热能；质量轻且利于运输，成本低而易于制造；维护简便且使用寿命较长；尽量使用与工件热膨胀系数相近的材料以减少变形；足够的热稳定性以抵抗热冲击。因此，我们在选择玻璃钢生产使用的模具时，要根据所须生产的玻璃钢制品的具体需要，来确定选用何种材质，以及确定模具的制作方法，这样制作的模具才可以更好地适应手糊法生产玻璃钢的要求，从而更好地保证玻璃钢制品的质量。
玻璃钢生产的施工方法也可以分为连续法和多次法。连续施工法就是采用连续施工作业，一次就完成玻璃钢制品的制作。这种施工方法的施工周期短，一次就可以按要求完成制品，施工的工作效率比较高，玻璃钢的层间粘接力较好，不易出现由于污染而产生的分层现象，有利于获得要求较高的表面和节约成本，但对于一些厚度较大的玻璃钢制品，由于是一次成型，玻璃钢中的树脂进行聚合固化的放热反应同时发生，就会产生大量的反应热，使得玻璃钢的内部因为树脂发生暴聚产生很大的内力，导致玻璃钢制品出现扭曲变形，玻璃钢内部产生裂纹，从而影响玻璃钢的质量。而采用多次施工成型法，玻璃钢的成型是分几次施工才完成，玻璃钢树脂固化的放热分散，避免了由于玻璃钢暴聚而产生的集中内应力，减少内应力引起的裂纹，同时在进行后续施工时，对前面阶段施工产生的一些缺陷还可以消除一些，进行一定的弥补，不过进行多次成型施工时，每次都要对前一次施工的玻璃钢表面进行处理，清理灰尘杂物和补平，这就会增加额外的工作量，降低生产效率，增加产品的成本，而且还有可能在清理修整过程中，由于没有处理完全，两次施工的玻璃钢层间粘接不好而出现分层现象，降低玻璃钢承力性能，影响玻璃钢的质量。
从上面的情况来看，我们在选择玻璃钢施工工艺时，要进行多方面的考虑，根据玻璃钢具体使用情况来选择合适的工艺方法，这样才可以在保证玻璃钢的质量的情况下，既满足节约生产成本的要求，同时又可以提高工作效益。
3.原材料的影响
合格的原材料是保证制品合格的首要条件，只有保证了生产中的原材料的合格性，玻璃钢制品的质量才有了最基本的保障，所以，对于我们选择的用于生产玻璃钢的材料必须有出厂合格证、产品检验合格报告、生产许可证、生产厂家的厂名和地址、产品技术指标说明书，并且尽可能地选择一些有影响的知名厂家的产品用于生产，这些厂家生产历史时间长，生产规模大，他们的产品比较可靠稳定。同时我们对进厂的材料进行抽检，送检验部门进行检查化验，看产品是否合格，确保是合格的材料才可以用于生产中。
4.施工环境的影响
玻璃钢的生产环境的湿度和温度对玻璃钢的质量也有着一定的影响。当生产环境的湿度大时，由于生产用的玻璃纤维吸湿性强，玻璃纤维表面就会吸附空气中的水分，在玻璃纤维的表面形成一层水膜，影响到树脂和玻璃纤维的结合，就会降低玻璃钢的强度和抗蚀性能。而当生产环境的温度过低时，不能够提供玻璃钢中的树脂反应所需要的足够多的活化能，树脂固化反应需要的时间过长，因为流挂原因而使得玻璃钢中的树脂不均匀，甚至还会出现分层现象。而生产温度太高时，配好的树脂的待用时间过短，用于施工中时，很快就发生凝胶反应，这样也不利于施工操作，没有足够的时间用于完成生产任务，同时还会使玻璃钢出现分层。
因此，生产玻璃钢时，要尽可能地选择合适的环境，一般情况下，玻璃钢生产环境的相对湿度不应超过75%、温度应该控制在15～25℃比较适宜。而在环境条件达不到所需要求，又必须进行施工时，就要采取一些必要的措施，比如加强施工现场的通风、加接红外灯和封闭施工场所等，以便降低湿度和控制温度，给玻璃钢的生产创造更好的施工环境，以便可以保证玻璃钢的质量。