玻璃钢游艇艇体成型真空芯材导流工艺实施与应用研究

玻璃钢游艇艇体成型真空芯材

导流工艺实施与应用研究

孙卫东，朱清

(镇江市金舟船舶设备有限公司，江苏镇江212003)

摘要:真空芯材导流工艺是最近兴起的复合材料加工方法，本文介绍了真空芯材导流技术的原理，并与其它工艺在玻璃钢复合材料的性能上做了对比，阐述了由真空芯材导流技术所制作的玻璃钢游艇的优势，及其实施方法，以及在生产实施过程中应予注意的事项。

关键词:玻璃钢游艇;艇体成型;真空芯材导流;玻璃纤维;树脂

游艇作为满足人们精神需要或享受需要的高级消费品，其需求随着经济的发展和购买力的提高必然呈不断上升的趋势。据国外游艇产业发展中的统计数据显示:当地区人均GDP超过3000美元时，游艇消费开始起步，而2010年中国人均GDP将达到4000美元，因此，游艇产业作为中国后汽车时代的消费热点对引导高端消费、形成新的国民经济增长点具有重要的作用。目前国内外游艇是金属材质的较少，大多采用玻璃钢材质。随着玻璃钢游艇产业的迅速发展，对艇体成型工艺的要求越来越高，特别是成型工艺的环保及成本方面的要求越来越高。传统的艇体成型大部分采用手糊制，而手糊成型生产率低，劳动强度大，劳动卫生条件差，产品质量不易控制，性能稳定性不高，产品力学性能较低。对于成型相对较小的产品，手糊成型成本低，易于实施，但对于结构复杂、力学性能要求高、体形庞大的大型船体，应用传统的手糊成型工艺已很难实施，迫切需要一种新的成型工艺来解决这一难题［1］。

1真空芯材导流工艺的特点和优势

玻璃钢材料成型技术的机械化、程序化，可使玻璃钢复合材料性能进一步优化，使成本降低，使生产过程更加环保［2］。

真空导流工艺是将玻璃纤维增强材料和泡沫夹心材料干法预铺设在密闭的模具内，然后安装供树脂进入和流动扩散的进胶接头和引流管道，通过真空薄膜袋密封和真空泵的抽气实现整个模具面积上铺层内部的高真空环境(一般为99%以上的真空度)。在系统保压良好的情况下将低粘度的树脂，经进胶管道由大气压注入系统内部，树脂按照预先设计的管道扩散，在预订时间内浸泡所有铺层结构，待胶液固化后，揭去真空袋材料，就可从模具上得到所需的制品。整个真空导流过程可重复，可质量控制，产品气泡含量降到最低，产品的纤维含量达到65%以上。而且由于真空薄膜的密闭作用把苯乙烯等有害气体的扩散降低了90%以上，实现了健康、环保的要求。

与传统工艺相比，真空芯材导流工艺将夹芯复合材料的所有优点与闭式压模工艺、复合性能以及卫生保健和安全保障等多方面的优势有机地结合在一起。采用夹芯结构与FRP单板结构、铝材、钢材相比，在保持强度的同时明显减轻了重量、增加了刚度，在基本不增加重量的情况下，通过增加芯材的厚度，获得更高的强度和刚度，在同样原材料的情况下，与手糊构件相比，真空树脂导入工艺成型构件的强度、刚度及其它的物理特性可提高30% 50%以上，见表1。工艺稳定后成品率可接近100%。

因此，采用该种工艺方法可以使得玻璃钢艇体在减少支撑结构的同时，进一步减轻重量，如图1所示，同时，闭孔夹芯材料如图2所示，板表面长和宽的方向上开导流槽(可以在一面或者两面)，在采用树脂注射工艺时，可以作为树脂的流动通道，也

表1

典型聚酯玻璃钢性能比较

增强材料成型工艺

无捻粗纱布手糊

双抽向织物手糊

无捻粗纱布真空树脂扩散

双抽向织物真空树脂扩散

玻纤含量45506065拉伸强度(MPa )273.2389383.5480拉伸模量(GPa )13.518.517.921.9压缩强度(MPa )200.4247215.2258压缩模量(GPa )13.421.315.623.6弯曲强度(MPa )230.3321325.7385弯曲模量(GPa )13.41716.118.5层间剪切强度(MPa )20

30.7

35

37.8

纵横剪切强度(MPa )48.8852.17纵横剪切模量(GPa )

1.62

1.84

可以赶走积存的空气。同时在结构上，可以裁剪成如图3所示形状，附着在船体结构上，起到吸振缓冲、隔音绝热的作用。因此，采用夹芯结构，给设计带来更大的自由度，夹芯的复合曲线形状可易于组合，外部表层可以正确地对准载荷路径方向，从而使结构更趋完整和优化

。

采用夹芯结构，使得玻璃钢复合材料实现了出众的强重比，为设计更加高速船艇和续航力更强，装载能力更大的船艇提供了可能，同时，艇体重量

的减轻也相应的降低艇自身的功率需求量。以一艘36英尺游艇为例，通过夹层工艺的提升，减轻了38%的艇体重量，同时也使得船舶的加速性能大大提升，其最大航速由原来的35kn 提升到37.5kn ，全速续航力由原来的333km 提高到583km ，即油耗大为降

低，为船艇产品的运营带来了宝贵的低碳效应［3］

。

2真空芯材导流工艺的实施及其注意事项

真空芯材导流工艺在实施初期需要对模具、工

厂环境以及实施人员进行必要的准备和培训。

1)模具

需要考虑的第一件事就是:使用现有的模具还是加工新的模具，无论选择哪一种方法，都必须核查一些关键问题，方能确保所用的模具合适。具体事项如下:

①模具要保证很好的气密性;

②模具必须有足够的刚度，能够承受真空形成的压力;

③在制品固化期间，模具必须能够承受树脂固化周期的放热;

④模具必须有凸缘法兰边，并且应足够宽，以放置真空管和密封胶带;

⑤任何次模件都必须和主模接合在一起，以免在部件导流过程中发生系统的漏气;

⑥模具表面必须具有较高的平整度。防止因带

有孔洞、龟裂或裂缝的模具对系统真空度的影响。在生产之前，须对模具进行压降试验来检验是否存在上述问题。确认模具是否适合导流工艺的要求。

2)铺层

第二个需要考虑的事项便是铺层的选择。这会影响到艇体壳体的重量、承重能力以及建造时间。真空芯材导流工艺在提高艇体硬度的同时又不会增加重量。同时避免了采用芯材的壳体中出现分层的现象，芯材与强化表层之间的粘结性能大幅提高，有效解决了脱层问题。

采用夹芯结构的纤维铺层通常要比实心铺层薄。由于硬度提高了，板材尺寸也得以加大，而且需要的支撑物(加固装置、框架、舱壁等等)也更少了。另外，铺层的安装速度也加快了，从而缩短了建造时间并降低了材料的总体使用量，如图4、5所示，纤维已铺完，导流网包着导流管在铺放的过程［2］。

运用这种方法还比其他任何的导流方法都更快，透过真空袋的连接线路和进料管的数量也减少了，这些又进一步缩短了整体建造时间并降低了耗材的成本。

3)材料的选择

作为以真空导入工艺生产游艇壳体使用的树脂要求:

(1)具有低粘度。一般在100 400mPa.s左右。最好不高于200mPa.s;(2)需要适当的放热峰温度，一般不高于80ħ;(3)在使用温度达到60ħ前，玻璃钢层材仍有合适的强度;(4)长期在潮湿环境下(相对湿度95%)，仍与所选玻璃布有很好的结合强度;(5)可在常温下固化;(6)有足够长的凝胶时间，保证工艺的完成，而且最后能完全固化;(7)耐气候性好;(8)耐油脂性好;(9)阻燃性好;(10)价格低;(11)固化收缩率低等。

因此，对于树脂体系的各种组分，如树脂、固化剂、促进剂、阻聚剂、色浆和填料等都要开展相应的树脂流动性、粘度和固化反应动力学的试验研究，以保证工艺的可靠性，如图6所示，采用等温差示扫描量热法(DSC/DTA)和动态粘度计［4］，来测量固化温度与固化时间的关系，试验表明，随着固化温度的增加，固化完成需要的时间缩短;峰值出现在固化开始一段时间后，这正是自催化固化模型的特征，因为自催化模型有诱导期，反应的极大速率出现在固化度达到30% 40%。分析峰值出现的时间和相应的固化度见表2，可以发现，固化温度比较低时，固化峰值出现时的固化度就越接近自催化模型的要求，这主要是因为当温度比较高时，确定数据的初始开始点比较困难，当开始记录时，反应可能已经进行了一点，进行等温试验的难点也在于此。

表2出现固化峰值时的固化度和时间

温度(ħ)140150160170180190200固化度(%)32.1433.2429.6524.8719.2417.6612.33反应时间(main) 2.9 1.80.810.610.350.270.20

作为以真空导入工艺生产游艇壳体使用的材料要求:

一般来说，各种形式的增强材料，如短切毡、长丝毡、无捻粗纱织物(方格布)、加捻织物、缝编织物以及夹芯材料(泡沫、轻木和蜂窝)等都可以应用，应用的织物面密度最大可至87kg/m2。但是要注意到，不同织物对真空导入工艺的影响是很大的，要尽量采用渗透率高、对树脂浸润性好的织物。

在采用芯材时，则需采用GPS芯材。要考虑各种材料组合后的整体效果，不能低估任何一种材料