玻璃钢船舶树脂真空导入技术分析

2017-12-06

　玻璃钢是20世纪60年代后期船舶制造的一种新型的复合材料，具有质量轻、强度高、耐腐蚀、可塑性强的特点。经过数十年的发展，玻璃钢材料已在中小型船艇建造上得到了大量应用，尤其是近年来在游艇、高速艇和旅游客船上得到了广泛的使用。本文着重介绍玻璃钢船舶建造成型的新工艺——树脂真空导人法。

 

　　1 工艺技术介绍

 

　　树脂真空导人法是在刚性模具上预先铺敷增强纤维材料，然后铺真空袋，并抽除体系中的真空，在模具型腔中形成一个负压，利用真空产生的压力把不饱和树脂通过预铺的管路吸人纤维层中，让树脂浸润纤维材料，最后充满整个模具，固化后揭去真空袋材料，从模具中脱模得到所需的产品。其工艺剖面下图所示。

 

　　真空导人工艺采用在单面刚性模具内建立一个闭合系统，是一种新型的大尺寸船艇成型建造技术。该工艺在1950年出现了专利记录，直到近几年才引入国内，并得到了发展。由于这种工艺是从国外引入，在命名上亦有多种称呼，如真空导人、真空灌注、真空注射等。

 

　　2 工艺技术原理

 

　　真空导人工艺是基于1855年法国水力学家达西创立的水力学理论，即着名的达西定律：t=2hl／(2k(AP))；式中：t为树脂导人时间，由4个参数来决定；h为树脂粘度，指导人树脂的粘度；z为导人长度，指树脂进料口与出料口之间的距离；AP为压力差，指真空袋内外的压力差值；k为渗透性，指玻纤、夹心材料等对树脂浸润的参数。由达西定律可知：真空导人工艺树脂导入时间与树脂导人的长度和粘度成正比，与真空袋内外的压力差值和纤维材料的渗透性成反比。

 

　　3 工艺技术流程

具体工艺技术流程如下。

　　第一步：开工准备工作

 

　　首先按照船舶型线、尺寸制作钢质或木质模具，模具内表面处理必须保证要有较高的硬度和较高的光泽，并且模具边缘至少保留15cm，便于密封条和管路的铺设。在对模具进行清理后，涂敷脱模材料，可以打脱模蜡或抹脱模水。

 

　　第二步：施涂船体胶衣

 

　　根据船舶生产制作的要求，在模具内表面涂布含催化剂／催进剂的胶衣树脂，可以用产品胶衣或打磨胶衣，选用类型有邻苯、间苯和乙烯基。可采用手刷和喷涂的方法进行施工。

 

　　第三步：铺敷增强材料

 

　　首先按照船体线型和基本结构，分别裁制增强材料和骨架芯材，然后按照铺层图和成型工艺在模具内进行铺设。铺敷时，必须充分考虑增强材料的材质和连接方式对树脂流速的影响。

 

　　第四步：铺敷真空辅材

 

　　在模具内铺敷好的增强材料上，先铺上脱模布，接着是导流布，最后是真空袋，利用密封条进行压实封闭。在合上真空袋之前，要仔细考虑树脂和抽真空管路的走向。

　第五步：抽除袋内真空

 

　　在模具内完成以上材料的铺设后，夹紧管系上各树脂导入进管，利用真空泵对整个体系抽真空，尽量把体系中空气抽空，并检查整体的气密性，对漏气的地方进行局部修补。

 

　　第六步：调配树脂比例

 

　　袋内真空达到一定要求后，根据环境条件、制品厚度、铺敷面积等来将树脂、固化剂及其他主机按一定比例进行调配。调配好的树脂液要兼顾有适当的粘度、合适的凝胶时间和预期要求的固化度。

 

　　第七步：模具导人树脂

 

　　把调配好的树脂导人压力泵，经充分搅拌排除树脂内气泡，再根据导人顺序依次打开夹子，并通过不断的调整泵人压力实施树脂导人，达到有效控制船舶艇体的厚度。

 

　　第八步：固化脱模舾装

 

　　在树脂导人竣工后，船体应在模具中搁置一段时间让树脂固化，一般不低于24 h，在其巴柯尔硬度大于或等于40后方可脱模。脱模后，应采取必要的措施予以支撑，避免产生变形。彻底固化后，开始艇体合拢及舾装。

 

　　4 工艺技术优缺点分析

 

　　A、工艺技术的优点

 

　　真空导人法作为一种新型的玻璃钢船船舶建造成型工艺，较传统手工糊制工艺具有很大的优势。

 

　　A1 船体结构强度得到有效提高

 

　　真空导人工艺在施工时可同时铺敷成形船舶的艇体、加强筋、夹芯结构及其他嵌件，因而大大提高了产品的整体性，船舶整体结构强度得到很大的提高。在同样原材料的情况下，与手工糊制的船体相比，树脂真空导人工艺成型船体的强度、刚度及其他的物理特性可提高30％ 一50％以上，比较契合现代玻璃钢船舶的大型化发展趋势

 

　　A2 船舶艇体重量得到有效控制

 

　　真空导人工艺生产的玻璃钢船舶纤维含量高、孔隙率低、产品性能高，尤其是层间强度的提高，大大提高了船体的抗疲劳性能。在强度或刚度要求相同的情况下，采用真空导入法建造的船舶可有效地减轻结构重量。当采用同样铺层设计时，较手工糊制工艺树脂用量减少30％ ，浪费少，树脂损耗率低于5％ 。

A3 船舶产品质量得到有效控制

 

　　真空导人工艺较手工糊制，船舶质量受操作人员影响小，不论是一艘船还是一批次船都存在高度的一致性。船舶的增强纤维用量在注入树脂前已按规定的量放人模具中，树脂比也相对恒定，一般为30％ ～45％ ，而手工糊制船体的树脂含量一般为50％ 一70％ ，因此船舶的均匀性和重复性比手糊工艺要好得多。同时该工艺生产的船舶的精度也优于手糊船舶，船体表面的平整度好，减少了打磨和涂漆工序的人工和材料。

 

　　A4 工厂生产环境得到有效改善

 

　　真空导人工艺是一种闭模工艺，整个施工过程中产生的挥发性有机物和有毒空气污染物均被局限于真空袋中。仅在真空泵排气(可过滤)和树脂调配时有微量的挥发物，较传统手工糊制的开敞式工作环境，现场施工环境得到大大改善，有效地保障了相关现场施工人员的身心健康。

 

　　B、工艺技术的缺点

 

　　B1 施工工艺较为复杂

 

　　真空导人工艺不同于传统手糊工艺，需要按照图纸详细设计好纤维材料的铺层图、导流管系布置图和建造施工流程，在树脂导人前必须完成增强材料的铺敷和导流介质、导流管、真空密封材料的铺设。因此对于小尺寸船舶来讲，其施工时间反而超过手糊工艺。

 

　　B2 生产成本较为偏高

 

　　真空导人工艺对纤维材料的渗透性要求较高，多采用连续毡、单向布，单位成本高。同时在建造施工过程中需要使用到真空泵、真空袋膜、导流介质、脱模布及导流管等辅助材料，且大多为一次性使用，所以生产成本比手糊工艺要高。但产品越大，这个差别就会越小。

 

　　B3 工艺存在一定风险

真空导人工艺自身特点决定了船舶建造的一次性成型，对树脂导入前工作要求很高，必须严格按照施工工艺有步骤的实施，在开始树脂导入后过程就不可逆转，一旦在树脂灌注中失败，整个船体就容易报废。目前一般船厂为了施工方便和降低风险，一般企业采用船舶艇体和骨架分两阶段真空成型。

 

　　5 结语

 

　　真空导人工艺作为一种新型的玻璃钢船舶的成型建造技术，有其许多优点，特别在建造主尺度较大、航速较高、强度较强的船舶方面，有其不可替代的作用。随着真空树脂导入施工工艺的不断改进和原材料成本的降低，以及日益增长的社会需求，玻璃钢船舶建造会逐步向机械成型工艺过渡，树脂真空导人法势必将在更多的工厂得到广泛应用。