淺談玻璃鋼的收縮變形及控制措施

南京合成材料廠    朱志仁

[摘　要]全文通過對玻璃鋼制品收縮變形的原因分析，并采取相應的措施與簡單計算，提出了克服收縮變形的初步意見，從而把這種變形控制在低限度之內，提高了玻璃鋼制品的質量。

　　玻璃鋼制品的收縮變形是生產中不可避免的，其程度的大小直接關系到產品質量的好壞，特別像手糊接觸成型的一類制品，收縮變形會給產品帶來先天不足。因此，如何根據玻璃鋼制品的形狀和結構基材特性，結合合理的工藝，并采取相應的技術措施，將收縮變形控制在低限度內，對提高玻璃鋼制品的質量極為重要。

  一、收縮變形產生的原因

　　玻璃鋼的變形是玻璃鋼固有的特性決定的。玻璃鋼中的樹脂基體在固化劑的作用下，先由液態到凝膠，后到不溶不熔的固態，樹脂在整個反應中釋放出熱能，反應完成后溫度由峰值逐漸回落至環境溫度，而固化后的樹脂收縮變形就是因固化時的高溫狀態到冷卻狀態下產生的收縮量。
　　根據玻璃鋼微觀觀力學理論和對算組分材料的定量測試可知，玻璃纖維與樹脂基體的線膨脹系數是有區別的，前者線膨脹系數K_纖=5×10^-6/℃，后者如307^#聚酯K_糊=138×10^-5／℃(20～50℃)，兩者相差36倍，所以當聚酯作為基體，玻璃纖維為增強材料，兩者結合為一整體結構材料時，兩材料又相互制約?，F設原玻璃鋼件長度為L。橫截面面積為F，在軸向拉伸下伸長量為△L，這時樹脂和纖維必定可樣伸長△L，那么聚酯伸長使玻璃纖維承受拉力P₁，樹脂之受壓力P₁，兩力大小相等方向相反，即P₁=P₂,如圖1。

　　由材料虎克定律：

　　對于單向玻璃纖維增強的玻璃鋼線膨脹系數有：

　　式中：
　　K_脂―樹脂的線膨脹系數；
　　K_纖―玻璃纖維的線膨脹系數；
　　T―溫度差(℃)
　　E_脂―樹脂基體的彈性模量，307^#聚酯的E_脂=0.35×10⁵(kg／cm²)；
　　E_纖―玻璃纖維的彈性模量，一般E_纖=7×10⁵ (kg／cm²)
　　對于層合板：

　　式中：
　　m―玻璃布中經向纖維根數，
　　n―玻璃布中緯向纖維根數。
　　其它同上。
　　當選用307^#聚酯樹脂為基體，1:1斜紋布(m／n=16／12)制成玻璃鋼，則可得到下列計算結果。見表1。后又對其進行實測，結果在K=19～24×10^-6／℃范圍內(經向)，與計算結果基本符合。

　　從表1看出，玻璃鋼的緯向收縮變形要比經向大得多。并隨著樹脂含量升高變形量增大，為此另做一項實驗，制做一塊2000× 400×30毫米的板材，在長度方向上隔480毫米處畫兩行Ф20毫米的4處孔印，待脫模取出產品。測量孔的中心距離，結果都出現負偏差(縱、橫兩方向)。這正是制品的收縮變形引起的。
　　上述分析和實驗說明，玻璃鋼的線膨脹系數非均勻性是引起玻璃鋼板材產生變形的根本原因所在。
　　同理對于曲面狀的層合扳，用等拉剛度、等彎曲剛度按均質薄殼體進行近似計算，后可得到下述公式：

　　式中：
　　△d―殼體直徑變形量
　　B―與殼體上的作用力矩、殼體幾何尺寸及剛度有關的常數
　　R―殼體束發生變形前的半徑值
　　T―溫度(℃)
　　h―殼體厚度
　　α―夾角
　　其它同前，圖形如圖2。

　　由公式可看出，曲面形狀的殼體，其收縮量與半徑成正比，與厚度成反比。為了進一步說明該問題，我們對所糊制的一只直徑為2400毫米的圓形回轉體產品進行了測試，該件是按圓周沿中心軸A-A方向分成六塊，見圖3。經固化脫模，再拼成圖示形狀，并測量其直徑，結果直徑比原來縮小了10毫米，出現了負偏差，而且形狀由圓形變為橢圓。
　　綜上所述，由于玻璃鋼的橫向線膨脹系數與縱向的差別，所以在一定的強度場中，玻璃鋼處于無約束的自由狀態下，變形不協調，當這種效應達到一定程度時，必然引起收縮變形的產生。
　　玻璃鋼的收縮變形既同材料本身特性密切相關，又同制作工藝和材料的選擇有著不可忽視的聯系。所以工藝及材料選擇不當是加劇和造成收縮變形的重要因素。
　　1、使用了收縮量大的樹脂
　　通常情況下，聚酯樹脂中交聯劑含量為35％左右，但有時為了操作方便或是提高樹脂浸漬力，交聯劑往往過量，結果制品固化時，有相當量的交聯劑從樹脂中析出，使體積收縮量增大，加劇了產生收縮變形量。
　　2、使用了放熱量大的樹脂
　　玻璃鋼的收縮變形程度與固化放熱溫度成正比，樹脂固化時放熱量愈大，那么由高溫狀態向冷卻狀態轉化后的收縮必然增大，產生變形也就加大。
　　3、模具剛度不足
　　模具設計時，必須充分考慮到其剛性的富裕度，因為剛性差的模具難以抵御制品固化時產生的收縮應力，以致產品還未固化，棋具的形狀、尺寸就已被破壞。這樣勢必給產品造成質量缺陷，如在一個平均厚度為7毫米的玻璃鋼模具上糊制一件厚度為15毫米的玻璃鋼制品，當制品脫模后。便發現模具裙部拐角處，有2～3條呈放射狀的凸起條紋，并伴有明顯的膠衣層剝落、樹脂碎裂現象。造成該后果的主要原因是模具承受不了收縮應力而產生的。
　　4、產品厚度不均勻
產生厚度不一致時，各區域產生的收縮應力也就有差異，這樣殘余應力的釋放，勢必引起制品發生形狀和尺寸的改變。
　　5、制品固化不充分
　　制品未完全固化過早脫模，樹脂的分子向體型結構轉化并不完全。制品還缺乏足夠的剛度，所以制品必然出現變形。
　　6、樹脂聚集
　　制品的低凹處或拐角處積存了樹脂，形成局部超厚，而導致樹脂固化時引起收縮應力的差異，這樣所產生的收縮變形也就不一致。此外，用金屬、木材等材作為補強材料構成制品的凸緣或加強筋時，在其形面交界處同樣易形成過厚產生上述現象。
　　7、樹脂加熱時機不當
    樹脂的固化，是樹脂由線形分子向體型分子轉化的過程，并伴隨一定的熱量放出，當制品未冷卻至室溫時，立即施行加熱固化，會使玻璃鋼本體溫度升高，從而加大制品的收縮變形。

二、控制變形措施

　　要克服和減少玻璃鋼的收縮變形，必須要有合適鈾工藝條件等，因此對玻璃鋼的工藝和結構形式等有必要進行研究．
　　1、選用收縮率低的樹脂
　　樹脂中交聯劑不應過量，在滿足制品機械強度的前提下，除添加有機類的低收縮劑外，也可適當加入一些惰性填料，如鈦白粉、白瓷粉、輕質碳酸鈣粉等，這樣可以減少體積收縮變形量。
　　2、盡量采用放熱量低的樹脂
　　一般來說，樹脂的放熱量達到200℃時，產生的收縮量會大大升高，如聚酯玻璃鋼在此時的收縮率達到了10％左右，所以日本就明確規定：用于手糊接觸成型的聚酯樹脂其放熱量應＜132℃。
　　3、模具設計要合理

　　模具的設計必須充分考慮到玻璃鋼制品的特點，尤其是用玻璃鋼制作的模具其平均厚度不得低于所糊制的厚度，模具拐角處的曲率半徑要大些。但不應超過R10。對于在陰模內成型90°角的制品，其模具應有2～3°的正偏差。如圖4所示。
　　4、產品設計與糊制要點
　　產品厚度均勻，如確實需要局部加厚時，應逐漸由薄壁向厚過渡，以避免厚度突變。對易發生翹曲變形的部位，應設計成慣性矩較大的形狀。對于薄板、薄殼類結構的制品，鋪層設計好是設計成90°鋪層，即布層與布層間經、緯方向交替鋪設以提高均勻性。
　　產品糊制時樹脂含量必須控制在規定范圍內，低凹等處所聚集的多余樹脂要清除掉。再有糊制時制品邊緣不要與模具粘結，防止收縮變形不一致。另外，凝膠時間與固化速度要適當控制，過快則放熱量加大，內部產生的應力來不及釋放，同樣會引起變形量增大的缺陷。
　　5、加熱時機與溫度
　　對于常溫下冷卻固化的玻璃鋼制品，成型脫模后，應放置24小時后，再進行加熱固化處理，尤其是放熱量高的樹脂更應如此。因為這樣做可以有效地防止過熱變形。
　　加熱固化的溫度要略低于樹脂變形溫度(80～100℃)，然后在此溫度下固化處理4～8小時，升溫速度為10℃／h。且制品受熱要均勻，避免局部過熱。經過這樣處理既可以使固化趨于完全又可以使制品保持尺寸、結構的穩定性。

三、結束語

　　綜上所述，為了使玻璃鋼的收縮變形得到有效控制，必須有合理的產品設計，嚴格的工藝制度，相應的技術措施。與此同時，還應積極開展這方面的研究和試驗工作，逐步積累充實這方面的數據，為理論設計和實際應用指導奠定基礎。