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浅析拉挤成型工艺参数的监控

一、国外玻璃钢拉挤成型工艺概况

  随着玻璃钢拉挤制品应用领域不断扩大,国外拉挤制品的规格品种也越来越多。目前除L型、O型、U型、平板型、中空或实芯等标准拉挤制品形状外,还可生产出根据客户所要求的各种异形结构。有些多孔腔制品的芯材,现在也已实现标准化了。拉挤复合材料制品的尺寸,小的只有几个平方毫米,大的如桥梁桥面用的拉挤制品,可达几十平方米。
  玻璃钢拉挤成型工艺所使用的增强材料品种也很多,如玻璃纤维无捻粗纱、毡、薄布或玻纤织物,碳纤维、芳纶纤维以及它们的织物等。拉挤成型所使用的基体树脂材料,有热塑性树脂和热固性树脂两大类。聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂和酚醛树脂等热固性树脂,常用于批量较大的拉挤制品的生产;而热塑性树脂基体,正处于开发生产的阶段。
  目前,水平拉挤的标准型设备,一般为20~30m长,*大宽度约1.5m。这种标准型设备生产线进入端系一玻璃纤维的供纱库,其后是经干燥的或预热过的玻璃纤维纱,经过热固性树脂的浸胶槽,在模具内成型,加热后固化。
  通常,在成型模具和拉引器之间有一个比较长的距离,玻璃钢制品可以在该段距离内,完成固化过程并逐渐冷却。生产线上使用夹具夹住制品从拉挤模具中,把玻璃钢制品拉引出来。*后由切割机,把拉挤制品切割成定长制品。

  二、玻璃钢拉挤成型的工序及其控制参数

  玻璃钢拉挤成型工艺,共有8道工序:纺捻、预浸渍、加热、制品固化及尺寸的校准测量、冷却、拉引和切割。通常,各个工序都有一个可在一定范围内调整的工艺参数。这些工艺参数,有些可以通过拉挤设备直接进行调整,例如模具的温度、拉引的速度等。但另有些工艺参数,例如拉挤制品的温度、受力状况、树脂的粘度等,则不能够直接通过设备进行调整。
  显然,所有的工艺参数都将对拉挤制品的质量,包括机械性能和光学性能等,产生一定的影响。其中*主要的工序,是预浸渍、模塑成型和固化等三道工序。必须指出的是,某一个工序的工艺参数,将对其它工序产生一定的影响,例如拉引速度的快慢,就将对上述三个主要工序产生一定的影响。
  由于拉挤成型工艺参数这种相互影响的结果,因而至今尚不可能建立起一套切实可行的工艺模型,以期达到拉挤产品质量的预定的目标。

 三、玻璃钢拉挤工艺参数控制元件

  如上所述,由于热固性树脂拉挤工艺参数条件,受其在成型模具内发生的一些复杂因素所制约,并且还要受制于其它工艺参数之间的相互影响,因此在拉挤成型时,原材料中发生的聚合反应,也比较难以进行*地预测。
  目前,玻璃钢拉挤模中常用的监测控制传感元件有:温度传感器,压力传感器和介电传感器等三种上述这些传感器,首先必须要解决好耐拉挤磨损的问题。另外,拉挤模的温度、玻璃纤维的体积含量,以及拉引速度的快慢等,也均将会对拉挤成型工艺参数传感器产生一定的影响。
  目前常用的玻璃钢拉挤成型设备上,所采用的温度检测传感元件,经常在沿纤维的方向,并放置于成型模内的表面部位;而压力检测传感元件,则经常放置在拉挤模的入口处及模具的中间位置(通常拉挤模的长度约为1000mm)。这种张力式压力传感元件的表面,往往涂有铬层,以提高它对耐玻璃纤维拉挤磨损的性能。
  拉挤成型设备中使用的介电传感元件,有薄膜式和固定陶瓷式等两种。这种介电传感元件的基本原理,主要是在两块极板之间,以高聚物作为介质,当处于交变电场中,高聚物分子将发生移动。由于交变频率的改变,高聚物分子量的大小(也可表示为聚合度的大小),粘度,以及电导率等性能考参数,也将会发生变化。也就是说,高聚物的粘度越低,电导率就越高,其电阻值就越小。
  薄膜式介电传感器,是随玻璃纤维一起从模具腔内拉引而出,制品固化后传感器仍将留在其中,因此只能使用一次,在工业化批量生产时不太适用。固定式介电传感器是属于双板电容器类型的一种传感器。传感器将作为其中的一个极板,而另一个极板则就是模具的本身。但Index 薄膜式传感器本身,就装有两块板极。它们板片之间的排列,类似于印刷电路板的结构。
  由于它们结构上的不同,因此,上述这两种介电传感器的电导性能,尚不能进行直接的比较。

四、拉挤工艺主要的监控参数

  (1)电导率:要实现对拉挤玻璃钢成型工艺的监控,应该了解和掌握模腔温度、玻纤含量、抗挤速度等,对于模具腔内压力和坯料电导的影响。实际测试结果表明,在设定模腔温度、拉挤速度和玻纤含量的情况下,在拉挤模腔长度方向上,可以利用薄膜式介电传感器,测定出电导率和拉挤坯料温度的变化情况,并且能观察到有一个明显的参数变化的位置,约在模腔中间位置的附近。另外,若改变上述三个工艺参数,其电导率转变点的模腔位置,也随之会发生变化。
  由此可见,利用介电传感器*测量和控制模腔内的电导率变化,将是*有效的,也是切实可行的。另外,根据不同模腔温度的实测结果,模具温度、反应进程和树脂粘度等参数,都将对模腔内拉挤坯料的电导率,产生一定的影响。
  (2)拉挤速度:众所周知,拉挤速度是影响拉挤料反应动力学和树脂粘度的另一个重要因素。试验结果表明,较高的模腔温度和较慢的拉引速度,都将会导致反应度的增高,从而使电导值有所上升。
  (3)玻璃纤维含量:为确保工业生产拉挤制品的质量,其玻璃纤维的含量也是*重要的因素。根据经验,要测量并控制模具的温度比较容易,但要测出单根纤维的损耗,难度很大,并且也没有太大的实际意义。经过实测,若改变玻璃纤维的含量,则将会导致电导率的明显变化。由此可见,只要能测量出拉挤坯件的电导率,则也可充分反映出其中玻纤含量的多少。
  (4)模腔压力:对于玻纤和聚酯树脂而言,模腔入口处和模腔中间位置的压力,比较接近,因而通常以模腔中间位置的压力,表示成拉挤模内的压力。根据实测结果,模腔压力参数与拉引速度、模内温度以及玻纤含量等的数值之间,均有一定的相联关系,并可作为拉挤工艺的主要监控参数之一。另外,拉挤模腔内的压力,还可作为拉挤制品表面质量的一个重要控制因素。 但是,必须指出的是,拉挤工艺的所用压力传感器的结构及其使用,要比介电传感器的复杂得多。
  综上所述,拉挤工艺用的压力和介电传感器,都可有效地提供并记录其制品生产过程的控制数据,并可为高质量拉挤制品的生产,作出了科学的保证。
  若对于拉挤制品的力学性能测试结果,与拉引速度、模具温度和传感器测得的数据进行处理,根据统计原理,就可完成玻璃钢拉挤工艺闭环质量控制过程的重要的*步。

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