第八章连续成型工艺及设备教学参考资料武汉理工大学精品课程
第八章 连续成型工艺及设备 教学参考资料 武汉理工大学精品课程
1概述1.本章内容连续成型工艺及离心制管工艺2.连续成型工艺的基本概念（P243）从原材料开始，整个生产过程（包括浸渍、模制、固化、切剖等）在机组中连续完成，形成复合材料制品的过程。3.连续成型工艺包括三种具体成型方法·连续制管工艺·拉挤成型工艺·连续制板工艺4.连续成型工艺的特点①工艺过程机械化、自动化程度高、产量大、生产效率高②产品性能好，质量稳定③产品规格不受限制5.离心制管工艺的特点采用水泥制管的方法，生产GFRP管其特点是可生产低成本（可以添加大量填料及聚酯混凝土）大口径的GFRP管道，用于引水工程。2连续制管工艺及设备2.1连续制管工艺及设备的发展现状和前景1.60年代，丹麦“德罗斯素”公司研制成功第一台凸轮钢带式纤维缠绕机。2.80年代我国开始研制，并从国外引进8条生产线，主要生产大口径GFRP管。3.采用连续制管工艺，其产品（管道）直径在通常400-2500mm范围，最大口径3500mm，产品主要用于石油化工、污水处理、海水养殖、电站排渣等领域（P244表9-1）。4.连续制管设备的类型（机组）
1 概述 1. 本章内容连续成型工艺及离心制管工艺 2. 连续成型工艺的基本概念（P243） 从原材料开始，整个生产过程（包括浸渍、模制、固化、切剖等）在机组中 连续完成，形成复合材料制品的过程。 3. 连续成型工艺包括三种具体成型方法 ·连续制管工艺 ·拉挤成型工艺 ·连续制板工艺 4. 连续成型工艺的特点 ①工艺过程机械化、自动化程度高、产量大、生产效率高 ②产品性能好，质量稳定 ③产品规格不受限制 5. 离心制管工艺的特点 采用水泥制管的方法，生产 GFRP 管 其特点是可生产低成本（可以添加大量填料及聚酯混凝土）大口径的 GFRP 管道，用于引水工程。 2 连续制管工艺及设备 2.1 连续制管工艺及设备的发展现状和前景 1. 60 年代，丹麦“德罗斯素”公司研制成功第一台凸轮钢带式纤维缠绕机。 2. 80 年代我国开始研制，并从国外引进 8 条生产线，主要生产大口径 GFRP 管。 3. 采用连续制管工艺，其产品（管道）直径在通常 400-2500mm 范围，最 大口径 3500mm，产品主要用于石油化工、污水处理、海水养殖、电站排渣等领 域（P244 表 9-1）。 4. 连续制管设备的类型（机组）
干法连续机组湿法纵纱浸胶卧式连续制管机组湿法连续机组【钢带式湿法环纱浸胶步进式【垂直向上移动钢制芯轴式立式连续制管机组【低熔点金属感模式5.连续制管工艺的发展方向一一EPF法将塑料管挤出技术和纤维缠绕工艺相结合的连续制管技术。2.2连续制管工艺原理及过程1.卧式干法缠绕成型（P244，图9-1）采用预浸的无纬带或GF布带纵、环向布带缠绕→芯轴内加热→预固化→二次固化→外牵引脱模→切割等工序2.卧式湿法缠绕成型卧式湿法纵向纱浸胶缠绕成型（图9-2）卧式湿法环向浸胶缠绕成型（图9-3）·采用GF连续粗纱·经纵向纱浸胶均匀辅放在芯轴上形成纵向纱层。·环向纱浸胶，均匀铺设在芯轴上，形成环向纱层。3.立式垂直向上移动芯轴式缠绕成型（图9-4）垂直移动芯轴（向上）→顺、逆时针双向缠绕→固化4.立式低熔点金属芯模式缠绕成型正轴前由空心支柱+低熔点金属表面（铅一铋合金），通过热压模装置使GFRP管固化，并使移动芯轴表端熔化，完成自动胶模要求。2.3连续制管工艺的特点与定长管相比：1.连续化生产、产量大、生产效率高2.管长不变限制，可根据工程要求切割任意长度3.定长管生产通常需要多根管芯，而连续制管工艺仅需一根芯模。改变管
⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎩ ⎨ ⎧ 步进式 钢带式 湿法环纱浸胶 湿法纵纱浸胶 湿法连续机组 干法连续机组 卧式连续制管机组 ⎩ ⎨ ⎧ 低熔点金属感模式 垂直向上移动钢制芯轴式 立式连续制管机组 5. 连续制管工艺的发展方向——EPF 法 将塑料管挤出技术和纤维缠绕工艺相结合的连续制管技术。 2.2 连续制管工艺原理及过程 1. 卧式干法缠绕成型（P244，图 9-1） 采用预浸的无纬带或 GF 布带 纵、环向布带缠绕→芯轴内加热→预固化→二次固化→外牵引脱模→切割等 工序 2. 卧式湿法缠绕成型 卧式湿法纵向纱浸胶缠绕成型（图 9-2） 卧式湿法环向浸胶缠绕成型（图 9-3） ·采用 GF 连续粗纱 ·经纵向纱浸胶均匀辅放在芯轴上形成纵向纱层。 ·环向纱浸胶，均匀铺设在芯轴上，形成环向纱层。 3. 立式垂直向上移动芯轴式缠绕成型（图 9-4） 垂直移动芯轴（向上）→顺、逆时针双向缠绕→固化 4. 立式低熔点金属芯模式缠绕成型 正轴前由空心支柱+低熔点金属表面（铅—铋合金），通过热压模装置使 GFRP 管固化，并使移动芯轴表端熔化，完成自动胶模要求。 2.3 连续制管工艺的特点 与定长管相比： 1. 连续化生产、产量大、生产效率高 2. 管长不变限制，可根据工程要求切割任意长度 3. 定长管生产通常需要多根管芯，而连续制管工艺仅需一根芯模。改变管
径，只需更换芯轴外径。4.集中拉制工艺参数，产品质量稳定5.可一次性成型多层（管壁）结构管材比如耐腐蚀结构管：内表层：防腐、耐磨层厚度0.2一0.5mm，VR=95%以上内衬层：防渗透（表面毡）厚1-2mm，Vr=70%以上结构层：纵、环搭配缠绕，厚度按设计要求，VR=25～30%外表层：防老化，表面装饰（配方中常加防老剂）2.4连续制管用原材料1.采用多种GF制品形式，以满足管材不同结构层要求：通常GF粗纱或GF布带用于增强层GF短切毡用于内表层、内衬层、防腐、防渗，GF表面毡用于外表层。2.树脂基体的选择·选择原则：要求粘度低，浸润性好树脂胶液具有较长的凝胶时间较短的固化时间及整体的固化放热峰·常用基体：UP树脂（通常应加低收缩添加剂）、环氧丙烯酸树脂、乙烯基酯树脂2.5连续制管设备重点介绍卧式连续制管机组中的钢带式和前进式1.钢带式连续制管机（P250，图9-7、9-8）工作原理，凸轮推动钢带式芯轴。管状钢制支轴的旋转运动（1）一条首尾相接的薄钢带（5）螺旋缠绕在支轴上，凸轮滑动推块（4）相继作纵向往返运动。纵向纱是与正轴“同步”转动凸轮推块的往返行程正好等于钢带螺旋缠绕的螺距，以保证钢带在支轴上的
径，只需更换芯轴外径。 4. 集中拉制工艺参数，产品质量稳定 5. 可一次性成型多层（管壁）结构管材 比如耐腐蚀结构管： 内表层：防腐、耐磨层 厚度 0.2—0.5mm，VR=95%以上 内衬层：防渗透（表面毡）厚 1-2mm，VR=70%以上 结构层：纵、环搭配缠绕，厚度按设计要求，VR=25～30% 外表层：防老化，表面装饰（配方中常加防老剂） 2.4 连续制管用原材料 1. 采用多种 GF 制品形式，以满足管材不同结构层要求； 通常 GF 粗纱或 GF 布带用于增强层 GF 短切毡用于内表层、内衬层、防腐、防渗，GF 表面毡用于外表层。 2. 树脂基体的选择 ·选择原则：要求粘度低，浸润性好 树脂胶液具有较长的凝胶时间 较短的固化时间及整体的固化放热峰 ·常用基体：UP 树脂（通常应加低收缩添加剂）、环氧丙烯酸树脂、乙烯基 酯树脂 2.5 连续制管设备 重点介绍卧式连续制管机组中的钢带式和前进式 1. 钢带式连续制管机（P250，图 9-7、9-8） 工作原理，凸轮推动钢带式芯轴。 管状钢制支轴的旋转运动（1） 一条首尾相接的薄钢带（5）螺旋缠绕在支轴上，凸轮滑动推块（4）相继作 纵向往返运动。 纵向纱是与正轴“同步”转动 凸轮推块的往返行程正好等于钢带螺旋缠绕的螺距，以保证钢带在支轴上的
均匀前移。自动脱模2.步进式连续制管机2.6“EPF”法制管工业及设备1.“EPF”法的概念及特点概念（P251）特点：多种工艺、多种材料、前后结构2.“EPF”工艺原理及工艺过程工艺流程（P251）挤出成型的塑料管作为衬层（芯模）纵、环的缠绕GFRP作为增强层，管材表面喷涂成型富树层（GF毡）3.“GPF”法常用树脂，PolyliteHY-207（表9-2）特点（与UP树脂相比）与内衬PVC共有优良的粘接性能采用光敏引发剂具有较快的凝胶时间4.“EPF”法复合管的基体性质（表9-3）4.3拉挤成型工艺及设备4.3.1拉挤成型工艺及设备的发展情况1.传统的拉挤工艺主要生产几何形状规整、大小尺寸不变的型材，如棒材T型钢等。2.由于连续纤毡和螺旋无抢粗纱的出现，可生成变度1mm上的中空制品。3.美国已出现曲面型材的最新拉挤技术，用于生产汽车零部件，如“拉挤之星”3008，整个过程计算机控制。4.由于高频加热和树脂固化体系的改进，生产速度大大提高，可达3～4m/min。拉挤成型GFRP制品的性能（P254表9-4）
均匀前移。 自动脱模 2. 步进式连续制管机 2.6 “EPF”法制管工业及设备 1.“EPF”法的概念及特点 概念（P251） 特点：多种工艺、多种材料、前后结构 2.“EPF”工艺原理及工艺过程 工艺流程（P251） 挤出成型的塑料管作为衬层（芯模） 纵、环的缠绕 GFRP 作为增强层，管材表面喷涂成型富树层（GF 毡） 3. “GPF”法常用树脂，Polylite HY-207（表 9-2） 特点（与 UP 树脂相比） 与内衬 PVC 共有优良的粘接性能 采用光敏引发剂 具有较快的凝胶时间 4. “EPF”法复合管的基体性质（表 9-3） 4.3 拉挤成型工艺及设备 4.3.1 拉挤成型工艺及设备的发展情况 1. 传统的拉挤工艺主要生产几何形状规整、大小尺寸不变的型材，如棒材， T 型钢等。 2.由于连续纤毡和螺旋无捻粗纱的出现，可生成变度 1mm 上的中空制品。 3. 美国已出现曲面型材的最新拉挤技术，用于生产汽车零部件，如“拉挤 之星”3008，整个过程计算机控制。 4. 由于高频加热和树脂固化体系的改进，生产速度大大提高，可达 3～ 4m/min。拉挤成型 GFRP 制品的性能（P254 表 9-4）
5.拉挤制品的主要应用领域耐腐蚀领域：废水处理设备、化工挡板、管路支架电工领域：高压电缆保护管、绝缘杆、电缆架建筑领域：门、窗框用型材、桁架、栏杆、支架运动娱乐领域：钓鱼杆、滑雪板、弓箭杆、球辊能源开发领域：太阳能收集器支架、风力发电机叶片、抽油杆4.3.2拉挤成型工艺原理及过程主要介绍卧式拉挤成型机的生产过程及工艺原理（P255，图9-12）工艺流程：GF粗纱排布→浸胶→预成型-→挤压模型及固化→牵引→切割制品说明；预成型：①排除多余的树脂②压实过程中排除气泡（预成型模为冷模）③预制产品切步形状挤压模型与固化成型模为热模，挤压模型同时固化成型成型模为冷模，只完成模型正型，因此成型在固化炉中完成4.3.3拉挤成型工艺分类1.间歇式拉挤成型工艺牵引机构间歇工作，保证制品的固化时间（所用树脂范围较广），但生产效率低，制品表面容易产生界面。2.连续式拉挤成型工艺生产效率高但要严格控制胶凝时间和固化程度，生产中既控制模具温度和牵引速度。3.立式拉挤成型工艺4.3.4拉挤成型用原材料1.树脂基体
5. 拉挤制品的主要应用领域 耐腐蚀领域：废水处理设备、化工挡板、管路支架 电工领域：高压电缆保护管、绝缘杆、电缆架 建筑领域：门、窗框用型材、桁架、栏杆、支架 运动娱乐领域：钓鱼杆、滑雪板、弓箭杆、球辊 能源开发领域：太阳能收集器支架、风力发电机叶片、抽油杆 4.3.2 拉挤成型工艺原理及过程 主要介绍卧式拉挤成型机的生产过程及工艺原理（P255，图 9-12） 工艺流程： GF 粗纱排布→浸胶→预成型→挤压模型及固化→牵引→切割制品 说明；预成型： ①排除多余的树脂 ②压实过程中排除气泡（预成型模为冷模） ③预制产品切步形状 挤压模型与固化 成型模为热模，挤压模型同时固化成型 成型模为冷模，只完成模型正型，因此成型在固化炉中完成 4.3.3 拉挤成型工艺分类 1. 间歇式拉挤成型工艺 牵引机构间歇工作，保证制品的固化时间（所用树脂范围较广），但生产效 率低，制品表面容易产生界面。 2. 连续式拉挤成型工艺 生产效率高但要严格控制胶凝时间和固化程度，生产中既控制模具温度和牵 引速度。 3. 立式拉挤成型工艺 4.3.4 拉挤成型用原材料 1.树脂基体
①拉挤工艺，90%用于UP树脂，另外，也可用环氧树脂和乙烯基酯树脂等。②拉挤工艺要求树脂基体具有较快的固化速率或较短的固化时间，尤其是连续式拉挤成型工艺，以提高生产效率。通常可加促进剂（针对UP和乙烯基酯），采用高效固化剂（针对环氧树脂）如二元酸酐或芳香族胺类固化剂。③拉挤工艺专用UP树脂（P256，美国用于拉挤工艺的五种专用）2.增强材料主要采用GF，特殊情况也有采用CF、KF、聚酯纤维，在GF制品中。主要采用GF无粗纱：（集中性好，浸润速度快，制品轴向性能优异等），为提高制品的横向强度，有时也需要使用连续原丝毡带，无抢粗纱织物等。4.3.5拉挤成型工艺参数1.固化温度和时间2.浸胶时间3.张力及牵引力4.玻璃纤维纱的用量4.3.6拉挤成型设备1.送纱装置（纱架+导纱辑等+分纱器等）2.浸胶装置3.预成型模及成型模4.固化炉5.牵引装置6.切割装置4连续制板工艺及设备4.4.1连续制板工艺的发展现状及前景1.主要产品类型，连续胶纹板及连续平板2.发展趋势，变幅连续波纹板及平板，据报道，日本目前已有2m宽的连续
①拉挤工艺，90%用于 UP 树脂，另外，也可用环氧树脂和乙烯基酯树脂等。 ②拉挤工艺要求树脂基体具有较快的固化速率或较短的固化时间，尤其是连 续式拉挤成型工艺，以提高生产效率。 通常可加促进剂（针对 UP 和乙烯基酯），采用高效固化剂（针对环氧树脂） 如二元酸酐或芳香族胺类固化剂。 ③拉挤工艺专用 UP 树脂（P256，美国用于拉挤工艺的五种专用） 2. 增强材料 主要采用 GF，特殊情况也有采用 CF、KF、聚酯纤维，在 GF 制品中。 主要采用 GF 无捻粗纱：（集中性好，浸润速度快，制品轴向性能优异等）， 为提高制品的横向强度，有时也需要使用连续原丝毡带，无捻粗纱织物等。 4.3.5 拉挤成型工艺参数 1. 固化温度和时间 2. 浸胶时间 3. 张力及牵引力 4. 玻璃纤维纱的用量 4.3.6 拉挤成型设备 1. 送纱装置（纱架+导纱辊等+分纱器等） 2. 浸胶装置 3. 预成型模及成型模 4. 固化炉 5. 牵引装置 6. 切割装置 4 连续制板工艺及设备 4.4.1 连续制板工艺的发展现状及前景 1. 主要产品类型，连续胶纹板及连续平板 2. 发展趋势，变幅连续波纹板及平板，据报道，日本目前已有 2m 宽的连续
波纹板生产线（两幅），美国费龙公司研发成功3m宽连续胶纹板生产线（3幅）。3.贴膜技术已在连续胶纹板生产工艺中得到应用（单氟乙烯薄膜贴在波纹板表面可大大提高制品的耐候性及使用寿命）4.发展一机多用在一条生产线上可生产多种规格、多种用途的连续板。5.大力发展透明连续波纹板，广泛用于建筑采光工程及农用温室。9.4.2连续波纹板的类型及原材料目前连续波纹板通常分为三种类型一般耐候性波纹板（G板）阻燃型波纹板（S板）透明型连续波纹板它们的生产原理及成型技术基本相同，主要区别在于原材料选用。这里我们重点讨论耐候型连续波纹板的原材料选用。①树脂基体通常选用耐候型UP树脂，如间苯型UP、C196#、307#，现在也有采用聚烯酸酯等热塑性树脂，它们具有良好的耐候性，可通过紫外光但线膨胀系数标是热固性树脂数倍不适合温度变化较大的环境。②交联单体采用PMMA代替苯乙烯，可使防止UP树脂变黄，树脂粉蚀现象。③GF毡胶衣树脂，表面层，VR>70%④表面贴膜技术聚酯薄膜、线氟塑料薄膜紫外光吸收剂，UV-9、UV-21、UV-239.4.3连续制板工艺原理及设备连续制板成型设备分为横向波板成型机组纵向波板成型机组
波纹板生产线（两幅），美国费龙公司研发成功 3m 宽连续胶纹板生产线（3 幅）。 3. 贴膜技术已在连续胶纹板生产工艺中得到应用（单氟乙烯薄膜贴在波纹 板表面可大大提高制品的耐候性及使用寿命） 4. 发展一机多用 在一条生产线上可生产多种规格、多种用途的连续板。 5. 大力发展透明连续波纹板，广泛用于建筑采光工程及农用温室。 9.4.2 连续波纹板的类型及原材料 目前连续波纹板通常分为三种类型 一般耐候性波纹板（G 板） 阻燃型波纹板（S 板） 透明型连续波纹板 它们的生产原理及成型技术基本相同，主要区别在于原材料选用。这里我们 重点讨论耐候型连续波纹板的原材料选用。 ①树脂基体 通常选用耐候型 UP 树脂，如间苯型 UP、C196#、307#，现在也有采用聚烯 酸酯等热塑性树脂，它们具有良好的耐候性，可通过紫外光但线膨胀系数标是热 固性树脂数倍不适合温度变化较大的环境。 ②交联单体 采用 PMMA 代替苯乙烯，可使防止 UP 树脂变黄，树脂粉蚀现象。 ③GF 毡胶衣树脂，表面层，VR＞70% ④表面贴膜技术 聚酯薄膜、线氟塑料薄膜 ⑤紫外光吸收剂，UV-9、UV-21、UV-23 9.4.3 连续制板工艺原理及设备 连续制板成型设备分为 横向波板成型机组 纵向波板成型机组
一、横向波板连续成型原理及设备（P265、图9-21）放布（辊）→浸胶（槽）→成型（机）→固化（主）→胶卷（辊）我们重点介绍横波的形成：轮型链带森芯“夹芯带”：浸胶后的GF布或毡两面覆盖玻璃纸，防止空气中的氧对树脂的阻聚作用，及防止树脂粘附成型辊，获得光滑表面。成型区：由链带及安装在链带上的成型轮组成，成型轮的半径较定波纹的波峰、波谷大。波纹方向：垂直于机组运行方向，因而为横波。二、纵向波板连续成型原理及设备（P266，图9-22）1.横置成纹模板预成型装置200mm2R
一、横向波板连续成型原理及设备 （P265、图 9-21） 放布（辊）→浸胶（槽）→成型（机）→固化（主）→胶卷（辊） 我们重点介绍横波的形成： “夹芯带”：浸胶后的 GF 布或毡两面覆盖玻璃纸，防止空气中的氧对树脂 的阻聚作用，及防止树脂粘附成型辊，获得光滑表面。 成型区：由链带及安装在链带上的成型轮组成，成型轮的半径较定波纹的波 峰、波谷大 。 波纹方向：垂直于机组运行方向，因而为横波。 二、纵向波板连续成型原理及设备 （P266，图 9-22） 1. 横置成纹模板预成型装置
“上模夜下模板B-B说明：①横板固定，上横板可以调节（高度），以满足不同厚度的板材；②成型区前2m为波纹变化区，横板上的波纹由浅入深，由宽到窄；③成型区后2m为波纹定型区，波长70mm，波纹数11，曲率半径17mm。2.成型鼓轮装置（P267，图9-2、9-24）3.指状成纹预成型装置（图9-25）
说明： ① 横板固定，上横板可以调节（高度），以满足不同厚度的板材； ②成型区前 2m 为波纹变化区，横板上的波纹由浅入深，由宽到窄； ③成型区后 2m 为波纹定型区，波长 70mm，波纹数 11，曲率半径 17mm。 2. 成型鼓轮装置（P267，图 9-2、9-24） 3. 指状成纹预成型装置（图 9-25）