浅谈真空灌注工艺成型条件及常见缺陷修复

沈 葛，孙 洲

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300456)

浅谈真空灌注工艺成型条件及常见缺陷修复

沈 葛，孙 洲

(天津东汽风电叶片工程有限公司 天津300456)

真空灌注工艺是玻璃钢成型的主流工艺，相比玻璃钢手糊成型工艺有很多优点。分析了两者的区别，对真空灌注工艺的成型条件进行了阐述，提出真空灌注工艺材料和工艺原因都可能导致出现不同的缺陷，而缺陷修复的方式也不相同。

真空灌注工艺 手糊工艺 材料选择 工艺研究 缺陷修复

1 真空灌注工艺和手糊工艺对比

1.1 真空灌注工艺简介

真空灌注工艺的原理是：在真空状态下排除纤维增强体中的气体，通过树脂的流动、渗透，实现对纤维的浸渍(见图1)。

图1 真空灌注工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of the vacuum infusion process

1.2 真空灌注工艺和手糊工艺的优缺点比较

手糊工艺是一种开模工艺，它的优点是在模具的形状改变上有很大的自由度，模具价格低、适应性强。但该工艺也存在一系列问题，如可挥发有机物(VOC)超标、对操作人员的健康影响大、人员易流失、需用材料限制多、产品性能低、树脂用量大且浪费多等，尤其是产品质量不稳定，产品的玻璃纤维含量、制件厚度、生产效率等都受操作人员的影响，要求操作人员有较好的技术、经验和素质。手糊产品的树脂含量一般在 50%～70%左右。开模工艺的 VOC排放超过 500,mg/mL，而各国规定都在 50～100,mg/mL，苯乙烯的挥发量高达使用量的 35%～45%。目前国外大都改用环戊二烯(DCPD)或其他低苯乙烯释放树脂，但苯乙烯作为单体还没有好的替代品。

真空灌注工艺是近20年来发展的低成本制造工艺，尤其适合于大型产品的制造。其优点如下：

①产品性能优良，成品率高。在同样原材料的情况下，与手糊构件相比，真空灌注工艺成型构件的强度、刚度及其他物理特性可提高 30%～50%以上(见表1)。工艺稳定后成品率可接近100%。

②产品质量稳定，重复性好。产品质量受操作人员影响小，不论是同一构件还是各构件间都存在高度一致性。产品的纤维用量在注入树脂前已计算好，构件有相对恒定的树脂含量，一般在 30%～45%，因此产品性能的均匀性和重复性比手糊工艺产品好得多，缺陷也少得多。

表1 典型聚酯玻璃钢性能比较Tab.1 Performance comparison of typical FRPs

③抗疲劳性能提高，可减轻结构重量。由于制品纤维含量高，孔隙率低，产品性能高，尤其是层间强度高，大大提高了产品的抗疲劳性能。在强度或刚度要求相同的情况下，采用真空灌注工艺制作的产品可减轻结构重量。

④环境友好。真空灌注工艺是一种闭模工艺，挥发性有机物和有毒空气污染物均被局限在真空袋中。VOC排放不超过50,mg/mL的标准。这大大改善了操作人员的工作环境，稳定了劳动人员的队伍，也扩大了可用材料的范围。

⑤产品整体性能好。真空灌注工艺可同时形成加强筋、夹芯结构及其他嵌件，提高了产品的整体性，因此可制造大型制品。

⑥制品精度好。真空灌注工艺产品的尺寸精度(厚度)优于手糊制品。在同样的铺层下，一般真空灌注工艺产品的厚度为手糊制品的 2/3。产品厚度偏差约为±10%，而手糊工艺一般为±20%。真空灌注工艺产品的表面平整度也优于手糊制品。

目前真空导入工艺也有一定缺点：①准备工序时间较长，较为复杂。需要正确的铺层铺设导流介质、导流管，进行有效的密封。②生产成本较高，并产生较多的废料。如真空袋膜、导流介质、脱膜布及导流管等辅助材料大都是一次性使用，但产品尺寸越大，差别越小。③工艺制造有一定的风险。尤其是大型复杂结构产品，一旦在树脂灌注过程中失败，产品易报废。因此要有较好的前期研究、严格的工艺控制和有效的补救措施，以保证工艺成功。

2 真空灌注工艺成型条件

2.1 材料选择

根据玻璃钢制品的应用条件确定对材料强度的要求，在满足强度要求的前提下选择符合工艺条件的材料，此时必须综合考虑材料的兼容性以及材料对工艺的适应性。

2.1.1 树脂

真空导入工艺要求树脂体系粘度低(一般为100～400,mPa·s)，树脂仅在真空压力作用下完全浸渍增强材料。不同的工艺对凝胶时间有不同要求，凝胶时间的可变易控是实现成功灌注的关键之一。在选择树脂时，应保证树脂粘度变化小，固化放热峰值适中。高放热峰会损坏模具甚至成型构件。由于真空灌注工艺中通常有加强筋，树脂应具有较高的延伸性能。[1]环氧树脂及改性环氧树脂以其优异的力学性能和综合性能，一直以来是先进复合材料使用的主打树脂基体。近年来国外针对降低真空灌注工艺成型温度，开发了多种低粘度环氧树脂，国外公司真空导入树脂的发展趋势是针对阻燃、低烟、低毒性及降低成型温度等要求开发低粘度环氧树脂，涉及的树脂包括双酚A、双酚F和有机硅改性环氧树脂体系。[2]

2.1.2 纤维织物

要求表面浸润剂与真空导入树脂相匹配，编织方式、纤维克重与制品设计结构相符，透气性好、适用性强，易形成与制品相同的形状。

2.1.3 导流介质

导流介质铺设在玻璃纤维预制件上面，其渗透率要远高于脱模介质及玻璃纤维预制件的渗透率，树脂在导流介质内快速流动，同时树脂从导流介质内渗出，自上而下缓慢浸渍玻璃纤维预制件。

2.1.4 脱模介质

脱模介质的作用是将玻璃纤维预制件和渗透介质隔开，使制品固化后易于脱模。脱模剂采用外脱模剂，将其涂在模具内表面，主要脱模剂有：石蜡类、硅质类、聚乙烯醇类等。[3]

2.1.5 密封材料

真空袋膜一般采用 50,μm 或 70,μm 的挤出柔性尼龙薄膜。真空袋密封材料成粘稠状，铺放于模具边框，以保证真空袋膜的密封性。在真空成袋过程中，密封材料具有足够的“粘性”，可以粘接在各种表面上，同时其“粘性”不能过大，以保证固化脱模后，能将其及时清理掉。

2.1.6 真空泵

要求真空度好，大型制件要求有高排气速度。

2.2 工艺研究方法

真空灌注工艺要求在真空状态下完成树脂对纤维材料的充分浸润，然后通过树脂本身交联固化反应放热和辅助加热获得满足强度要求的玻璃钢制品。

2.2.1 树脂的流动性研究

在真空导入工艺中，主要是采用达西定律(Darcy’s Law)(公式 1)来描述树脂在预制件中的流动过程。[4]

其中：v为树脂流动速度；K为预制件渗透率；μ为树脂粘度；ΔP/Δx为压力梯度。

在达西定律中，树脂被认为是不可压缩的、粘度不随切变速率影响的牛顿流体。玻璃纤维预制件被看作多孔介质，其特性可用孔隙率和渗透率来表征，它们影响树脂在预制件中的流动方向和速度，因此决定着复合材料成型时需要的真空压力、流动时间和流动途径等关键参数。

树脂的流动可分为两类：由压力梯度决定的浸润或宏观流动(纱线束间)的流速；由纤维毛细管压力和表面张力决定的浸透或微观流动(纱线束内)的流速。

影响流速和流道的因素包括：原材料、导流介质、铺层和真空度等。两种速度必须相当，流动前锋一旦汇合，就很难排出所包裹的气体，在微观层次上排除气体要受到树脂粘度和纤维束周围表面张力的影响。

在工艺中要防止由于不合理铺层等导致的“短路效应(cutline)”，在这些低阻力区，树脂流动速度会增加 10～100倍，使工艺不能在预想的情况下进行。通过对树脂流动过程的研究，可预先发现工艺中潜在的问题，使工艺达到优化。

2.2.2 预制件的压缩行为研究

在真空导入工艺中，还要知道最终产品的厚度和纤维含量。由于真空袋是柔性的，不能直接控制产品的厚度，产品厚度及纤维含量和预制件的压缩行为有关，包括纤维在压力下的压缩和松弛行为，以及纤维和树脂间的相互作用。

试验表明，产品厚度是随着树脂流动方向改变的，离真空源越远，树脂含量越高，相应纤维含量越低，产品越厚。在真空导入工艺中预制件受到的外压是大气压(Patm)，这个压力有树脂压力(rP)和纤维结构支撑(Pf)(公式2)。

树脂在进口处的压力为一个大气压，其流动前锋的压力为零，树脂压力从出口处到进口处，其压力是从0到1个大气压的分布，离开出口处越远树脂压力越大，相应预制件受的压力越小，纤维受压缩也越小，厚度也较大。在树脂到达出口处后，关闭树脂进口，而继续保持真空出口，使压力稳定地减少，从而使预制件进一步压缩，可减缓厚度不均的现象。

织物在浸润过程中的压缩行为描述：当树脂未到达前，织物处在干态下，织物内的支撑力等于大气压，此时织物达到最大的压缩变形。在树脂到达后，开始浸润，这有两个过程，首先是树脂对纤维的润滑作用，引起纤维的重排，使织物进一步压缩，这时在外力作用下，由于纤维重排引起压缩量的增加。当树脂压力继续升高时，由于外力不变，由公式(2)知，纤维承受的压力相应减少，从而发生回弹，织物的压缩量减少，预制件厚度的变化取决于这两个过程的综合作用。

理论上影响预制件织物渗透率的因素只与组成织物的纤维材料类型和比例、纤维含量、预制件的结构以及孔隙率等有关，和树脂的化学特性无关。但在实际测试中纤维毛细管压力、流动速度、注入压力、不同试验流体等都对渗透率有不同程度的影响。此外如上所述，预制件的渗透率和孔隙率在真空导入工艺过程中是发生变化的。纤维排列越有序，织物的松弛行为减轻，玻璃纤维毡和粗纱布的松弛行为越明显，单向玻璃纤维纱的松弛行为就不太明显，在树脂注入前对预制件反复施加压缩-松弛周期，可减少产品的富树脂区。

2.2.3 真空灌注工艺控制研究

纤维预制件中树脂流动检测装置，包括硬件(数据采集系统)和软件(控制和数据分析系统)。通过检测平台，可以获得导入过程中树脂在预制件中到达的位置。真空导入工艺中控制模型的研究很多，其内容包括：树脂在预制件中的流动模型、预制件在真空压力下的压缩和松弛行为模型及树脂粘度和固化反应动力学模型。其数据处理通常采用相应面法：把模型分成许多有限元，再围绕节点，把有限元分成更小的单位，构成控制元，用有限元计算树脂在浸润区的压力分布，用达西定律计算流动速率，用控制元和填充因子跟踪树脂流动前锋的位置。[5]

3 缺陷修复方式

合适的材料和优化的工艺条件能保证真空灌注工艺获得优质的玻璃钢制品。真空灌注工艺对工艺条件的苛刻要求也造成工艺质量风险较高。材料体系的不兼容、真空体系无法完全保证、导流体系的不合理都会导致不同程度的玻璃钢制品缺陷。玻璃钢制品最常见的缺陷有：纤维预制件局部未被树脂浸润；纤维预制件被树脂浸润后内部或表面有白斑、气泡；纤维预制件被树脂浸润后纤维布层之间分离；纤维预制件被树脂充分浸润后固化不足，玻璃钢制品强度不够；纤维预制件被树脂充分浸润后经过充分固化，玻璃钢制品仍然达不到设计强度。

针对玻璃钢制品的缺陷，修复方式有两种：复原和补强。复原：清除缺陷，在缺陷区域按照原结构进行二次纤维铺放和灌注以及后固化。补强：保留原有缺陷，在缺陷区域增加纤维铺放。根据缺陷的情况以及修复的难度，通过对修复方式的强度校核单独或同时选择合适的修复方式。

作为修复手段，复原和补强都不可能达到原有设计强度和成本的平衡，而且复原和补强的效果也需要用强度校核作为理论依据。真空灌注工艺中由于真空体系和导流体系问题导致的小范围制品缺陷可以修复，大范围的缺陷或材料体系导致的缺陷，考虑成本因素，基本是无法修复的。

4 结 论

真空灌注工艺是一种低成本制造工艺，相比手糊工艺优点明显，尤其适合于大型产品的制造。选择合适的材料能提高工艺的稳定性，确保产品质量，有效节约生产成本。工艺理论的研究能够为实际生产过程中的材料选择和工艺确定提供支持。缺陷修复是追求制品强度和成本的平衡，而选择合理的修复方式能提高产品的利用率，节约成本。

［1］ 李新华，祝颖丹，王继辉，等. VIMP成型工艺用不饱和聚酯树脂的研究[J]. 武汉理工大学学报，2002，24(8)：3-6.

［2］ 洪晓斌，谢凯，刁岩，等. 真空辅助成型(VARI)用低黏度环氧树脂研究进展[J]. 化工新型材料，2006，34(8)：15-17.

［3］ 张锐，郑威，袁秀梅，等. 复合材料的真空辅助成型工艺控制[J]. 工程塑料应用，2005(6)：34-36.

［4］ 贝尔，李竟生，陈希译. 多孔介质流体动力学[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

［5］ Dong Chensong. Development of a process model for the vacuum assisted resin transfer molding simulation by the response surface method[J]. Composites，2006：Part A：1316-1324.

Moulding Conditions of FRP Vacuum Infusion Process and the Repairing of Common Defects

SHEN Ge，SUN Zhou
(TianJin DongQi Wind Turbine Blade Engineering Co.，LTD.，Tianjin 300456，China)

Vacuum infusion is the main process of FRP moulding. Compared with handing lay-up process，it has lots of advantages. The differences of the two processes were discussed in the paper. Besides，moulding conditions of vacuum infusion were described. It was concluded that different defects may arisedue to material selection and the technique itself and the ways of repairing vary as well.

vacuum infusion process；hand lay-up process；material selection；process study；defect repairing

TH48

A

1006-8945(2014)06-0088-04

2014-05-09