漫话FRP/CM行业的技术进步-----中国玻璃钢工业协会 陈博

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相比传统材料，FRP只是一个小弟弟。2004年全世界钢材产量突破10亿吨，我国产量达2.7亿吨，，相当于美国、日本、德国、法国、意大利、英国的总和（从2001到2004年年均增长20.8%）。全球玻璃钢的产量约700万吨，我国去年产量逾140万吨，超过欧洲、日本，居世界第二位。根据我国发展指导性规划，2015年FRP产量将达到180万吨，将超过迄今美国。欲使我国FRP/CM行业真正做大做强，从劳动密集型成长为技术密集型，除坚持科技是第一生产力外，别无他途。
一、材料技术包含五个方面
复合材料的技术可归纳为五个方面：设计、原辅材料、工艺、设备及测试。
设计水平基于复合材料力学、原辅材料、工艺、设备乃至测试等知识的总汇，当然还需要美学、心理学等多方面知识。一个合格的复合材料工作者必须要掌握这五方面的基本知识；一个较好的复合材料公司要具备这五方面的合格人才。
下面结合我国FRP/CM行业的发展，重点谈谈原辅材料、生产工艺及技术装备。
二、    原辅材料
1、    增强材料：我国已能高品质规模化生产合股与直接无捻粗纱、无捻粗纱布、单向布、BMC热塑性树脂短切纱、短切原丝
毡、湿法薄毡、缝编毡、缝编织物及其复合毡、多轴向织物，唯连续毡湿态强度尚不能满足拉挤成型的要求。
最近常州吴氏公司成功开发了3D玻纤织物芯材及其生产设备。这种芯材采用玻纤编织两面层之间由立着的纱联成一体的空间织物。世界上仅个别国家能生产。可用于制造双壁管、双壁罐、绝热隔音板、造船等。相信会引起国内外复合材料业者的关注。

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众所周知，碳纤维与芳纶仍是制约我国发展先进复合材料的瓶颈。
目前我国连续玄武岩纤维的生产技术已大体相当于俄罗斯、乌克兰的水平。2003年我到俄罗斯纤维研究院交流，他们玄武岩拉丝不断头，原丝筒达2公斤水平。我国“863”项目已达到2.8公斤的水平，现已开发成功耐高温过滤毡、防火服等产品，在电厂混凝土冷却塔  上成功得到应用。玄武岩纤维耐化学性、耐水性、工作温度范围、弹性模量等性能优于玻纤，据称其与环氧树脂的结合优于玻纤，俄罗斯用其生产高压复合材料管。碳纤维模量、强度高，但它导电传热，不能透波、有屏蔽作用，而玄武岩的性价比较理想，现已用于建筑结构补强，在国防军工上的应用更是方兴未艾。据悉1975年7月17日美国“阿波罗” 号载人宇宙飞船与苏联”联盟——97“首次在空间实现对接，而美国“阿波罗”号结构上就采用了前苏联提供的玄武岩纤维。
面对如此众多的纤维增强材料要善于选择应用。举个最简单的例子，短切毡所用粘接剂有粉状与液状两种，这两种粘接剂的短切毡均可以手糊法生产大面积、非大量生产的产品，然对采光要求的板材或对于直径较小、曲率较大结构的制品，则以采用粉状粘接剂的短切毡为佳。
国内已有将热塑性纤维（如PA、PP）与玻纤混编的缝编织物，可直接将其热压成玻璃钢制品（如滑雪板、帆板）。
鉴于同样重量的缝编织物与方格布，前者强度高（前者纤维平直，后者弯曲），若强度相同，所用缝编织物量就比方格布轻，可奏减少制品重量与降低成本之效，且对树脂的浸渍性较好。在制作管道或贮罐内衬时，缝编毡因有线缝，工人操作工艺性较好。往复式交叉缠绕玻璃钢管道时，管道两端的“过渡段”纤维缠绕角大，轴向强度不够，需采用单向布与短切毡补强。
2、武汉理工大学王均教授称：“人们制作复合材料制品往往从成型工艺入手，我的主导思想是先从原材料着手，解决问题。”我觉得很有道理。他们已研发成功浇铸体Tg190℃的环氧树脂，其热变形温度为270℃，弯曲强度大于100MPa，模量达4.4Gpa；还开发了适应不同FRP成型工艺的低粘度树脂及高效低成本低收缩树脂添加剂。国产紫外光固化不饱和聚酯树脂与胶衣已在轨道车辆上推广应用，充分发挥其固化快、固化度高、污染小的优点。不久前我在巴黎JEC展会上看到国外有一家公司（CIBA）展出此类树脂，据称：1）生产周期提高3～4倍；2）VOC（挥发性有机化合物）——苯乙烯减少10%～30%；3）不用过氧化物固化剂与钴盐促进剂，而这两种材料的储存、运输、使用都必须倍加小心；4）树脂储存期较长——至少半年；5）比加热固化节能，且物理性能相当；6）延长树脂工艺线上的“生存”时间；7）可灵活调节生产节奏。
华东理工大学研发了热变形温度高于间苯树脂而价格又十分富于竞争力的树脂。
天和树脂公司开发的芳基乙炔聚合物可作为新型耐烧蚀材料，其浇铸体Tg316℃，起始热分解温度达503℃，900℃时成碳率达84%。
加拿大RS公司推出了可用于拉挤成型的PU树脂，我用PU多用于泡沫塑料，没有FRP用的液状树脂。据介绍，PU树脂与UP树脂比较，其拉伸强度、层间剪切、拉伸模量、无缺口冲击、延伸率分别为13倍（原文如此，疑有误）、3.44倍、2.35倍、0.43倍，当玻纤含量75.8%时，采用PUR的拉挤型材热变形温度大于200℃，拉伸强度大于900 MPa，压缩强度大于540 MPa，弯曲强度大于1.15 Gpa，值得关注。

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近年开发成功许多高、中温固化用的引发剂，提高SMC/BMC、拉挤等工艺的生产效率（下述之），达到节能与减少设备与模具的投资效果，希望引起有关生产企业的重视。
助剂、填料的合理使用，可奏改善工艺性、提高产品质量及降低成本之效。如高压玻璃钢管端螺纹原用磨碎玻纤，后改用复合矿物填料，性能完全符合要求，而成本仅为原来的1/40。
三、    管道与贮罐制造技术
1、    玻璃钢管道生产工艺可分为往复式交叉缠绕、连续缠绕（钢带法是比较成熟的）、离心浇铸法三大类，其各自优缺点此不赘述，其选择与产品对象、同种尺寸产品生产规模、企业投资能力等因素有关。第一种方法灵活性大，高压管、顶管、牵引管都能做，且投资少，目前拥有8台机器（内衬制造、缠绕夹砂、修整、脱模各1台、固化站4台）的一条完整生产线不足国际价格的1/8。连续管不存在往复交叉缠绕因在过度段两断缠绕角变大导致两端轴向强度低而需纵向补强的问题，且人为因素小，管子质量稳定，故在工作压力不高、同一规格产量大时，可考虑采用连续管生产线。

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国际上钢带式连续管线最早是由丹麦发明，美国与意大利买了丹麦的专利，各自又加以发展，以色列也转让技术，以公司总工系原美OCF公司的工程师。技术水平差不多，现都加有纵向补强与湿法夹砂装置。这种设备报价不菲，如一定要买，务必货比三家，选择性价比优者，不要为“合资“诱饵上当，天下没有掉下来的馅饼。
2、    往复式纤维缠绕玻璃钢管，当初引进技术，缠绕角多为54.7º，这是按arctgɑ2 =2,即径向力与轴向力是2：1考虑的。此系圆柱形容器（两端封闭）的情况，实际上一般地埋管安装后轴向力要小得多。

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在JB/T838标准上表4、表5分别列出了有、无长期静水压设计基准时的最小环向拉伸强度，表6列出了最小轴向拉伸强度，将表中所列不同直径、压力等级的最小环向拉伸压力与相应最小轴向拉伸压力一一作出比值，得出结果是0.79～8.68及1.19～13.64，这说明按55 º角缠绕在大多数情况下是不合理的，要满足工况要求，材料（纤维与树脂）量要大得多。我会在几年前的管道技术交流会上多次讲明这个道理，近几年大多企业已能正确选择缠绕角，并亲身体验到好处：纱用量少了，缠绕快了。
3、近年国内研发成功，并取得自主知识产权的下加砂、斜加砂对提高加砂量、降低树脂用量、提高生产率取得明显效果；加砂层施以辊压对提高管体致密度、提高刚度、强度有利，望业者及早采取积极措施，不要学鸵鸟视而不见，吃亏的是自己。
4、国内高压管生产技术原型主要是美国史密斯与工程技术公司的技术。高压管的特点有三：1）采用力学性能好的环氧或乙烯基酯树脂；2）无内衬层；3）螺纹连接。设备主要要考虑消除芯轴挠度。目前环氧树脂主要采用酸酐固化剂。一般是甲基四氢邻苯二甲酸酐，加入量为树脂的70%；促进剂用季胺盐（苄基三乙基氯化胺，加入量为树脂的2%。据无锡树脂厂原总工程师查文海先生讲，他认为甲基氢苯酐应加到80%以上，因为促进剂本身也消耗一部分固化剂。酸酐固化剂的管道工作温度为80℃以下，对胺类固化的在110℃以下。
今年JEC会上，荷兰ACP公司介绍了牵引——缠绕高压玻璃钢柔性管生产技术，其多个“缠绕站”绕芯轴（分析芯轴可能是悬臂的）缠绕玻纤，而管道则藉履带（类似拉挤）牵引之。其特点是：采用光固化环氧树脂，管道可连续生产，最大长度达5公里（无接头）。

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5、关于耐磨管，内壁以陶瓷为宜，山东中材先进材料公司承担国家重点新产品项目“高耐磨陶瓷/玻璃钢复合材料管道”。上海耀华玻璃钢公司用氧化铝陶瓷片及用铸石做耐磨管内壁，取得了成功的经验。至于用纳米改性树脂作内衬层，个人认为作用有限，还不如用聚氨酯、聚脲做内壁，PA、PVC也差强人意。
6、对安装介质温度较高、腐蚀性较强的储罐内壁，可考虑采用氟塑料内衬，除PTFE外，PVDF、ETFE、PFA、MFA等亦可选用，以达好的性价比。氟塑料制品有管、膜、背覆玻纤布的衬层板，可酌选用，与FRP复合之，达到理想的效果，非一般树脂内衬可比也。
7、武汉理工大学李卓球教授近年成功开发玻璃钢顶管设计与施工技术。在广州市污水主干管工程中DN2.5 m与DN2.27 m，全长分别为2.735公里与2.145公里，地质情况复杂，是泥水平衡式顶管中采用大口径玻璃钢管的范例，达到国际领先水平。
8、压力容器技术瓶颈在内衬，尤其要注意衬体的防冷脆性和螺纹密封，瑞典已开发成功无内衬LPG瓶。
四、SMC/BMC
不久前通过行业鉴定的“快速固化智能SMC技术体系研发及应用项目”采用了复合引发剂，开发了重型汽车部件的结构优化设计与快速成型规模化生产技术。部件尺寸达2.1×0.8 m，重型卡车前翻转板与左右翼子板成型周期从240S、300S缩短到150S、180S，模压能耗降低33%～40%。
结晶性UPR研制成功为低温低压SMC技术创造了物质条件，目前水平是模具温度100℃，压力2 Mpa。 原需1800℃的压机，现在600吨就够了（当然压机台面尺寸要与产品尺寸相适应），这就大大减少了设备投资。
天津市天锻压力机有限公司承担的40,00KN玻璃钢制品液压机正开发中。“天锻”压机可带有移动工作台,便于工人操作；采用西门子触摸屏闭环控制，提高了整机控制精度与工作稳定性。现出厂的2500吨压机的滑块下行速度10～500mm/s，工作速度精确到0.5～5mm/s。并可实现异地监测与控制。
台商已在江苏生产BMC注射机，广东省也开发成功BMC注射机。采用BMC注射产品，可提高生产率与成品率，对产量较大、形状复杂的、较小的产品，采用注射比模压合适。汽车前灯反射面就是BMC注射成型后真空镀铝而制成的。
四、    关于FRTP

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国家“863”项目成果基础上，由华东理工大学与江苏双良设计制造的GMT生产线，经一年磨合后，性价比较泊来品具有竞争力。鉴于目前国内GMT年消耗量仅1千余吨，而国内已有的一条线年产能力达3千吨，这点提请拟上GMT生产线的单位注意。

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LFT-D（在线长纤维增强热塑性塑料）较GMT节能、效率高、成本低，其优势自不待言。上马与否的前提是真正市场的需求量。GMT与LFT的对象主要是汽车工业，国内一些主要汽车公司由外商控制，如在北京顺义的韩国现代公司，其GMT零部件就是由韩国韩华公司提供的。上GMT与LFT与否必须做好市场调查，如有良好的市场前景，个人认为LFT以引进德国或美国的技术为宜。
日本旭硝子公司原制造的GMT生产线现搁置未用，关键还是市场。
目前国内FRTP以注射、挤出为大宗，产量达30万吨，而GMT不足1/30，这种局面能否改观，关键在于我国汽车工业能否真正自主国产化。
    欧洲与日本近年开发成功PP纤维增强PP复合材料（All-PP）。轻质、高强、冲击韧性好，更好地解决了回收与环保，是GMT、LFT后的又一新型复合材料，值得关注。
六、拉挤
1、拉挤所用的固化剂历经早期从美国引进设备带来的配方TBPB（过氧化苯甲酸叔丁酯）+MEKP（过氧化甲乙酮），台商带进来、目前使用较多的TBPB+BPO（过氧化苯甲酰），后者比前者拉挤速度提高40%～60%；现在TBPB+TBPO（过氧化异辛酸叔丁酯）正推广中，其拉挤速度可较第二种快50%，且型材表面质量有所提高。BPPD（过氧化二碳酸二苯氧乙基酯）被称为新型拉挤高效固化剂，可单独或与TBPB和（或）BPO同时使用。在模温T1=85～140℃、T2=130～170℃拉挤速度可达2m/min。
2、玻璃钢筋的制造方法笔者分析有四种：