真空树脂导入成型工艺与手糊工艺的对比分析

胡敏

（上海之合玻璃钢有限公司，上海 201210）

真空树脂导入成型工艺是指在模具上铺“干”增强材料，例如玻璃纤维、碳纤维及夹心材料等，然后用真空袋进行密封，抽出体系中的空气，在模具型腔中形成一个负压，再利用真空产生的压力把不饱和树脂通过预铺的管路压入纤维层中，让树脂浸润增强材料最后充满整个模具，制成品固化后去除真空袋材料，从模具上得到所需的制品[1]。真空树脂导入成型目前趋向于一种相对高性能低成本的成型技术，正是由于其低成本的特点，尤其适合于大型产品的制造，随着游艇、汽车外壳、风力发电叶片等制品上的应用已被越来越多的认识和采用，其理论基础是基于达西定律[2]。而手糊工艺作为具有较长历史的开模工艺中的一种，其对于模具形状方面有广泛的自由度，在玻璃纤维增强的聚酯复合材料中应用比例也比较高[3]。同时手糊工艺模具售价低、适应性强，因此更加适合小公司及一些船舶及航空航天产业[4]。2种工艺在分别具有各自优势的同时也都存在一定的短板。因此，应该通过深刻分析2种工艺各自具备的优缺点、服务的方向及使用产品范围等，探寻2种工艺控制上的难点，明确两者的应用领域，提高制造产品的物理性能的同时，有效控制和减少制造成本。

1. 真空树脂导入成型工艺

1.1 真空成型（真空导入）工艺原理

真空导入工艺即在模具上铺增强材料，然后铺真空袋，排空体系中的空气，让模具型腔形成负压的状态，利用真空产生的负压把不饱和树脂通过预铺的管路压入纤维层中，使增强材料完全被树脂浸润，最后充满整个模具[5]，制品固化后除去真空袋材料，从模具上得到所需的制品[6]。真空树脂导入成型所依赖的知识是达西定律：

式中，t表示时间；L表示注射长度；n表示黏度；DP表示压力差；k表示渗透率。由此公式我们可以相应的计算各个参数之间的相互影响关系，同时针对不同的成品要求设置不同的参数。

1.2 工艺的优点

（1）较容易展现具有高重复率的高品质成品。真空树脂导入成型工艺得到的产品，其品质高低在很低水平上与产品的操作人员职业水平有关，在相同构件或者是彼此间不同得各构件间都有比较好的一致性。产品的纤维用量在注入树脂前已按规定的量放入模具中，构件也有相对恒定的树脂比，因此产品性能较为平均，且可以重复度也较高，调查研究发现真空环境下树脂浸润玻纤与传统制造工艺相比，制品中的气泡极少[7]。在制作过程中体系不需要额外的树脂，比较节省树脂的浪费，同时有高达70%及以上的玻纤含量，有可能出现更高。制得的成品体积小且轻，树脂用量减少30%，损耗率低于5%。强度更高，工艺成型构件的强度、刚度及其他物理特性可提高30%～50%，批次之间也非常稳定，因此经过该工艺的制品质量更高。

（2）抗疲劳性能提高，可减轻结构重量。由于采用该工艺的制品纤维含量高且孔隙率低，促使其具有很好的产品性能，其中该工艺产品层间强度的提高可以有效地改善产品的抗疲劳性能。在特定的条件下，如强度或刚度相同时采用该工艺制备的产品可明显的降低结构重量，其在航空和船舶工业中具有明显的优势。

（3）极大减少对环境的污染。闭模工艺主要出现在真空树脂导入工艺，在制作成品的过程中，不仅原料不会撒至外面，同时一些具有挥发性质的有机污染物和有毒气体也不会挥发，保留至相应的袋子中。只有在排气和打开树脂桶时有较少的挥发物，这种工艺使工作人员具有一个良好的工作环境，促进产业的进一步发展，也使得材料具有环保安全的特点。

（4）成品比较完整。在此工艺中加强筋、夹芯结构及其他相关嵌件都可以同一时间完成，成品的结构具有良好的匹配度，质量较高，因此成品材料可以广泛应用于飞机机罩、船体等大型建筑品。

（5）节约原材料及成本。使用真空导入工艺，可以精确预算树脂的用量，即可使得树脂的损耗达到最少，因此避免了原材料的浪费，进而节约了成本。在同样铺层时，树脂用量减少30%，树脂损耗率低于5%，生产效率比较高[8]。

（6）制品效率高、用时少。真空树脂导入工艺对模具的数量及质量都具有较低的要求，通常情况下良好的成品制作过程仅需要一面模具，不仅降低成品的制作时间，同时也大大提高工作效率。

1.3 工艺的缺点

（1）产品的应用领域较少。成品的形状比较单一且简单，适合大批量生成形状一致产品。真空导入工艺需要质量较好的模具，导致制造成本相对较高。

（2）制造工艺存在一定风险，容易出现废料和废品。真空树脂导入工艺一但出现瑕疵通常难以修复。

（3）准备工序繁杂耗时。主要涉及一些小产品来说，由于工序多，所以会比手糊工艺更加费时。

2. 手糊工艺

2.1 手糊工艺的工作原理

手糊工艺的基本原理是将包含固化剂的树脂均匀抹在模具上，然后在上面平铺一层玻璃纤维布，过程中注意排除气泡，再反复进行此操作，直到达到要求的制品厚度。然后通过施加额外的压力，通过加热使模式定型，最后脱模得到成品[9]。

2.2 手糊工艺的优点

（1）设备简单，操作容易。只需简单的模具，模具价格通常较低，只需少量的工具即可实现操作，成品的形状可以较为随意进行设定，依据工艺的不同可以设置比较复杂和多余的形状，一般大尺寸的成品且所需要的数量较少的产品更容易制作。手糊工艺一般具有见效快，可适应性强等特点[10]。

（2）生产技术易掌握，培训时间短。只需要经过简单的培训即可生产出商家满意的产品，同时针对商家对产品的不同部分的要求，可以随意加入增强材料，这样不仅可以生产出耐用的产品同时可以降低经济花费。

（3）产品灵活度比较高。手糊工艺所得到的产品可以形状复杂、尺寸较低等，有比较大的灵活性。

（4）易于与其他材料复合。此类产品其塑造性比较强，很容易和金属、泡沫等材料形成性能较为优异的复合材料[11]。

（5）时间空间限制较低。制作场地较为灵活，不受限制，特别是一些不适宜运输或运输成本过高的大型制品，如大罐皆可现场制作。

2.3 手糊工艺的缺点

（1）造成环境损害。手糊工艺受工艺方式的限制，其生产环境污染性较大，如VOCs、臭味、粉尘等。相关研究发现采用手糊工艺的产品的树脂含量高达50%～70%，且采用开模工艺的VOC排放超过500PPm，苯乙烯的挥发量高达使用量的35%～45%[8]。而各国都对可挥发有机物有一个严格的控制标准。目前环戊二烯或其他低苯乙烯物质部分替代苯乙烯，但就产品质量而言，还没有一种物质可以更好地取代苯乙烯。这样就使操作人员的工作环境受到很大挑战，损害操作人员的健康，导致操作劳动力人员易流失[10]。

（2）对原材料要求较高。对于原材料有很多限制。

（3）原材料损耗多，成本较高。用手糊工艺制造出的产品性能低，产品质量不稳定，原材料树脂浪费严重并且使用用量大。

（4）较多操作程序与操作人员的水平呈强相关。不同专业的操作人员，在调控玻纤和树脂比例、选择合适宽度的部件以及制造层材的速率和均匀性等方面都具有不同的水平，这对操作人员提出了较高的要求标准。同时，制作环境也会对产品的质量产生影响[12]。

（5）效率低，周期长。整个操作过程比较适合小批量生产体型较少的产品，生产过程需要较长时间，对需要较大产量的产品有一定的劣势。

3. 真空树脂导入成型工艺与手糊工艺的发展展望

随着工业的快速发展，技术管理水平与施工单位的效益呈正相关，技术管理水平越高，施工单位获得高的效益的可能越大，既包括经济效益也包括社会效益。正是由于工程项目的飞跃式发展，对技术设备及工艺手法的要求越来越高，因此操作人员的技术水平也越来越重要。真空导入成型工艺成型的过程中，控制其最终制品质量的关键在于确保树脂能够均匀地浸润增强材料并充分填充模具型腔，这也正是工艺控制的难点。通过充分了解真空导入成型工艺中树脂的流动过程及流动规律，使原材料用量得到有效控制，使成本降低并提高产品的性能。

近年来有关真空导入工艺的研究已经取得了显著的成果，有相关研究人员表示针对尺寸为4000 mm的6 MW级海上风电叶片叶根基圆灌注困难的特点，制定导流辅材铺放工艺，可以缩短35% 左右的灌注时间，并大幅降低因树脂灌注时间过长、放热不均匀而引起的局部固化风险，实现叶根区域快速灌注，并且试验数据等符合设计要求，加热制度合理[13]。同时分别从导流介质、重力、注射方式和注射管径等工艺参数对真空导入模塑工艺中树脂流动行为的影响，研究结果显示，在真空导入模塑工艺中，导流介质的渗透率主要影响主导树脂充模流动速度，注射方式改变后流动模式和流动速度都会发生改变，注射管径的越大充模流动速度就越快[14]。

与传统的复合材料成形工艺相比，真空树脂导入工艺具有诸多优点，因此，真空导入技术的发展趋势仍趋向厚度、尺寸都较大的零部件，合理的流道布置设计，才能使得树脂对纤维增强材料润湿，减少风险，确保整个操作过程的安全[15]。手糊工艺由于其工艺简单、成本较低、性能可靠的优点，发展前景依然十分广阔，尤其适合一些小型企业。在当前社会工业快速发展及大数据时代背景下，真空成型导入工艺和手糊工艺都具有不同的优点和缺点，在适合的场景选择合适的工艺成为未来生产产品的重要手段，在诸多领域中会得到广泛推广和运用。