專利名稱：一種制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法及在制造船體上的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空輔助樹脂傳遞模塑制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方 法，特別是一種真空輔助樹脂傳遞模塑制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法在 制造船體特別是軍輔船和高速船船體上的應(yīng)用。
技術(shù)背景連續(xù)玄武巖纖維(Continuous Basalt Fibre簡稱CBF)是目前為止唯一的無 環(huán)境污染的玻璃質(zhì)纖維制品，它是用火山爆發(fā)冷凝形成的一種火山噴出巖(包 括玄武巖、安山巖)為原料，經(jīng)高溫熔融后快速拉制而成的連續(xù)纖維。它取自 天然礦石而無任何添加劑，主要成分由Si02與金屬離子化合物構(gòu)成。采用玄武 巖纖維作為增強材料制作的復(fù)合材料具有耐溫性能突出、拉伸強度高、耐海水 及化學(xué)介質(zhì)性能優(yōu)異及一定的雷達(dá)隱身性能等。真空輔助樹脂傳遞模塑 (Vacuum-Assisted Resin transfer molding,以下簡稱VARTM)工藝是一種制造高 性能纖維增強聚合物基復(fù)合材料的先進(jìn)技術(shù)。具有成本低、成型速度快、產(chǎn)品 質(zhì)量好、對環(huán)境污染小以及能夠制造大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)點。目前，國內(nèi)外軍輔船、高速船的船體均采用鋼、鋁或玻璃纖維復(fù)合材料制 造，鋼質(zhì)材料存在重量大，影響速度的問題；鋁質(zhì)材料存在耐海水及海洋環(huán)境 性能差的問題；而玻璃纖維增強復(fù)合材料船體存在耐溫性能差的缺點，這些都 限制了真空輔助樹脂傳遞模塑在軍輔船、高速船船體上的應(yīng)用。因此，有必要研究一種性能優(yōu)異的復(fù)合材料的制造方法，然后用這種方法 制造軍輔船、高速船的船體，使得船體的重量輕，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐海 洋環(huán)境性能和耐高溫性能，耐老化性能、蠕變性能以及抗爆炸沖擊性能優(yōu)良， 滿足使用的需要。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種真空輔助樹脂傳遞模塑制造玄武巖 纖維增強復(fù)合材料的方法。本發(fā)明所進(jìn)一步要解決的技術(shù)問題是提供一種真空輔助樹脂傳遞模塑制造 玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法在制造船體特別是軍輔船和高速船船體上的應(yīng)用。本發(fā)明采用武巖纖維為增強材料，用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制造增強復(fù)合材料，并用這種方法制造軍輔船和高速船船體。原料中含有30 70%質(zhì)量 玄武巖纖維作為增強材料，通過以玄武巖纖維無捻粗紗或織物作為增強材料， 樹脂采用乙烯基酯樹脂或不飽和聚酯樹脂，弓I發(fā)劑采用過氧化物做為引發(fā)劑， 例如過氧化苯甲酰、過氧化氫等，特別優(yōu)選液態(tài)過氧化環(huán)己酮或過氧化甲乙酮； 促進(jìn)劑采用鈷的有機(jī)酸鹽，特別優(yōu)選環(huán)烷酸鈷或辛酸鈷溶液；根據(jù)需要可以選 用脫模劑，包括采用薄膜型、溶液型或油膏類脫模劑，例如常用的用于塑料制 品的脫模劑和聚氨酯制品的脫模劑，這類脫模劑在市場上有大量出售，可以很 方便的得到。并且可以根據(jù)需要選用觸變劑、填料、顏料等輔助材料的任意一 種或者數(shù)種以及它們的結(jié)合。根據(jù)需要，復(fù)合材料可以和模具分離，得到產(chǎn)品， 也可以和成型模具結(jié)合在一起直接使用。樹脂凝膠固化后根據(jù)需要，可以直接 使用，也可以經(jīng)過后固化階段后使用，常溫固化1 2個月，加熱固化后固化溫 度在50 80。C之間固化?？梢愿鶕?jù)需要，用這種工藝制造船體，特別是軍輔船和高速船船體，對于 大中型船體，可采取分步成型的方式來實施。成型脫模后，經(jīng)過后固化階段后 使用，常溫固化1 2個月，加熱固化溫度選擇在10(TC以下，特別優(yōu)選在50 8(TC之間固化。固化完成后，根據(jù)需要可以對船體或船體組件進(jìn)行裝配、修補， 完成船體制作。具體的技術(shù)方案如下所述(1)原材料用玄武巖纖維無捻粗紗或織物作增強材料，原料中含有30 70%質(zhì)量玄武巖纖維作為增強材料；樹脂釆用但是不限于乙烯基酯樹脂或不飽和聚酯樹脂， 引發(fā)劑采用但是不限于液態(tài)過氧化環(huán)己酮或過氧化甲乙酮，促進(jìn)劑采用但是不 限于環(huán)烷酸鈷或辛酸鈷溶液，脫模劑釆用薄膜型、溶液型或油膏類脫模劑。輔 助材料包括但是不限于固化劑、促進(jìn)劑、觸變劑、填料、顏料等。(2) 設(shè)備本發(fā)明采用的設(shè)備為樹脂傳遞模塑成型設(shè)備和真空輔助成型設(shè)備。(3) 成型工藝 本發(fā)明的成型工藝過程為脫模處理可以根據(jù)需要采用脫模劑對船體整體模具進(jìn)行表面處理，脫模 劑可采用固體或液體石蠟，聚乙烯醇等。也可以在不需要脫模的情況下，不使 用脫模劑，而將真空輔助樹脂傳遞模塑制造的復(fù)合材料和模具做為一個整體使 用。CBF增強材料裁切按設(shè)計要求將玄武巖纖維無捻粗紗或織物按規(guī)定的尺 寸，但是也可以根據(jù)需要直接使用整塊的材料。CBF增強材料鋪設(shè)按設(shè)計及工藝要求在涂覆脫模劑的模具表面鋪設(shè)CBF增強材料，增強材料可以是玄武巖纖維的無捻粗紗、單向織物或短切氈等。導(dǎo)流布的鋪設(shè)和管路布置按工藝要求鋪設(shè)樹脂流道與真空管路。 密封處理采用真空袋包覆鋪設(shè)完畢的增強材料、導(dǎo)流布、樹脂流道及真 空管路，并進(jìn)行密封處理；真空袋可采用尼龍或硅樹脂制成，也可以采用其它 具有彈性的高分子材料制成。裁取合適大小的真空袋膜，用密封膠帶將鋪層密 封在真空袋膜和模板之間，將樹脂吸注口、真空口用真空管分別和樹脂容器、 樹脂收集容器連接起來，樹脂收集容器的另一出口和真空泵連接。開動真空泵 檢驗是否漏氣，當(dāng)真空表指針穩(wěn)定時，旋轉(zhuǎn)真空表的三通，使體系保持真空度, 關(guān)閉真空泵，如真空表指針保持不動，用檢漏儀檢驗是否漏氣，如無漏氣準(zhǔn)備 吸注樹脂。如指針明顯下降表明漏氣，用檢漏儀檢查漏氣的位置，采取補救措 施，嚴(yán)重時重新封裝。按設(shè)計要求布置注射口與空氣口注射口與RTM噴槍或樹脂注入口相連，空氣出口與真空泵連接。封裝檢漏檢驗密封，確認(rèn)無空氣泄漏后，開動真空泵，抽取真空。 樹脂配制選擇具有合適凝膠時間的固化體系配比，凝膠時間一般在lh左 右，配足夠量的樹脂。對于大中型船體，凝膠時間需要更長?？梢栽谝粋€容器 內(nèi)預(yù)先完成，也可以在吸入樹脂時直接吸入預(yù)先設(shè)定比例的各種原料.吸注樹脂開啟真空泵，封閉樹脂口，調(diào)節(jié)閥門使真空度達(dá)到設(shè)定值，持 續(xù)抽真空2 5分鐘，使纖維體系處于壓實狀態(tài)，完全排除空氣后打開樹脂傳遞 模塑成型設(shè)備，開始吸注樹脂。觀察樹脂的流動狀況，如有異常隨時調(diào)整。封口當(dāng)樹脂逐漸流入樹脂收集器后，觀察樹脂是否已完全浸潤纖維，以及 進(jìn)入樹脂收集器的樹脂流動是否穩(wěn)定，如是則認(rèn)為體系已達(dá)平衡，封閉樹脂口， 然后封閉真空口，保持體系的真空度固化。也可以根據(jù)需要，不封閉真空口，直 接固化。樹脂注入達(dá)到真空度要求時，注入樹脂。固化與脫模固化過程可以包括凝膠、固化和后固化三個階段，船體或制 品凝膠，固化到脫模強度后即可脫模；也可以根據(jù)需要，不需脫模直接和模具 在一起使用。后固化根據(jù)需要，可以對凝膠后的復(fù)合材料或船體進(jìn)行后固化處理，后 固化可以在室溫下放置1 2個月；也可以進(jìn)行加熱處理。對于乙烯基酯樹脂或 不飽和聚酯樹脂體系，熱固化溫度控制在120C以內(nèi)，50 80'C之間，固化時 間根據(jù)固化溫度不同，溫度越高，所需時間越短， 一般控制在1小時到72小時左右。最后，根據(jù)設(shè)計要求用機(jī)械連接、膠接等方法進(jìn)行裝配、修補，完成船體 制作。對于大中型船體，可采取分步成型的方式來實施。以玄武巖纖維為增強材料，用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制造的軍輔船和 高速船船體，除具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐海洋環(huán)境性能和耐高溫性能外，還具有突出的耐老化性能、蠕變性能以及抗爆炸沖擊性能，同時還可以降低船體的 建造成本，延長艦船的使用壽命?？煽朔?、鋁或玻璃纖維復(fù)合材料成型軍輔 船、高速船船體的缺點。與鋼質(zhì)材料相比，制品重量輕大，對速度影響小；與 鋁質(zhì)材料相比，耐海水及海洋環(huán)境性能好；與玻璃纖維增強復(fù)合材料船體相比， 耐溫性能好。該方法可用來替代用金屬材料建造軍輔船和高速船船體的方法， 以及用玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及其混雜纖維，采用手糊、噴射成型等工 藝建造軍輔船和高速船船體的方法。就其工藝而言，成型的制品力學(xué)性能穩(wěn)定、缺陷少，制造成本低，適合 大尺寸復(fù)雜制品的成型；就增強材料而言，其制品拉伸強度和模量與S玻璃纖 維相當(dāng)，耐海洋環(huán)境性能、耐老化性能、耐高溫性能以及介電性能優(yōu)于S玻璃 纖維，并具有突出蠕變性能。本發(fā)明通過材料和工藝的有機(jī)結(jié)合可實現(xiàn)軍輔船 和高速船船體耐海水腐蝕、易維修保養(yǎng)，使用壽命長、船體表面光滑、阻力小。 在軍用領(lǐng)域，可用于建造獵掃雷艇、水面效應(yīng)船、輕型護(hù)衛(wèi)艦、巡邏艇等中小型水面艦艇的殼體；在民用方面，可用于建造高速船、游艇等艦船殼體，具有顯著的軍事、經(jīng)濟(jì)效益和潛在的社會效益。
具體實施方式
實施例l材料配方(以質(zhì)量份數(shù)計)為乙烯基酯樹脂40份，50%過氧化環(huán)己酮溶 液1.6份，6%環(huán)垸酸鈷2.4份，氣相二氧化硅0.32份，顏料0.12份，玄武巖 纖平紋布60份，采用樹脂傳遞模塑成型設(shè)備和真空輔助成型設(shè)備，用脫模劑 對模具進(jìn)行表面處理，玄武巖纖維平紋布逐層0/90°交叉鋪層后，封裝、檢驗 密封，在一個容器內(nèi)預(yù)先將原料配制完成，開啟真空泵，封閉樹脂口，吸注樹 脂。當(dāng)樹脂逐漸流入樹脂收集器后，當(dāng)樹脂已完全浸潤纖維，體系已達(dá)平衡， 封閉樹脂口，然后封閉真空口，保持體系的真空度固化。材料凝膠，固化到脫 模強度后脫模，在80'C進(jìn)行后固化4h。所得材料彎曲強度187.5MPa,彎曲模 量18. 5GPa。實施例2材料配方(以質(zhì)量份數(shù)計)為乙烯基酯樹脂50份，50%過氧化環(huán)己酮溶液2份，6%環(huán)垸酸鈷3份，氣相二氧化硅0.4份，顏料0.15份，玄武巖纖維平紋布50份，采用與例1相同的方法成型和處理，所得材料彎曲強度393. 6MPa，彎曲模量15. 9GPa。 實施例3材料配方(以質(zhì)量份數(shù)計)為乙烯基酯樹脂55份，50%過氧化環(huán)己酮溶液2.2份，6%環(huán)烷酸鈷3.3份，氣相二氧化硅0.44份，顏料0. 17份，玄武巖纖維平紋布45份，采用與例1相同的方法成型和處理，所得材料彎曲強度447.6MPa，彎曲模量13. lGPa。 實施例4采用與例1相同的配方和成型工藝，將材料用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝 注入船體模具中，然后脫模，在室溫下放置45天后，裝配、修補，完成船體制作。
權(quán)利要求
1. 一種制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法，包括使用乙烯基酯樹脂或不飽和聚酯樹脂、增強材料、過氧化物引發(fā)劑、鈷的有機(jī)酸鹽促進(jìn)劑作為原料，在真空輔助樹脂傳遞模塑工藝下注入、固化成型，其特征是原料中含有30～70％質(zhì)量玄武巖纖維作為增強材料。
2. 權(quán)利要求1所述的制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法，其特征是所用 弓I發(fā)劑是液態(tài)過氧化環(huán)己酮或過氧化甲乙酮。
3. 權(quán)利要求1所述制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法，其特征是所用的 促進(jìn)劑是環(huán)烷酸鈷或辛酸鈷溶液。
4. 權(quán)利要求1、 2或3所述制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法，其特征是 配方中還含有觸變劑、填料、顏料中的一種或數(shù)種。
5. 權(quán)利要求1、 2或3所述制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法，其特征是 樹脂凝膠固化后要經(jīng)過后固化階段，后固化可以在常溫下固化，也可以在50 80 'C之間固化。
6. —種用權(quán)利要求1所述制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法制造出船體 或船體組件，其特征是制造出船體或船體組件，脫模后，進(jìn)行后固化，后固化 可以在常溫下固化，也可以在120'C以下固化。
7. 權(quán)利要求6所述制造船體的方法，其特征是后固化溫度為50 8(TC之間。
8. 權(quán)利要求6所述制造船體的方法，其特征是固化完成后，根據(jù)需要可 以對船體或船體組件進(jìn)行裝配、修補，完成船體制作。
9. 權(quán)利要求6所述制造船體的方法，其特征是制造出的船體是軍輔船船體或高速船船體。
10. 權(quán)利要求6所述制造船體的方法，其特征是制造船體采取分步成型的方式來實施。
全文摘要
本發(fā)明介紹了一種制造玄武巖纖維增強復(fù)合材料的方法，以及這種方法在制造船體上的應(yīng)用。該方法配方包括乙烯基酯樹脂或不飽和聚酯樹脂、過氧化物引發(fā)劑、促進(jìn)劑，經(jīng)原料混合、樹脂在真空輔助樹脂傳遞模塑條件下注入、固化成型，特征是原料中含有30～70％質(zhì)量玄武巖纖維作為增強材料。以該工藝制造軍輔船和高速船船體，該船體除具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐海洋環(huán)境性能和耐高溫性能外，還具有突出的耐老化性能、蠕變性能以及抗爆炸沖擊性能，同時還可以降低船體的建造成本，延長艦船的使用壽命。
文檔編號B29L31/30GK101245192SQ20071005401
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月15日
發(fā)明者史俊虎, 張建設(shè), 鄭勁東 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所