喷射成型工艺实验：制备新型材料

1.实验目的

（1）了解喷射成型工艺的技术要点及操作流程。

（2）了解喷射机的构造和各部分作用。

（3）完成典型产品的喷射成型工艺设计说明书，包括选择原料、确定配方、选择工艺参数、模具设计以及操作流程。

（4）掌握喷射成型工艺参数与制品性能之间的关系。

2.实验原理

喷射成型工艺是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻璃纤维粗纱从喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积到模具上，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使树脂浸透纤维，排除气泡，固化后成制品，其工艺流程如图4-7所示。

图4-7　喷射成型工艺流程

喷射成型技术是手糊成型工艺的改进，为半机械化工艺。喷射成型技术被广泛用来制造复合材料。目前喷射成型产品包括浴盆、机器外罩、整体卫生间、汽车车身构件及大型浮雕制品等。

喷射成型的优点为：①用玻璃纤维粗纱代替织物，可降低材料成本；②生产效率比手糊高2～4倍；③产品整体性好，无接缝，层间剪切强度高，树脂含量高，抗腐蚀、耐渗漏性好；④可减少飞边、裁布屑及剩余胶液；⑤产品尺寸、形状不受限制。喷射成型缺点为：①树脂含量高，制品强度低；②产品只能做到单面光滑；③污染环境，对工人健康有害。

3.实验设备及原料

喷射成型设备（喷射机，见图4-8）、纤维材料、树脂材料。

图4-8　喷射成型工艺设备

喷射机主要由树脂喷射系统和无捻粗纱切割喷射系统组成。其功能是使从纤维切割器喷射出的、与树脂成一定质量比的专用短切玻璃纤维无捻粗纱纱段均匀地洒落在由树脂喷枪喷射出的、含有各种助剂的树脂微粒形成的扇面上，然后将两者同时喷射到模具型面上，经过轧辊、挤压、固化、脱模成为玻璃钢制品。注意：为避免压力波动，喷射机应由独立管路供气，气体要彻底除湿，以免影响固化。

喷射用的树脂主要是不饱和聚酯树脂，与手糊所用的树脂主要在黏度上有所区别。有时为了降低生产成本或满足产品本身的需求会在树脂里加入滑石粉或碳酸钙、碳粉等填料。但这样对树脂的要求更高，同时会损坏设备的密封系统。

喷射工艺所使用的增强纤维材料为无捻粗纱，要能满足喷射工艺的要求，如具有良好的切断性、分散性以及浸渍性等。喷射纤维纱一定要保持干燥。

4.实验步骤

1）模具预处理

若使用旧模具，可以使用温水或洁模剂将模具表面的灰尘清除干净。干燥后打上脱模蜡或半永久性脱模剂，一般半永久性脱模剂需配合封孔剂使用。如果是新模具，建议先使用封孔剂封孔，防止黏模。

2）上胶衣

可以采用手刷、ES-100小喷壶喷射或INDY-GELCOAT喷枪喷涂等方式上胶衣。胶衣层厚度为0.4 mm即可，手糊胶衣厚度会高。如采用喷射工艺，则一定要使用喷射型胶衣。

3）喷射成型

喷射工艺需用INDY-X-CHOPPER设备喷射出短切玻璃纤维，一般喷至厚度为3 cm左右，用消泡辊将短切玻璃纤维压实。若制品较薄可一次性喷射到位，若制品较厚，还需等放热后再进行下步操作，直至达到所需厚度。喷射的过程中也可以加入一些强芯毡、泡沫夹芯、轻木夹芯、预埋件或加强筋等。喷射成型的工艺参数按下列要求调控。

（1）纤维调控：纤维含量通常控制在30%左右，低于25%时，辊压方便，但制品强度低；含量高于45%时，辊压脱泡困难。长度以25 mm为宜。

（2）树脂调控：不饱和聚酯树脂含量约为60%，含胶量低，则胶分布不均，黏结不牢靠。引发剂用量根据环境温度和制品要求控制在0.5%～4%之间。促进剂含量一般固定。胶液黏度控制原则是易于喷射雾化、易于浸渍玻璃纤维、易于排出气泡而又不易流失，黏度一般为0.3～0.8 Pa·s。触变指数以1.5～4为宜。

（3）喷射量：在喷射过程中，应始终保持胶液喷射量与纤维切割量的比例适宜。胶液喷射量是通过柱塞的行程和速度来调控的。喷射量与喷射压力、喷射直径有关，喷射直径在1.2～3.5 mm之间可使喷胶量在8～60 g／s之间变化。

（4）喷射夹角：喷射夹角对树脂与引发剂在枪外混合均匀度影响极大，不同夹角喷射出来的树脂混合交距不同，为了操作方便，一般选用20°夹角为宜。喷射枪口与成形表面距离为350～400 mm。操作距离的确定主要考虑产品形状和树脂液飞矢等因素，如果改变操作距离，则需要调整喷枪夹角以保证树脂在靠近成形面处交集混合。

（5）喷雾压力：调整喷雾压力保证两种树脂成分均匀混合，同时还要使得树脂损失最小。压力太小，混合不均匀；压力太大，树脂流失过多。合适的压力与胶液黏度有关，若黏度为0.2 Pa·s，雾化压力为0.3～0.35 MPa。(www.xing528.com)

4）成型固化脱模

成型环境温度控制在20～30℃之间，温度再升高，会导致固化快，系统易堵塞；温度过低，胶液黏度大，浸润不均，固化慢。固化脱模后根据要求修边、裁剪、对工装件打孔以及抛光等。

5.实验结果

（1）将相关实验数据记录在表4-8中。

表4-8　喷射成型工艺数据记录及结果分析

（2）记录实验过程中出现的现象，并分析出现此类现象的原因。

（3）根据实验过程及产品品质建立实验参数与产品品质的基本构效关系，并说明改进的方法。

（4）从不同角度对喷射成型制品拍照，并将照片展示在报告中。

6.喷射成型注意事项

（1）环境温度应控制在（25±5）℃：温度过高，易引起喷枪堵塞；温度过低，会造成混合不均匀，固化慢。

（2）喷射机系统内不允许有水分，否则会影响产品品质。

（3）成型前，模具上先喷一层树脂，然后再喷树脂纤维混合层。

（4）喷射成型前，先调整气压，控制树脂和玻璃纤维含量。

（5）喷枪要均匀移动，防止漏喷，不能走弧线，两行之间的重叠富庶小于1／3，要保证覆盖均匀和厚度均匀。

（6）喷完一层后，立即用辊轮压实，要注意棱角和凹凸表面，保证每层压平，排出气泡，防止带起纤维造成毛刺。

（7）每层喷完后，要进行检查，合格后再喷下一层。

（8）最后一层要喷薄些，使表面光滑。

（9）喷射机用完后要立即清洗，防止树脂固化，损坏设备。

7.思考题

（1）哪些制品适合选择喷射成型工艺？

（2）喷射成型工艺的参数控制对制品的性能有何影响？

（3）喷射成型工艺的主要影响因素有哪些？

（4）喷射成型与手糊成型工艺的演变过程是什么？