真空樹脂導入成型工藝與手糊工藝的對比分析

胡敏

（上海之合玻璃鋼有限公司，上海 201210）

真空樹脂導入成型工藝是指在模具上鋪“干”增強材料，例如玻璃纖維、碳纖維及夾心材料等，然后用真空袋進行密封，抽出體系中的空氣，在模具型腔中形成一個負壓，再利用真空產生的壓力把不飽和樹脂通過預鋪的管路壓入纖維層中，讓樹脂浸潤增強材料最后充滿整個模具，制成品固化后去除真空袋材料，從模具上得到所需的制品[1]。真空樹脂導入成型目前趨向于一種相對高性能低成本的成型技術，正是由于其低成本的特點，尤其適合于大型產品的制造，隨著游艇、汽車外殼、風力發電葉片等制品上的應用已被越來越多的認識和采用，其理論基礎是基于達西定律[2]。而手糊工藝作為具有較長歷史的開模工藝中的一種，其對于模具形狀方面有廣泛的自由度，在玻璃纖維增強的聚酯復合材料中應用比例也比較高[3]。同時手糊工藝模具售價低、適應性強，因此更加適合小公司及一些船舶及航空航天產業[4]。2種工藝在分別具有各自優勢的同時也都存在一定的短板。因此，應該通過深刻分析2種工藝各自具備的優缺點、服務的方向及使用產品范圍等，探尋2種工藝控制上的難點，明確兩者的應用領域，提高制造產品的物理性能的同時，有效控制和減少制造成本。

1. 真空樹脂導入成型工藝

1.1 真空成型（真空導入）工藝原理

真空導入工藝即在模具上鋪增強材料，然后鋪真空袋，排空體系中的空氣，讓模具型腔形成負壓的狀態，利用真空產生的負壓把不飽和樹脂通過預鋪的管路壓入纖維層中，使增強材料完全被樹脂浸潤，最后充滿整個模具[5]，制品固化后除去真空袋材料，從模具上得到所需的制品[6]。真空樹脂導入成型所依賴的知識是達西定律：

式中，t表示時間；L表示注射長度；n表示黏度；DP表示壓力差；k表示滲透率。由此公式我們可以相應的計算各個參數之間的相互影響關系，同時針對不同的成品要求設置不同的參數。

1.2 工藝的優點

（1）較容易展現具有高重復率的高品質成品。真空樹脂導入成型工藝得到的產品，其品質高低在很低水平上與產品的操作人員職業水平有關，在相同構件或者是彼此間不同得各構件間都有比較好的一致性。產品的纖維用量在注入樹脂前已按規定的量放入模具中，構件也有相對恒定的樹脂比，因此產品性能較為平均，且可以重復度也較高，調查研究發現真空環境下樹脂浸潤玻纖與傳統制造工藝相比，制品中的氣泡極少[7]。在制作過程中體系不需要額外的樹脂，比較節省樹脂的浪費，同時有高達70%及以上的玻纖含量，有可能出現更高。制得的成品體積小且輕，樹脂用量減少30%，損耗率低于5%。強度更高，工藝成型構件的強度、剛度及其他物理特性可提高30%～50%，批次之間也非常穩定，因此經過該工藝的制品質量更高。

（2）抗疲勞性能提高，可減輕結構重量。由于采用該工藝的制品纖維含量高且孔隙率低，促使其具有很好的產品性能，其中該工藝產品層間強度的提高可以有效地改善產品的抗疲勞性能。在特定的條件下，如強度或剛度相同時采用該工藝制備的產品可明顯的降低結構重量，其在航空和船舶工業中具有明顯的優勢。

（3）極大減少對環境的污染。閉模工藝主要出現在真空樹脂導入工藝，在制作成品的過程中，不僅原料不會撒至外面，同時一些具有揮發性質的有機污染物和有毒氣體也不會揮發，保留至相應的袋子中。只有在排氣和打開樹脂桶時有較少的揮發物，這種工藝使工作人員具有一個良好的工作環境，促進產業的進一步發展，也使得材料具有環保安全的特點。

（4）成品比較完整。在此工藝中加強筋、夾芯結構及其他相關嵌件都可以同一時間完成，成品的結構具有良好的匹配度，質量較高，因此成品材料可以廣泛應用于飛機機罩、船體等大型建筑品。

（5）節約原材料及成本。使用真空導入工藝，可以精確預算樹脂的用量，即可使得樹脂的損耗達到最少，因此避免了原材料的浪費，進而節約了成本。在同樣鋪層時，樹脂用量減少30%，樹脂損耗率低于5%，生產效率比較高[8]。

（6）制品效率高、用時少。真空樹脂導入工藝對模具的數量及質量都具有較低的要求，通常情況下良好的成品制作過程僅需要一面模具，不僅降低成品的制作時間，同時也大大提高工作效率。

1.3 工藝的缺點

（1）產品的應用領域較少。成品的形狀比較單一且簡單，適合大批量生成形狀一致產品。真空導入工藝需要質量較好的模具，導致制造成本相對較高。

（2）制造工藝存在一定風險，容易出現廢料和廢品。真空樹脂導入工藝一但出現瑕疵通常難以修復。

（3）準備工序繁雜耗時。主要涉及一些小產品來說，由于工序多，所以會比手糊工藝更加費時。

2. 手糊工藝

2.1 手糊工藝的工作原理

手糊工藝的基本原理是將包含固化劑的樹脂均勻抹在模具上，然后在上面平鋪一層玻璃纖維布，過程中注意排除氣泡，再反復進行此操作，直到達到要求的制品厚度。然后通過施加額外的壓力，通過加熱使模式定型，最后脫模得到成品[9]。

2.2 手糊工藝的優點

（1）設備簡單，操作容易。只需簡單的模具，模具價格通常較低，只需少量的工具即可實現操作，成品的形狀可以較為隨意進行設定，依據工藝的不同可以設置比較復雜和多余的形狀，一般大尺寸的成品且所需要的數量較少的產品更容易制作。手糊工藝一般具有見效快，可適應性強等特點[10]。

（2）生產技術易掌握，培訓時間短。只需要經過簡單的培訓即可生產出商家滿意的產品，同時針對商家對產品的不同部分的要求，可以隨意加入增強材料，這樣不僅可以生產出耐用的產品同時可以降低經濟花費。

（3）產品靈活度比較高。手糊工藝所得到的產品可以形狀復雜、尺寸較低等，有比較大的靈活性。

（4）易于與其他材料復合。此類產品其塑造性比較強，很容易和金屬、泡沫等材料形成性能較為優異的復合材料[11]。

（5）時間空間限制較低。制作場地較為靈活，不受限制，特別是一些不適宜運輸或運輸成本過高的大型制品，如大罐皆可現場制作。

2.3 手糊工藝的缺點

（1）造成環境損害。手糊工藝受工藝方式的限制，其生產環境污染性較大，如VOCs、臭味、粉塵等。相關研究發現采用手糊工藝的產品的樹脂含量高達50%～70%，且采用開模工藝的VOC排放超過500PPm，苯乙烯的揮發量高達使用量的35%～45%[8]。而各國都對可揮發有機物有一個嚴格的控制標準。目前環戊二烯或其他低苯乙烯物質部分替代苯乙烯，但就產品質量而言，還沒有一種物質可以更好地取代苯乙烯。這樣就使操作人員的工作環境受到很大挑戰，損害操作人員的健康，導致操作勞動力人員易流失[10]。

（2）對原材料要求較高。對于原材料有很多限制。

（3）原材料損耗多，成本較高。用手糊工藝制造出的產品性能低，產品質量不穩定，原材料樹脂浪費嚴重并且使用用量大。

（4）較多操作程序與操作人員的水平呈強相關。不同專業的操作人員，在調控玻纖和樹脂比例、選擇合適寬度的部件以及制造層材的速率和均勻性等方面都具有不同的水平，這對操作人員提出了較高的要求標準。同時，制作環境也會對產品的質量產生影響[12]。

（5）效率低，周期長。整個操作過程比較適合小批量生產體型較少的產品，生產過程需要較長時間，對需要較大產量的產品有一定的劣勢。

3. 真空樹脂導入成型工藝與手糊工藝的發展展望

隨著工業的快速發展，技術管理水平與施工單位的效益呈正相關，技術管理水平越高，施工單位獲得高的效益的可能越大，既包括經濟效益也包括社會效益。正是由于工程項目的飛躍式發展，對技術設備及工藝手法的要求越來越高，因此操作人員的技術水平也越來越重要。真空導入成型工藝成型的過程中，控制其最終制品質量的關鍵在于確保樹脂能夠均勻地浸潤增強材料并充分填充模具型腔，這也正是工藝控制的難點。通過充分了解真空導入成型工藝中樹脂的流動過程及流動規律，使原材料用量得到有效控制，使成本降低并提高產品的性能。

近年來有關真空導入工藝的研究已經取得了顯著的成果，有相關研究人員表示針對尺寸為4000 mm的6 MW級海上風電葉片葉根基圓灌注困難的特點，制定導流輔材鋪放工藝，可以縮短35% 左右的灌注時間，并大幅降低因樹脂灌注時間過長、放熱不均勻而引起的局部固化風險，實現葉根區域快速灌注，并且試驗數據等符合設計要求，加熱制度合理[13]。同時分別從導流介質、重力、注射方式和注射管徑等工藝參數對真空導入模塑工藝中樹脂流動行為的影響，研究結果顯示，在真空導入模塑工藝中，導流介質的滲透率主要影響主導樹脂充模流動速度，注射方式改變后流動模式和流動速度都會發生改變，注射管徑的越大充模流動速度就越快[14]。

與傳統的復合材料成形工藝相比，真空樹脂導入工藝具有諸多優點，因此，真空導入技術的發展趨勢仍趨向厚度、尺寸都較大的零部件，合理的流道布置設計，才能使得樹脂對纖維增強材料潤濕，減少風險，確保整個操作過程的安全[15]。手糊工藝由于其工藝簡單、成本較低、性能可靠的優點，發展前景依然十分廣闊，尤其適合一些小型企業。在當前社會工業快速發展及大數據時代背景下，真空成型導入工藝和手糊工藝都具有不同的優點和缺點，在適合的場景選擇合適的工藝成為未來生產產品的重要手段，在諸多領域中會得到廣泛推廣和運用。