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RTM夹芯制品成型技术及其在汽车上的应用高克强李新华(北京玻璃钢研究设计院,102101)摘 要 本文详细介绍了RTM夹芯制品成型技术及其在汽车上的应用 关键词 汽车,RTM,FRP ,夹芯结构ABSTRACT This paper introduces RTM sandwich products and its application in automobiles.1 概 述RTM(Resin Transfer Molding树脂传递模塑)是一 种将预促进树脂在压力作用下,注入预先铺设好增 强材料的封闭模腔的FRP成型技术该工艺的特点是环境污染小,生产效率高,设备及模具投资少, 大型复杂结构制品可一次成型RTM夹芯玻璃钢制品是指利用RTM成型技 术生产的带有夹芯的玻璃钢制品 根据产品的性能要求,夹芯可以是金属 、 轻质泡沫等材料,汽 车上使用的夹芯制品,大部分是轻质泡沫夹芯制品2 RTM夹芯玻璃钢制品成型技术211 RTM夹芯产品及结构图 以RTM夹芯汽车尾翼为例图1为我们研制 生产的轿车尾翼产品图,图2为尾翼产品结构图图1 RTM夹芯富康尾翼图2 尾翼产品结构图212 RTM夹芯制品成型工艺流程图图3 RTM夹芯制品成型工艺流程图213 RTM夹芯制品成型技术问题21311 泡沫芯材的成型2131111 泡沫芯材用材料 芯材泡沫一般选用硬质泡沫塑料,以防RTM注 射成型时受压变形或使树脂进入泡沫体。

硬质泡沫 塑料是在一定负荷作用下,不发生明显变形,当负荷 过度时发生变形后不能恢复到原来形状的泡沫塑 料制作硬制聚氨酯泡沫塑料的主要原材料是异氰 酸酯和多元醇 异氰酸酯主要选粗制二苯基甲烷二异氰酸酯 (粗MDI)或称聚合MDI ,也称PAPI 多元醇主要选聚醚,常用的有:甘油 — 环氧丙烷 聚醚、 三羟甲基丙烷 — 环氧丙烷聚醚、 季戊四醇 — 环第1期纤 维 复 合 材 料No.127 2001年3月FIBER COMPOSITESMar. ,2001© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.氧丙烷取醚、 山梨醇 — 环氧丙烷聚醚、 甘露醇 — 环氧 丙烷聚醚和蔗糖 — 环氧丙烷聚醚、 蔗糖 — 甘油 — 环 氧丙烷 — 环氧乙烷聚醚适用于制造硬质聚氨酯泡沫塑料的聚醚,它的羟值通常在380～580K OH/ g之 间,即分子量为270～1200 其它原材料包括催化剂、 泡沫稳定剂、 发泡剂以 及需要特殊功能的其它添加剂,如:阻燃剂、 防老剂 等催化剂是硬质聚氨酯泡沫塑料成型过程中一个 重要的因素。

常用的催化剂有两类,一是叔胺类化 合物,另一类是有机锡化合物 叔胺类化合物有:N ,N— 二甲基环己胺、 四甲基 亚乙基二胺、N ,N— 二甲基哌嗪、 三亚乙基二胺、 三乙醇胺和二甲基醇胺、 五甲基二亚乙基三胺等 有机锡化合物包括油酸亚锡、 辛酸亚锡和二丁 基锡二月桂酸酯等 硬质聚氨酯泡沫塑料生产过程中,常常用两种 或两种以上催化剂,这样能有效的调节链增长速度与交联速度间的平衡 泡沫稳定剂在硬质聚氨酯泡沫塑料发泡过程中 能改变体系的表面张力,改善原料的混合性,并能调 节泡沫塑料的泡孔大小与结构这样,所得制品泡 孔细而均匀,性能良好泡沫稳定剂用量一般是原料总量的011—2 %聚醚型硬质聚胺酯泡沫塑料 常用的泡沫稳定剂是有机硅类化合物,特别是聚二 甲基硅烷 — 聚氧化烯烃共聚物甚为有效采用这类 泡沫稳定剂,泡沫塑料的孔径均匀,闭孔率高,绝热 效果则好 硬质聚氨酯泡沫塑料的发泡剂,大致可分为两类一类是含氯的烃类化合物,如一氟三氯甲烷;二 氯甲烷这些发泡剂加入原料组份中去,一旦异氰 酸酯与多元醇反应,放出热量就能迅速汽化含氟 含氯烃类发泡剂汽化时都能带走部分反应热,这样, 生产大块泡沫时,不至于因热量积累过多而生产分解。

另一类发泡剂是二氧化碳它是异氰酸酯和水 起化学反应生成的 这两类发泡剂,使用较为普遍的是含氟含氯烃 类化合物其原因有两个,一是能带走反应生成热,二是所得的泡沫塑料导热系数小这一点对绝热材 料是很重要的2131112 泡沫芯材成型方法 硬质聚氨酯泡沫塑料最简单的成型方法是手工 发泡法把各种原料精确称量后,置于一容器中,然后立即把这些原料混合均匀,注入模具或需要充填 泡沫塑料的空间中去,起化学反应并发泡后得到泡沫塑料硬质聚氨酯泡沫塑料另一常用的成型方法是用发泡机发泡发泡机代替手工操作,把原料按比例混合并注入模具或空腔,称为机械浇铸发泡机械浇铸发泡的原理和手工浇铸发泡原理很相似,差别在于手工浇铸是依次把各组份化学原料称入容器中,而机械浇铸发泡则是由计量泵按配方比例连续地把原料打入发泡机的混合室;手工发泡中,各原料采用间歇的搅拌方式,而机械发泡是各种原料在混合室中混合2131113 典型聚醚型聚氨酯配方表1 典型聚醚型聚氨酯配方序 号原料名称配 比(份)1聚醚多元醇1002乙三醇203三乙烯二胺0164二月桂酸二丁锡01055氟利昂11 ,二氟二氯甲烷36硬酯酸锌1157聚氧丙烯二胺48异氰酸酯116制备方法:将表1配方中的材料1、2、3、4、5、6、7充分混合,再添加材料8混合后注入预先涂以蜡系的脱模剂、 温度为80℃ 的铝制模具中,在30s后,打开模具即得到泡沫成型品。

在外部涂蜡型脱模剂后,用此配方可反复脱模20—25次2131114 影响发泡成型的因素a1 原料聚醚和聚酯都能作为浇注发泡成型的原料,但应用较广的是聚醚型多元醇多元醇与异氰酸酯的比例是很重要的一般异氰酸酯用量按羟基与异氰酸根等当量,同时考虑原材料中水份所消耗异氰酸酯的量等因素,再多加5 % ,即异氰酸酯指数过高,泡沫塑料硬而脆浇注发泡成型时,一般选用一氟三氯甲烷类型发泡剂,所得制品导热系数小;用于注入模具,制品表皮光洁、 质量好b1 温度浇注发泡成型过程中,原料温度与环境温度的高低及恒定与否直接影响泡沫塑料制品的质量环境温度以20～30℃ 为宜原料温度可控制在20～30℃ 范围或稍高一些温度过高或过低,都不易得到高质量的制品当控制环境温度有困难时,就适28 纤 维 复 合 材 料2001年© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.当控制原料温度与调节催化剂用量c1 模具温度 羟基与异氰酸根反应是一个放热过程,放出的热量使一氟三氯甲烷等发泡剂汽化而成泡沫模具 温度的高低直接影响反应热移走的速度。

模具温度 低,发泡倍数小,制品密度大表皮厚模具温度高则 相反为制得高质量的制品,一般情况下,模具温度 控制在40～50℃ 范围在这温度里,根据实际需要选择合适的温度点,并尽量予以恒定d1 熟化温度和时间 熟化是指泡沫塑料固化后,在一定温度下放置 的过程,目的是让化学反应进行完全,得到良好的制 品在注入模具内发泡时,应在脱模后把制品与模具一起放在较高温度的环境中熟化熟化温度越 高,所需时间越短熟化不充分,泡沫塑料强度达不 到应有的水平原料品种与制件形成尺寸不同,所 需的熟化时间与温度也不同e1 物料的混合浇注发泡时,反应液在发泡机混合室内停留的 时间是很短的,一般仅数秒或10秒左右,所以,混合 效率是一个很重要的因素根据反应液的性质,特 别是粘度,选用合适的高效混合装置,以达到充分混 合的目的反应液混合得均匀,泡沫塑料制品泡孔细而均匀;混合不好,泡孔粗而不均匀,甚至在局部 范围内出现化学组成不符合配方要求的现象,大大 影响制品质量f1 模具 硬质聚氨酯泡沫塑料发泡过程中产生一定的压 力,模具应具有足够的强度适合制作模具的材料有:金属、 玻璃钢和硅橡胶等 用碳钢、 合金铝等材料制作模具,其优点是寿命 长,控制温度方便,模具表面光洁度高,则制品光洁 度也高。

它的缺点是一般要用脱模剂 用玻璃纤维增强环氧树脂,特别是耐温性较高的环氧树脂基本上能满足模具设计的要求有时, 在树脂内加入铝粉以改善模具的导热性环氧树脂 模具的缺点是模具温度不易控制,只适合小规模生 产 用硅橡胶比较容易制造出形状复杂的模具发泡过程中,不必使用脱模剂硅橡胶模具重量轻,搬 动方便缺点是价格高,尺寸精密度差,使用寿命 短21312 RTM注射成型应注意的问题a1 注射口及流道的合理设计对于夹芯RTM制品,由于FRP部分为薄壁形腔,注射口及流道的是否设计合理,对产品的质量至 关重要注射口应尽可能设计在制品中央,流道的 设计,要利于分配树脂流动,保证迅速、 均匀充满模腔,但流道尺寸应合理控制,太大将造成树脂集聚收 缩,使表面平整性受影响b1 排气孔的设计与合理利用 排气孔的数量、 位置依产品形状而定排气孔 的作用是排除模腔空气的地方,并可观察某些部位是否注满灌注时要细心观察是否还有空气排出, 另外,可以将排气口作为真空接口,给以真空辅助, 这样可以减小模腔内压力,有利于气体排出和纤维 的浸润,提高产品的整体性能c1 合理选择树脂体系对于夹芯制品来说,要注意选韧性和粘结力高 的树脂,对于室外使用的产品还要注意树脂的耐候 性及耐热性。

比如,夏天置于室外的产品,可能要承 受70—80℃ 的环境温度,选择树脂体系时就要考虑 这一点d1 合理选择注射工艺参数 选择注射工艺参数,要注意产品形状和芯材的 承受能力,特别是注射压力和成型温度的确定21313 夹芯RTM制品常出现缺陷及原因 见表23 RTM夹芯玻璃钢制品在国外 汽车上的应用由于环境问题的日益严重,各国对环保方面的 要求也日趋严格,生产厂家不得不放弃不符合生产区环境苯乙烯含量要求的传统成型工艺,如喷射、 手 糊等,转而寻找苯乙烯挥发量符合环保法规的工艺 与此同时,RTM在原材料方面的研制创新,在工艺 和成型技术方面的巨大进步,从而得以迅速发展80年代以来,美国三大汽车公司积极开展复合材料技术在汽车工业中的应用研究,取得了极大成 功RTM应用以每年20 %—50 %的速度增长,Ford 汽车公司是RTM技术在汽车上应用的典范它使 用玻纤无纺布(non crimp fabrics)作为增强材料,应 用于大批量结构件的生产如LOTUW(莲花)公司的Elite、Excal和Esprit跑车都是RTM整体车身,还 有Escort cosworth的后扰流板,亦为夹芯结构表3 为历年来Ford公司生产的汽车中RTM夹芯制品的 应用状况。

进入90年代后,原材料研究取得很大成果,各种优质的RTM专用树脂相继开发成功美国亚仁1期高克强等:RTM夹芯制品成型技术及其在汽车上的应用29 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表2 夹芯RTM制品常出现缺陷及原因缺陷名称缺陷图示缺陷产生原因芯材位移过量树脂产生的压力芯材损坏(凹陷)过量树脂产生的压力;过高的模具温度;不适当的芯材密度(密度小) ;泡沫选材不当芯材皱缩过量树脂产生的压力;注射口选择不当产品表面产生凹坑芯材表面有缺陷FRP与芯材分离芯材与蒙皮粘结力差;芯材表面有脱模剂;从芯材中挥发出的气体;固化时过高的放热温度灌注填充不完全芯材尺寸控制不当FRP蒙皮开裂蒙皮材料力学性能差;芯材位移;芯材中可挥发气体膨胀;合模缝处所夹增强材料浸渍不良表3 历年RTM夹芯制品在Ford汽车中的应用状况年 代型 号部 件备 注1986Escort前后结构件RTM应用的开始,产品重量20kg(原件由44件金属冲压件组成,重量为29kg) ,产品为RTM泡沫夹芯结构,选用玻纤织物和乙烯基树脂,玻纤织物经予成型,玻纤含量35 % ,注射压力5×104Pa ,注射时。