原理
複合材料的概念是指一種材料不能滿足使用要求,需要由兩種或兩種以上的材料複合在一起,組成另一種能滿足人們要求的材料,即複合材料。例如,單一種玻璃纖維,雖然強度很高,但纖維間是松散的,隻能承受拉力,不能承受彎曲、剪切和壓應力,還不易做成固定的幾何形狀,是松軟體。
如果用合成樹脂把它們粘合在一起,可以做成各種具有固定形狀的堅硬制品,既能承受拉應力,又可承受彎曲、壓縮和剪切應力。這就組成了玻璃纖維增強的塑料基複合材料。由于其強度相當于鋼材,又含有玻璃組分,也具有玻璃那樣的色澤、形體、耐腐蝕、電絕緣、隔熱等性能,象玻璃那樣,曆史上形成了這個通俗易懂的名稱“玻璃鋼”,這個名詞是由原國家建築材料工業部部長賴際發同志于1958年提出的,由建材系統擴至全國。
玻璃鋼的含義就是指玻璃纖維作增強材料、合成樹脂作粘結劑的增強塑料,國外稱玻璃纖維增強塑料。随着我國玻璃鋼事業的發展,作為塑料基的增強材料,已由玻璃纖維擴大到碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、氧化鋁纖維和碳化矽纖維等,無疑地,這些新型纖維制成的增強塑料,是一些高性能的纖維增強複合材料,再用玻璃鋼這個俗稱就無法概括了。考慮到曆史的由來和發展,通常采用玻璃鋼複合材料,這樣一個名稱就較全面了。
分類
玻璃鋼産品分類:
玻璃鋼罐:玻璃鋼儲罐,鹽酸儲罐,硫酸儲罐,反應罐,防腐儲罐,化工儲罐,運輸儲罐,食品罐,消防罐等;
玻璃鋼管:玻璃鋼管道,玻璃鋼夾砂管,玻璃鋼風管,玻璃鋼電纜管,玻璃鋼頂管,玻璃鋼工藝管等;
塔器:幹燥塔,洗滌塔,脫硫塔,酸霧淨化塔,交換柱等;
衛生間:衛生間底盤,衛生間頂闆。
其他:角鋼,線槽,拉擠型材,三通,四通,玻璃鋼格栅等。
基本介紹
玻璃鋼英文即FRP,别名:玻璃纖維增強複合塑料,是用玻璃纖維增強劑和不飽和聚酯、環氧樹脂與酚醛樹脂粘合劑為基本組成。由于所使用的樹脂品種不同,因此有聚酯玻璃鋼、環氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼之稱。玻璃鋼的特點質輕而硬,不導電,機械強度高,回收利用少,耐腐蝕等可以代替鋼材制作的各種機器零件、汽車、船舶外殼等。玻璃纖維直徑很小,一般在10μm以下,缺陷較少又較小,斷裂應變約為千分之三十以内,是脆性材料,易損傷、斷裂和受到腐蝕。基體相對于纖維來說,強度、模量都要低很多,但可以經受住大的應變,往往具有粘彈性和彈塑性,是韌性材料。
性能
玻璃具有硬但易碎,具有很好的透明性以及耐高溫、
耐腐蝕等性能;同時鋼鐵很硬并且不易碎,也具有耐高溫的特點。于是人們開始想,如果能制造一種既具有玻璃的硬度、耐高溫、抗腐蝕的性質,又具有鋼鐵一樣堅硬不碎的特點,那這種材料一定會大有用途。
人們經過研究試驗,終于制出了這樣一種複合材料。它,就是能與鋼鐵比肩而立的玻璃鋼。
我們先來看一個試驗,了解了解它的性能優良與否。在一個群山環抱、綠樹成蔭的山谷裡,一次試驗正在進行。遠在二百米以外的掩體後的人們,眼睛都盯着山谷中央放着的一個氧氣瓶。空氣壓縮機有節奏地轉動着,通過合金鋼管道向那
氧氣瓶不斷地充氣。壓力表上的指針牽動着每個人的心。讀數從100—200—400—500漸漸上升,直到700公斤1平方厘米時,隻聽得一聲震天巨響,氧氣瓶爆炸了!周圍的人們歡呼着跳起來:“成功了!”
氧氣瓶是一種耐高壓容器。它所承受的工作壓力是150公斤/平方厘米。為了使用安全,制造時要求它能忍受三倍的工作壓力,即450公斤/平方厘米。不爆裂,才算合格。上面試驗的氧氣瓶,遠遠超出了設計要求。這是用什麼鋼材制成的呢?是玻璃鋼,更為确切的說,是玻璃與塑料複合在一起制成的。
玻璃是硬而脆的材料,一摔就碎,這帶有玻璃名的玻璃鋼經得起摔嗎?于是又進行了新的試驗。
将另一隻玻璃鋼氧氣瓶充氣到150公斤/平方厘米,然後從山頂上滾下山谷。它與嶙峋的
岩石碰撞着,一直滾到谷底仍然沒有爆裂。玻璃鋼氧氣瓶經過了質量鑒定考試。
一般玻璃的耐拉強度隻有普通鋼材的八分之一。把玻璃融化,拉成隻有頭發直徑的十幾分之一那麼細的玻璃纖維,原來又硬又易碎的玻璃就變成了又軟又耐拉的玻璃纖維,其耐拉強度可增加十幾倍。
大家都知道,水泥塊耐壓,鋼材耐拉。用鋼材作筋骨,水泥砂石作肌肉,讓它們凝為一體,互相取長補短,變得堅強無比——這就是鋼筋混凝土。
同樣,如我們用玻璃纖維作筋骨,用合成樹脂(酚醛塑料、環氧樹脂及聚酯樹脂)作肌肉,讓它們凝為一體,制成的材料,其抗拉強度可與鋼材相媲美—因此得名叫玻璃鋼。
優點
根據《中國玻璃鋼行業産銷需求與投資預測分析報告前瞻》
統計,玻璃鋼的特點主要有以下幾個方面:
輕質高強
相對密度在1.5~2.0之間,隻有碳鋼的1/4~1/5,可是拉伸強度卻接近,甚至超過碳素鋼,而比強度可以與高級合金鋼相比。因此,在航空、火箭、宇宙飛行器、高壓容器以及在其他需要減輕自重的制品應用中,都具有卓越成效。某些環氧FRP的拉伸、彎曲和壓縮強度均能達到400Mpa以上。
耐腐蝕
FRP是良好的耐腐材料,對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力。已應用到化工防腐的各個方面,正在取代碳鋼、不鏽鋼、木材、有色金屬等。
電性能好
是優良的絕緣材料,用來制造絕緣體。高頻下仍能保護良好介電性。微波透過性良好,已廣泛用于雷達天線罩。
熱性能良好
FRP熱導率低,室溫下為1.25~1.67kJ/(m·h·K),隻有金屬的1/100~1/1000,是優良的絕熱材料。在瞬時超高溫情況下,是理想的熱防護和耐燒蝕材料,能保護宇宙飛行器在2000℃以上承受高速氣流的沖刷。
可設計性好
(1)可以根據需要,靈活地設計出各種結構産品,來滿足使用要求,可以使産品有很好的整體性。
(2)可以充分選擇材料來滿足産品的性能,如:可以設計出耐腐的,耐瞬時高溫的、産品某方向上有特别高強度的、介電性好的,等等。
工藝性優良
(1)可以根據産品的形狀、技術要求、用途及數量來靈活地選擇成型工藝。
(2)工藝簡單,可以一次成型,經濟效果突出,尤其對形狀複雜、不易成型的數量少的産品,更突出它的工藝優越性。
缺點
彈性模量低
FRP的彈性模量比木材大兩倍,但比鋼(E=2.1E5)小10倍,因此在産品結構中常感到剛性不足,容易變形。
可以做成薄殼結構、夾層結構,也可通過高模量纖維或者做加強筋等形式來彌補。
長期耐溫性差
一般FRP不能在高溫下長期使用,通用聚酯FRP在50℃以上強度就明顯下降,一般隻在100℃以下使用;通用型環氧FRP在60℃以上,強度有明顯下降。但可以選擇耐高溫樹脂,使長期工作溫度在200~300℃是可能的。
老化現象
老化現象是塑料的共同缺陷,FRP也不例外,在紫外線、風沙雨雪、化學介質、機械應力等作用下容易導緻性能下降。
剪切強度低
層間剪切強度是靠樹脂來承擔的,所以很低。可以通過選擇工藝、使用偶聯劑等方法來提高層間粘結力,最主要的是在産品設計時,盡量避免使層間受剪。
生産方法
基本上分兩大類,即濕法接觸型和幹法加壓成型。如按工藝特點來分,有手糊成型、層壓成型、RTM法、擠拉法、模壓成型、纏繞成型等。手糊成型又包括手糊法、袋壓法、噴射法、濕糊低壓法和無模手糊法。
目前世界上使用最多的成型方法有以下四種。
①手糊法:主要使用國家有挪威、日本、英國、丹麥等。
②噴射法:主要使用國家有瑞典、美國、挪威等。
③模壓法:主要使用國家有德國等。
④RTM法(樹脂傳遞模塑):主要使用國家有歐美各國、日本。
還有:纖維纏繞成型法、拉擠成型法和熱壓灌成型法等等。
我國有90%以上的FRP産品是手糊法生産的,其他有模壓法、纏繞法、層壓法等。日本的手糊法仍占50%。從世界各國來看,手糊法仍占相當比重,說明它仍有生命力。手糊法的特點是用濕态樹脂成型,設備簡單,費用少,一次能糊10m以上的整體産品。缺點是機械化程度低,生産周期長,質量不穩定。我國從國外引進了擠拉、噴塗、纏繞等工藝設備,随着FRP工業的發展,新的工藝方法将會不斷出現。
應用
雕塑模具
通過先制作出玻璃鋼雕塑模具,來制作生産玻璃鋼制品,滿足人們現實生産生活中的需要。
一、玻璃鋼雕塑石膏模
石膏模特點是耐熱、價廉、導熱系數小、複印性好。一般用于制作母模。制造方便,适于大型制品。但是不耐用,怕沖擊,幹燥慢。多用于單一産品以及線型複雜的産品,如浮雕等。所用的石膏多為半水石膏即熟石膏。與水泥模一樣,可用磚頭、木材做骨架基礎,再複以石膏層造型。為了提高剛度,防止裂紋,可在石膏中加入足夠的填料,如加入石英,可減少收縮和裂紋,加入水泥(石膏:水泥=7:3)增加強度。也有人提出用石膏加入适量乳膠,用水稀釋來制模,強度好,不起粉等。 石膏模可用作低熔點合金模的母模,在熱态下澆鑄合金。用石膏母模翻制石膏鑄型(子模)時,母模表面要塗以分離劑,如鉀皂溶液、變壓器油、食用油、20%硬脂酸十80%煤油,或汽油十凡士林等。石膏模可用帶水筆蘸取石膏粉進行修補。石膏模烘幹工藝是:(60~120)℃/(4~5)L,自然冷卻後用金相砂紙輕輕抛光,然後再烘(100~150)℃/(8~10)L,(200~230)℃/(20~24)L。
二、玻璃鋼雕塑橡膠模
橡膠模一般用矽橡膠、聚氨酯樹脂制作,用于制作造型複雜的浮雕、圓雕及各種造型,并不單獨使用,須與石膏套模等其他材料組成,通常用于模具中因線型倒入或重疊而不能直接脫模的某一部位,因它有一定軟性,當外模脫模後,它能随意拉出,如獅子、龍等動物或菩薩、卡通人物。批量不大時,用此方法。
三、玻璃鋼雕塑石蠟膜
石蠟膜用于數量不多或者線型複雜、不易脫模的産品。比如,要制造一個整體式彎管,包括90°彎管,可用兩個彎頭哈夫作母模,在内90°腔注滿石蠟後,脫去哈夫母模後,将石蠟模芯稍加修整,然後在外壁包複玻璃鋼,固化後加熱,使石蠟熔化流出,即可得到一個整體的玻璃鋼産品。為了減少收縮變形,提高剛度,可在石蠟中加入5%左右的硬脂酸。制造方便,脫模容易,石蠟可反複利用。但精度不高。另一種用法:濕法卷管時,可将鋼管浸到70~80℃熔化的石蠟中,提起來冷卻後再浸,反複進行,直到所需厚度時,表面稍加修整,即可包複玻璃鋼,為防止石蠟開裂,可在蠟中加入少量黃油。也可在蠟的外面包複一層薄的玻璃紙,以此作為模芯,玻璃鋼固化後,加熱鋼管石蠟熔化即可脫模。
四、混凝土模
混凝土模多用于線型規則和重複使用次數少的産品,如螺旋形、波形、圓形、拱形或立體槽狀産品。成本低,剛性好,可用磚頭砌成基礎,再複以水泥砂漿,進行打磨、上膩子,再經過打磨、抛光、噴漆等措施。這種水泥模可直接用于生産玻璃鋼制品,也可用于翻制玻璃鋼模具的母模。水泥模幹燥慢,即使在正常條件下,也要一周以上才能進行塗漆等表面施工。
五、玻璃鋼雕塑木模
木模主要用于線形較平直的大型産品。木模可以直接用來作為玻璃鋼産品的成型模具,也可作為翻制玻璃鋼模具的過渡母模。用于制作模具的木材有紅松、銀杏、杉木等,要求含水量達15%,并且不易收縮變形,無節。木模制作後,可塗上0.2~0.3垃垃厚度的樹脂(表面膩子),再用水砂紙由粗到細打磨四次,最後一次用800#或1000#砂紙打光,再塗上抛光膏用抛光器抛光,再打上石蠟,木模即成。也可直接在木模上刷油漆、罩光來制造木模。
六、玻璃鋼雕塑金屬模
金屬模特别是鋼模,一般用于尺寸小、批量大的模壓産品。如制作玻璃鋼平闆時表面光潔的不鏽鋼闆;制作型材時用角鋼、槽鋼。因為模壓産品不僅要加壓,還要加熱。也有用于外形不複雜的大型産品。黃銅雖是常見金屬,但因易受樹脂輔助劑侵蝕,并會對樹脂固化産生不利影響,除非在工作面已鍍鉻或其他金屬的場合,否則不宜采用。金屬模具的制造加工很困難、成本高。另有低熔點合金模其成分是:Z九93%、A14%、Cu3%、M合0.5%,當溫度為50~80℃時,合金硬度(HB)為100左右。其流動性好,耐磨性差,适于制造形狀複雜、花紋精細的塑料成型模腔,使用溫度一般>80℃。另一種低熔點金屬是58%铋,42%錫,熔點135℃。低熔點合金模的優點是制模周期短、工藝簡單,可重複使用。
檢測項目
力學性能:彎曲強度、拉伸強度、抗壓強度、沖擊強度等;
光學性能:透光率、折射率等;
熱學性能:比熱、導熱系數、熱變形溫度、耐燃性、自熄性等;
電學性能:表面電阻、體積電阻、擊穿電阻、介電常數、耐電弧性等;
化學性能和耐介質性能等:如耐水性、耐溶劑性、耐堿性、耐油性。等;
其他性能:如比重、硬度、密度、樹脂含量、吸水性、耐磨耗性、孔隙含量等等;
用途
玻璃鋼是近五十多年來發展迅速的一種複合材料。玻璃纖維的産量的70%都是用來制造玻璃鋼。玻璃鋼硬度高,比鋼材輕得多。噴氣式飛機上用它作油箱和管道,可減輕飛機的重量。登上月球的宇航員們
,他們身上背着的微型氧氣瓶,也是用玻璃鋼制成的。玻璃鋼加工容易,不鏽不爛,不需油漆。我國已廣泛采用玻璃鋼制造各種小型汽艇、救生艇、遊艇,以及汽車制造業等,節約了不少鋼材。由于玻璃鋼是一種複合材料,其性能的适應範圍非常廣泛,因此它的市場開發前景十分廣闊。據有關統計資料,世界各國開發的玻璃鋼産品的種類已達4萬種左右。雖然各國均根據本國的經濟發展情況,開發的方向各有側重,但基本上均已涉及到各個工業部門。我國玻璃鋼工業經過四十多年來的發展,也已在國民經濟各個領域中取得了成功的應用,在經濟建設中發揮了重要的作用。現将玻璃鋼主要的應用領域,粗略地概括如下:
1、建築行業:冷卻塔、玻璃鋼門窗New、建築結構、圍護結構、室内設備及裝飾件、玻璃鋼平闆、波形瓦、裝飾闆、衛生潔具及整體衛生間、桑拿浴室、沖浪浴室,建築施工模闆、儲倉建築、混凝土模闆、筋材,以及太陽能利用裝置等等。
2、化學化工行業:耐腐蝕管道、貯罐貯槽、耐腐蝕輸送泵及其附件、耐腐閥門、格栅、通風設施,以及污水和廢水的處理設備及其附件等等。
3、汽車及鐵路交通運輸行業:汽車殼體及其他部件,全塑微型汽車,大型客車的車體外殼、車門、内闆、主柱、地闆、底梁、保險杠、儀表屏,小型客貨車,以及消防罐車、冷藏車、拖拉機的駕駛室及機器罩等。
4、鐵路運輸方面,有火車窗框、車内頂彎闆、車頂水箱、廁所地闆、行李車車門、車頂通風器、冷藏車門、儲水箱,以及某些鐵路通訊設施等。
5、公路建設方面,有交通路标、隔離墩、标志樁、标志牌、公路護欄等等,船艇及水上運輸行業。
6、内河客貨船、捕漁船、氣墊船、各類遊艇、賽艇、高速艇、救生艇、交通艇,以及玻璃鋼航标浮鼓及系船浮筒等等。
7、電氣工業及通訊工程:有滅弧設備、電纜保護管,發電機定子線圈和支撐環及錐殼,絕緣管、絕緣杆,電動機護環,高壓絕緣子,标準電容器外殼,電機冷卻用套管,發電機擋風闆等強電設備;配電箱及配電盤,絕緣軸,玻璃鋼罩等電器設備;印刷線路闆、天線、雷達罩等電子工程應用。
随着科學技術的發展,以及人民生活水平的提高,許多民用玻璃鋼産品大量地被開發,例如許多城市雕塑、工藝美術造型,快餐桌椅、摩托車部件、玻璃鋼花盆、安全帽、高級遊樂設備、家用電器外殼等,都成功地被大量應用。
可制作玻璃鋼瓦,又稱透明瓦.是和鋼結構配套使用的采光材料,其主要由高性能上膜、強化聚脂和玻璃纖維組成,其中上膜要起到很好的抗紫外線抗靜電的作用,抗紫外線是為了保護FRP采光闆的聚酯不發黃老化,過早失透光特性。抗靜電是為了保證表面的灰塵輕易被雨水沖走或被風吹走,維持清潔美觀的表面。由于其穩定的質量、經久耐用的特點,深受顧客的歡迎,産品可廣泛使用在工業/商業/民用建築額屋面和牆面。
電影界用來做道具,既方便快捷,又省成本.可以仿制很多種材料效果.受到人們的歡迎.化工廠也采用酚醛樹脂的玻璃鋼代替不鏽鋼做各種耐腐蝕設備,大大延長了設備壽命。玻璃鋼無磁性,不阻擋電磁波通過。用它來做導彈的雷達罩,就好比給導彈戴上了一副防護眼鏡,既不阻擋雷達的“視線”,又起到防護作用。許多導彈和地面雷達站的雷達罩都是玻璃鋼制造的。
發展前景
玻璃鋼是複合材料的一種,玻璃鋼材料因其獨特的性能優勢,已在航空航天、鐵道鐵路、裝飾建築、家居家具、廣告展示、工藝禮品、建材衛浴、遊艇泊船、體育用材、環衛工程等等相關十多個行業中廣泛應用,并深受贊譽,成為材料行業中新時代商家的需求寵兒。玻璃鋼制品也不同于傳統材料制品,在性能、用途、壽命屬性上大大優于傳統制品。其易造型、可定制、色彩随意調配的特點,深受商家和銷售者的青睐,占有越來越大的市場比分,前景廣闊!
具體有如下這些行業:黑色冶金業、有色冶金業、電力行業、煤炭業、石油化工、化學工業、機電工業、紡織工業、汽車及摩托車制造業、鐵路業、船舶工業、建築業、輕工業、食品工業、電子工業、郵電業、文化、體育及娛樂業、農業、商業、醫藥衛生業,及軍工及民用應用等各個方面的應用領域。
涉及這些産業部門應用的主要玻璃鋼産品類别,有:礦山通風設備、煉焦及相關設備、稀土冶煉及鐵合金冶煉相關設備、冷軋及電鍍設備,輸變電設備、風力發電設備、火力發電用水管、冷卻水設備、電力管理及維修工器具,煤礦鳳筒、隔爆水袋、防爆裝置,石油開采相關部件及設備、石油化工設備,化工設備、化工建築用材、礦山通風設備,電動機部件、零配件、電鍍設備、風力發電機及部件,紡織印染設備、設施及部件,汽車制造用材及部件、汽車維修用材、摩托車制造用材及部件,鐵路機車車輛用材及相關設施、鐵路信号系統用材及相關部件,各種各類江河湖海船艇、大型鋼船艇配套零部件及附屬設施,建築設施及用材、衛生間、廚房、門窗、波形瓦、冷卻塔、建築通風空調設施、建築模闆等,輕工日用化學及造紙業用的相關設施、家用電器、酒類、制革、家俱用材,食品貯罐用途,電子工業用設備、生活消費品用材及電子設備配件,郵電電信器材配套設施,體育器械、遊樂器材及相關設施,農業噴灌設備、暖房溫室、農機具配件、冷庫、水産養殖,商業櫃台、商業包裝箱、商用冷藏庫,醫藥工業設施及醫療衛生用途等等。
相關工藝
玻璃鋼酸霧淨化塔的結構和工藝:
第一,玻璃鋼酸霧中和塔中需要有填料層的設計,該填料層有其适合的高度,φ50毫米的塑料環或者有許多個面的空心球體,這樣的作用在于塔中的堿液能與酸霧增大接觸面積,并且長時間的接觸,很自然的就增加了吸收的效率了,化學反應後生成的廢氣從淨化塔的頂風冒放掉。
第二,堿液泵内置氟塑料或塑料味離心泵,這樣的設計的作用在于其耐腐蝕,且運轉效果很好,設備在定期檢查或修理的時候也很方便;
第三,排風這點比較重要,所選排風機A式傳動,配備的是由聚酯聚丙烯制成的風機。
第四,堿液箱的旁邊安裝了能上下的梯子和排污管道,檢修方便很多。
玻璃鋼酸霧淨化塔用途很明顯,是工業領域中酸霧淨化環節所必須的,玻璃鋼制成的淨化塔效率高,成本低,耐用,節能環保,深受各企業的喜愛。
選擇方法
玻璃鋼格栅不同的地方其作用也有很大的不同,怎麼才能知道自己所需要的玻璃鋼格栅呢?
首先,要确定需要玻璃鋼格栅闆是用來做什麼的,也就是明确其使用目标。如洗車場的廠商買格栅闆就是準備把格栅闆用作洗車的承載闆。
其次,确定了玻璃鋼格栅的用途之後,就是确定使用的格栅闆的尺寸和規格的時候了。通過廠家的相關介紹可以大概的對格栅闆有了一定的了解,如在洗車場内,可以選擇2.5cm厚度的格栅闆或者是3.8cm厚度的格栅闆。在電鍍設備廠,常用的是2.5cm厚度的格栅闆。而在污水處理廠、化工廠經常是的是3.8cm厚度的格栅闆。
再有,選擇了合适厚度的玻璃鋼格栅之後,要計算出使用時格栅闆的尺寸。如在洗車場中。一個洗車位的尺寸大多是1.220m*2.440m,而玻璃鋼格栅的尺寸是1.220*3.660的,這就需要經過切割之後才能投入使用。
最後,選擇合适的原材料制作符合要求的玻璃鋼格栅闆,如使用在化工廠或者是污水處理廠的格栅闆,就需要選擇耐腐蝕性較高的樹脂進行生産。
隻有了解了這些步驟,才能從容選擇自己需要的玻璃格栅。