漫話FRP/CM行業的技術進步-----中國玻璃鋼工業協會 陳博

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相比傳統材料，FRP只是一個小弟弟。2004年全世界鋼材產量突破10億噸，我國產量達2.7億噸，，相當于美國、日本、德國、法國、意大利、英國的總和（從2001到2004年年均增長20.8%）。全球玻璃鋼的產量約700萬噸，我國去年產量逾140萬噸，超過歐洲、日本，居世界第二位。根據我國發展指導性規劃，2015年FRP產量將達到180萬噸，將超過迄今美國。欲使我國FRP/CM行業真正做大做強，從勞動密集型成長為技術密集型，除堅持科技是第一生產力外，別無他途。
一、材料技術包含五個方面
復合材料的技術可歸納為五個方面：設計、原輔材料、工藝、設備及測試。
設計水平基于復合材料力學、原輔材料、工藝、設備乃至測試等知識的總匯，當然還需要美學、心理學等多方面知識。一個合格的復合材料工作者必須要掌握這五方面的基本知識；一個較好的復合材料公司要具備這五方面的合格人才。
下面結合我國FRP/CM行業的發展，重點談談原輔材料、生產工藝及技術裝備。
二、    原輔材料
1、    增強材料：我國已能高品質規模化生產合股與直接無捻粗紗、無捻粗紗布、單向布、BMC熱塑性樹脂短切紗、短切原絲
氈、濕法薄氈、縫編氈、縫編織物及其復合氈、多軸向織物，唯連續氈濕態強度尚不能滿足拉擠成型的要求。
最近常州吳氏公司成功開發了3D玻纖織物芯材及其生產設備。這種芯材采用玻纖編織兩面層之間由立著的紗聯成一體的空間織物。世界上僅個別國家能生產?？捎糜谥圃祀p壁管、雙壁罐、絕熱隔音板、造船等。相信會引起國內外復合材料業者的關注。

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眾所周知，碳纖維與芳綸仍是制約我國發展先進復合材料的瓶頸。
目前我國連續玄武巖纖維的生產技術已大體相當于俄羅斯、烏克蘭的水平。2003年我到俄羅斯纖維研究院交流，他們玄武巖拉絲不斷頭，原絲筒達2公斤水平。我國“863”項目已達到2.8公斤的水平，現已開發成功耐高溫過濾氈、防火服等產品，在電廠混凝土冷卻塔  上成功得到應用。玄武巖纖維耐化學性、耐水性、工作溫度范圍、彈性模量等性能優于玻纖，據稱其與環氧樹脂的結合優于玻纖，俄羅斯用其生產高壓復合材料管。碳纖維模量、強度高，但它導電傳熱，不能透波、有屏蔽作用，而玄武巖的性價比較理想，現已用于建筑結構補強，在國防軍工上的應用更是方興未艾。據悉1975年7月17日美國“阿波羅” 號載人宇宙飛船與蘇聯”聯盟——97“首次在空間實現對接，而美國“阿波羅”號結構上就采用了前蘇聯提供的玄武巖纖維。
面對如此眾多的纖維增強材料要善于選擇應用。舉個最簡單的例子，短切氈所用粘接劑有粉狀與液狀兩種，這兩種粘接劑的短切氈均可以手糊法生產大面積、非大量生產的產品，然對采光要求的板材或對于直徑較小、曲率較大結構的制品，則以采用粉狀粘接劑的短切氈為佳。
國內已有將熱塑性纖維（如PA、PP）與玻纖混編的縫編織物，可直接將其熱壓成玻璃鋼制品（如滑雪板、帆板）。
鑒于同樣重量的縫編織物與方格布，前者強度高（前者纖維平直，后者彎曲），若強度相同，所用縫編織物量就比方格布輕，可奏減少制品重量與降低成本之效，且對樹脂的浸漬性較好。在制作管道或貯罐內襯時，縫編氈因有線縫，工人操作工藝性較好。往復式交叉纏繞玻璃鋼管道時，管道兩端的“過渡段”纖維纏繞角大，軸向強度不夠，需采用單向布與短切氈補強。
2、武漢理工大學王均教授稱：“人們制作復合材料制品往往從成型工藝入手，我的主導思想是先從原材料著手，解決問題?！蔽矣X得很有道理。他們已研發成功澆鑄體Tg190℃的環氧樹脂，其熱變形溫度為270℃，彎曲強度大于100MPa，模量達4.4Gpa；還開發了適應不同FRP成型工藝的低粘度樹脂及高效低成本低收縮樹脂添加劑。國產紫外光固化不飽和聚酯樹脂與膠衣已在軌道車輛上推廣應用，充分發揮其固化快、固化度高、污染小的優點。不久前我在巴黎JEC展會上看到國外有一家公司（CIBA）展出此類樹脂，據稱：1）生產周期提高3～4倍；2）VOC（揮發性有機化合物）——苯乙烯減少10%～30%；3）不用過氧化物固化劑與鈷鹽促進劑，而這兩種材料的儲存、運輸、使用都必須倍加小心；4）樹脂儲存期較長——至少半年；5）比加熱固化節能，且物理性能相當；6）延長樹脂工藝線上的“生存”時間；7）可靈活調節生產節奏。
華東理工大學研發了熱變形溫度高于間苯樹脂而價格又十分富于競爭力的樹脂。
天和樹脂公司開發的芳基乙炔聚合物可作為新型耐燒蝕材料，其澆鑄體Tg316℃，起始熱分解溫度達503℃，900℃時成碳率達84%。
加拿大RS公司推出了可用于拉擠成型的PU樹脂，我用PU多用于泡沫塑料，沒有FRP用的液狀樹脂。據介紹，PU樹脂與UP樹脂比較，其拉伸強度、層間剪切、拉伸模量、無缺口沖擊、延伸率分別為13倍（原文如此，疑有誤）、3.44倍、2.35倍、0.43倍，當玻纖含量75.8%時，采用PUR的拉擠型材熱變形溫度大于200℃，拉伸強度大于900 MPa，壓縮強度大于540 MPa，彎曲強度大于1.15 Gpa，值得關注。

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近年開發成功許多高、中溫固化用的引發劑，提高SMC/BMC、拉擠等工藝的生產效率（下述之），達到節能與減少設備與模具的投資效果，希望引起有關生產企業的重視。
助劑、填料的合理使用，可奏改善工藝性、提高產品質量及降低成本之效。如高壓玻璃鋼管端螺紋原用磨碎玻纖，后改用復合礦物填料，性能完全符合要求，而成本僅為原來的1/40。
三、    管道與貯罐制造技術
1、    玻璃鋼管道生產工藝可分為往復式交叉纏繞、連續纏繞（鋼帶法是比較成熟的）、離心澆鑄法三大類，其各自優缺點此不贅述，其選擇與產品對象、同種尺寸產品生產規模、企業投資能力等因素有關。第一種方法靈活性大，高壓管、頂管、牽引管都能做，且投資少，目前擁有8臺機器（內襯制造、纏繞夾砂、修整、脫模各1臺、固化站4臺）的一條完整生產線不足國際價格的1/8。連續管不存在往復交叉纏繞因在過度段兩斷纏繞角變大導致兩端軸向強度低而需縱向補強的問題，且人為因素小，管子質量穩定，故在工作壓力不高、同一規格產量大時，可考慮采用連續管生產線。

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國際上鋼帶式連續管線最早是由丹麥發明，美國與意大利買了丹麥的專利，各自又加以發展，以色列也轉讓技術，以公司總工系原美OCF公司的工程師。技術水平差不多，現都加有縱向補強與濕法夾砂裝置。這種設備報價不菲，如一定要買，務必貨比三家，選擇性價比優者，不要為“合資“誘餌上當，天下沒有掉下來的餡餅。
2、    往復式纖維纏繞玻璃鋼管，當初引進技術，纏繞角多為54.7º，這是按arctgɑ2 =2,即徑向力與軸向力是2：1考慮的。此系圓柱形容器（兩端封閉）的情況，實際上一般地埋管安裝后軸向力要小得多。

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在JB/T838標準上表4、表5分別列出了有、無長期靜水壓設計基準時的最小環向拉伸強度，表6列出了最小軸向拉伸強度，將表中所列不同直徑、壓力等級的最小環向拉伸壓力與相應最小軸向拉伸壓力一一作出比值，得出結果是0.79～8.68及1.19～13.64，這說明按55 º角纏繞在大多數情況下是不合理的，要滿足工況要求，材料（纖維與樹脂）量要大得多。我會在幾年前的管道技術交流會上多次講明這個道理，近幾年大多企業已能正確選擇纏繞角，并親身體驗到好處：紗用量少了，纏繞快了。
3、近年國內研發成功，并取得自主知識產權的下加砂、斜加砂對提高加砂量、降低樹脂用量、提高生產率取得明顯效果；加砂層施以輥壓對提高管體致密度、提高剛度、強度有利，望業者及早采取積極措施，不要學鴕鳥視而不見，吃虧的是自己。
4、國內高壓管生產技術原型主要是美國史密斯與工程技術公司的技術。高壓管的特點有三：1）采用力學性能好的環氧或乙烯基酯樹脂；2）無內襯層；3）螺紋連接。設備主要要考慮消除芯軸撓度。目前環氧樹脂主要采用酸酐固化劑。一般是甲基四氫鄰苯二甲酸酐，加入量為樹脂的70%；促進劑用季胺鹽（芐基三乙基氯化胺，加入量為樹脂的2%。據無錫樹脂廠原總工程師查文海先生講，他認為甲基氫苯酐應加到80%以上，因為促進劑本身也消耗一部分固化劑。酸酐固化劑的管道工作溫度為80℃以下，對胺類固化的在110℃以下。
今年JEC會上，荷蘭ACP公司介紹了牽引——纏繞高壓玻璃鋼柔性管生產技術，其多個“纏繞站”繞芯軸（分析芯軸可能是懸臂的）纏繞玻纖，而管道則藉履帶（類似拉擠）牽引之。其特點是：采用光固化環氧樹脂，管道可連續生產，最大長度達5公里（無接頭）。

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5、關于耐磨管，內壁以陶瓷為宜，山東中材先進材料公司承擔國家重點新產品項目“高耐磨陶瓷/玻璃鋼復合材料管道”。上海耀華玻璃鋼公司用氧化鋁陶瓷片及用鑄石做耐磨管內壁，取得了成功的經驗。至于用納米改性樹脂作內襯層，個人認為作用有限，還不如用聚氨酯、聚脲做內壁，PA、PVC也差強人意。
6、對安裝介質溫度較高、腐蝕性較強的儲罐內壁，可考慮采用氟塑料內襯，除PTFE外，PVDF、ETFE、PFA、MFA等亦可選用，以達好的性價比。氟塑料制品有管、膜、背覆玻纖布的襯層板，可酌選用，與FRP復合之，達到理想的效果，非一般樹脂內襯可比也。
7、武漢理工大學李卓球教授近年成功開發玻璃鋼頂管設計與施工技術。在廣州市污水主干管工程中DN2.5 m與DN2.27 m，全長分別為2.735公里與2.145公里，地質情況復雜，是泥水平衡式頂管中采用大口徑玻璃鋼管的范例，達到國際領先水平。
8、壓力容器技術瓶頸在內襯，尤其要注意襯體的防冷脆性和螺紋密封，瑞典已開發成功無內襯LPG瓶。
四、SMC/BMC
不久前通過行業鑒定的“快速固化智能SMC技術體系研發及應用項目”采用了復合引發劑，開發了重型汽車部件的結構優化設計與快速成型規?；a技術。部件尺寸達2.1×0.8 m，重型卡車前翻轉板與左右翼子板成型周期從240S、300S縮短到150S、180S，模壓能耗降低33%～40%。
結晶性UPR研制成功為低溫低壓SMC技術創造了物質條件，目前水平是模具溫度100℃，壓力2 Mpa。 原需1800℃的壓機，現在600噸就夠了（當然壓機臺面尺寸要與產品尺寸相適應），這就大大減少了設備投資。
天津市天鍛壓力機有限公司承擔的40,00KN玻璃鋼制品液壓機正開發中?！疤戾憽眽簷C可帶有移動工作臺,便于工人操作；采用西門子觸摸屏閉環控制，提高了整機控制精度與工作穩定性?，F出廠的2500噸壓機的滑塊下行速度10～500mm/s，工作速度精確到0.5～5mm/s。并可實現異地監測與控制。
臺商已在江蘇生產BMC注射機，廣東省也開發成功BMC注射機。采用BMC注射產品，可提高生產率與成品率，對產量較大、形狀復雜的、較小的產品，采用注射比模壓合適。汽車前燈反射面就是BMC注射成型后真空鍍鋁而制成的。
四、    關于FRTP

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國家“863”項目成果基礎上，由華東理工大學與江蘇雙良設計制造的GMT生產線，經一年磨合后，性價比較泊來品具有競爭力。鑒于目前國內GMT年消耗量僅1千余噸，而國內已有的一條線年產能力達3千噸，這點提請擬上GMT生產線的單位注意。

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LFT-D（在線長纖維增強熱塑性塑料）較GMT節能、效率高、成本低，其優勢自不待言。上馬與否的前提是真正市場的需求量。GMT與LFT的對象主要是汽車工業，國內一些主要汽車公司由外商控制，如在北京順義的韓國現代公司，其GMT零部件就是由韓國韓華公司提供的。上GMT與LFT與否必須做好市場調查，如有良好的市場前景，個人認為LFT以引進德國或美國的技術為宜。
日本旭硝子公司原制造的GMT生產線現擱置未用，關鍵還是市場。
目前國內FRTP以注射、擠出為大宗，產量達30萬噸，而GMT不足1/30，這種局面能否改觀，關鍵在于我國汽車工業能否真正自主國產化。
    歐洲與日本近年開發成功PP纖維增強PP復合材料（All-PP）。輕質、高強、沖擊韌性好，更好地解決了回收與環保，是GMT、LFT后的又一新型復合材料，值得關注。
六、拉擠
1、拉擠所用的固化劑歷經早期從美國引進設備帶來的配方TBPB（過氧化苯甲酸叔丁酯）+MEKP（過氧化甲乙酮），臺商帶進來、目前使用較多的TBPB+BPO（過氧化苯甲酰），后者比前者拉擠速度提高40%～60%；現在TBPB+TBPO（過氧化異辛酸叔丁酯）正推廣中，其拉擠速度可較第二種快50%，且型材表面質量有所提高。BPPD（過氧化二碳酸二苯氧乙基酯）被稱為新型拉擠高效固化劑，可單獨或與TBPB和（或）BPO同時使用。在模溫T1=85～140℃、T2=130～170℃拉擠速度可達2m/min。
2、玻璃鋼筋的制造方法筆者分析有四種：