制造纤维增强塑料制品的方法与流程

本发明涉及一种制造纤维增强塑料制品的方法。具体地说，本发明尤其涉及一种采用真空灌注工艺使具有较大厚度的纤维增强塑料制品成型的方法，该方法尤其适用于对诸如聚氨酯树脂、环氧树脂以及不饱和树脂等纤维增强树脂复合材料制品进行真空灌注成型。

背景技术：

真空灌注工艺已经被广泛应用于纤维增强树脂复合材料制品的成型过程中。通常来说，其工艺过程是：首先，在模具上按照设计要求铺设一定层数的纤维并形成纤维预制体，该纤维预制体可包含泡沫、轻木等夹芯材料或其它增强材料。此外，在纤维预制体上还铺设有脱模布或隔离膜、导流网、导流管、注胶口、树脂管、抽气管、抽气口等工艺材料。然后，使用真空袋膜和密封胶条将上述纤维预制体及工艺材料密封起来并形成一个完全密闭的体系，将抽气口与真空泵相连以排出上述密闭体系内的空气，从而达到-0.05MPa至-0.1MPa的真空压力。然后，将树脂管插入到敞口的盛有树脂的料桶内，树脂在大气压力的作用下通过树脂管被真空吸入上述密闭体系，并且在导流管、导流网的辅助下快速浸润纤维预制体。然后，根据所使用树脂的特性，在常温下或对模具进行加热以固化树脂，将上述工艺材料清除并将固化后的产物从模具内取出，即得到最终的制品。

上述工艺过程的关键点是：合理地确立树脂导流体系，即注胶口、导流管、导流网、抽气管、抽气口等工艺材料的位置及尺寸，以使上述纤维预制体内的空气在整个灌注过程中能被顺利地排出，且树脂能在其凝胶之前完全浸润整个纤维预制体，避免干玻纤、白斑等缺陷的产生。

随着复合材料应用领域的拓展，复合材料在游艇、渔船、航空、风电等领域的应用越来越广泛，制品的尺寸也越来越大。制品尺寸的增加、尤其是厚度的增加将极大地增加密闭体系内空气排出的难度，并且延长树脂在纤维预制体内的流动时 间。受限于树脂的粘度及凝胶时间，大厚度制品的真空灌注变得更为困难。

在现有技术中，存在一些试图解决上述技术问题而提出的方案。

例如，中国专利申请CN101708658A公开了一种风机叶片主梁的制造方法，其中，在纤维预制体下方铺设导流网以辅助树脂流动，并且在纤维预制体上方铺设一层透气但不透树脂的半透膜用于抽气。采用该制造方法，树脂从纤维预制体的下方往上浸润纤维预制体，铺设在纤维预制体上方的半透膜可以持续地将纤维预制体内的空气排出并避免因树脂流动不均匀而导致纤维预制体内的局部空气被树脂包围并形成白斑或干玻纤等缺陷。这种制造方法在本技术领域中目前被普遍采用。

但是，该方法也存在以下局限性：由于树脂需要从下方向上浸润整个纤维预制体，树脂因此需流过整个纤维预制体的厚度。受限于树脂粘度和凝胶时间，当树脂在其凝胶时间之内不能完全浸润纤维预制体的全部厚度时，该方法的应用就会受到限制。

又例如，中国专利申请CN103817955A公开了一种灌注碳纤维风机叶片主梁的方法，其中，在纤维预制体的下方和上方均铺设导流网以辅助树脂流动。与玻璃纤维相比，碳纤维的单丝直径更小，丝之间的间隙也更小，因此要使树脂从碳纤维之间流过并浸润树脂也会变得更加困难。由此，碳纤维预制体总体上比玻璃纤维预制体更难灌注。

该方法的一个重要缺陷在于：树脂从灌注开始即从纤维预制体的上方和下方同时向中间流动。在整个浸润过程中，纤维预制体最中间部分的空气很难被有效地排出。这样的结果是：中间的纤维不能充分地浸润，从而形成白斑或干纤维。

国际PCT专利申请WO2004/033176公开了另一种灌注碳纤维预制体的方法，其中，在纤维预制体的下方和上方均铺设导流网以辅助树脂流动。采用该方法，首先从纤维预制体下方的导流网注入树脂，树脂则从纤维预制体下方向上浸润纤维，并使纤维预制体内的空气经由上方的导流网和抽气口排出。等到树脂浸润大约纤维预制体厚度三分之二位置时，从纤维预制体上方的导流网注入树脂，并使树脂从纤维预制体上方向下浸润其余纤维。

该方法避免了纤维预制体上方和下方同时注入树脂导致纤维预制体中间纤维不能充分浸润的问题，但也带来了一些新的技术问题：其一，设置在纤维预制体上方的注胶口和抽气口会在大气压力作用下紧紧地压在纤维预制体之上而形成印痕，导致纤维弯曲并影响制品性能和表面质量；其二，该方法中纤维预制体上方注胶口 和抽气口均与纤维预制体上方的导流网相连以加强树脂注入初期纤维预制体内空气的排出速度。经实践证明，采用该方式，从纤维预制体上方的注胶口注入的树脂会非常快速地经由导流网而流入抽气口，导致抽气中断。此时，纤维预制体内的空气将不能继续排出并在导流网下方产生干玻纤或白斑等缺陷。

再例如，中国专利申请CN104325658A公开了一种风机叶片主梁的制造方法，其中，在纤维预制体的下方和上方均铺设导流网以辅助树脂流动。采用该方法，首先从纤维预制体下方的导流网注入树脂，树脂从纤维预制体下方向上浸润纤维。当纤维预制体接近注胶口的部分被树脂完全浸润且树脂流动到纤维预制体上方的导流网时，开始从上方导流网注入树脂。树脂于是从纤维预制体上方向下浸润纤维并最终实现完全灌注。

该工艺的一个显著缺陷在于：设置于纤维预制体上方的注胶管需悬浮在纤维预制体之上以避免注胶管和注胶口与纤维预制体直接接触而形成印痕，并最终影响制品性能和表面质量。实践证明，在制造过程中实施该方法是非常困难的，因此难以应用于实际生产。除此之外，该方法采用在纤维预制体顶端远离注胶口的一侧设置单层抽气通道的方式，由于树脂流动的不均匀性，该抽气通道极易被从纤维预制体底部渗透上来的树脂堵住而导致该通道附近的空气不能持续地被排出。同时，由于该抽气通道的位置最为远离树脂注胶口、即为整个纤维预制体最后才能被浸润的部分，抽气通道被树脂堵住的结果是靠近该抽气通道位置的玻璃纤维极易因空气不能充分排出而形成干玻纤或白斑。

综合以上现有技术，在灌注具有较大厚度或树脂较难浸润的纤维(例如，碳纤维)预制体时，迫切需要开发一种既能实现纤维预制体完全充分浸润且避免产生干玻纤和/或白斑等缺陷、又能有利于在制造过程中实施的纤维增强塑料制品的制造方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种既能实现具有较大厚度或树脂较难浸润的纤维预制体完全充分浸润且避免产生干玻纤和/或白斑等缺陷、又能有利于在制造过程中实施的纤维增强塑料制品的制造方法。

本发明旨在提供一种制造纤维增强塑料制品的方法，包括以下步骤：

-在模具上制备纤维预制体，在模具与纤维预制体之间铺设第一脱模布和第一 导流网；

-在纤维预制体上方铺设第二脱模布和第二导流网；

-在第一导流网和第二导流网上分别设置用于供应树脂的第一注胶口和第二注胶口；

-对纤维预制体进行密封而使其成为一个密闭体系，将密闭体系中的空气通过抽气口抽出，直至该密闭体系成为真空体系；

-通过第一注胶口将树脂供应给第一导流网，以使树脂渗透第一脱模布并由下往上地浸润纤维预制体；

-通过第二注胶口将树脂供应给第二导流网，以使树脂渗透第二脱模布并由上往下地浸润纤维预制体；以及

-获得被树脂浸润的纤维预制体并最终获得纤维增强塑料制品，

其特征在于，

在纤维预制体靠近树脂注入的一侧设置第一薄膜，以覆盖第一注胶口、第一脱模布、第一导流网和纤维预制体的至少一部分，在通过第一注胶口将树脂供应给第一导流网之后，当树脂在纤维预制体上方流动超出第一薄膜所覆盖的区域时，通过第二注胶口将树脂供应给第二导流网。

较佳地是，第一薄膜5a覆盖纤维预制体2的第一覆盖宽度a可以为纤维预制体2厚度的0.5至10倍，更佳地为0.5至2倍，最佳地为1至2倍。

另一方面，在纤维预制体靠近气体抽出的一侧未铺设第二导流网的区域内铺设透气但不透树脂的半透膜，抽气口设置在半透膜之上。半透膜与抽气口之间可以设有透气材料。

可以在纤维预制体的靠近气体抽出的一侧设置挡边，使铺设在纤维预制体边缘处的第二脱模布和半透膜延伸到挡边上。

或者，也可以在纤维预制体的靠近气体抽出的一侧设置挡边，使铺设在纤维预制体边缘处的第二脱模布延伸到挡边和模具上并构成脱模布延伸段，抽气口设置在脱模布延伸段上方，并用第二薄膜至少部分地覆盖脱模布延伸段和抽气口并局部覆盖纤维预制体。

较佳的是，第二薄膜5b所覆盖的纤维预制体上方的宽度为未铺设导流网的区域宽度的10％到70％，更佳地为20％到50％。

作为又一种替代方式，可以在第二薄膜上铺设第三脱模布，第三脱模布的一侧 在纤维预制体上方超出第二薄膜所覆盖的区域并与第二脱模布搭接，第三脱模布的另一侧在纤维预制体之外覆盖在模具或挡边上，但不超出第二薄膜所覆盖的区域。

第三脱模布上方可以设有将密闭体系中的空气抽出的辅助抽气口。

此外，纤维预制体靠近树脂注入的一侧可以完全位于第一导流网之上，纤维预制体靠近气体抽出的一侧伸出第一导流网。

较佳地是，该伸出宽度可以为纤维预制体厚度的0.5倍至5倍，更佳地为0.5至2倍，最佳地为1至2倍。

此外，第二导流网在纤维预制体靠近气体抽出的一侧距离纤维预制体边缘的距离可以为纤维预制体厚度的0.5至10倍，更佳地为1至5倍，最佳地为1.5至3倍。

在又一个示例中，树脂管的一端可以通过第一和第二树脂管阀门与第一和第二注胶口连接，树脂管的另一端与树脂容器连接以供应树脂。抽气管也可以通过抽气管阀门与抽气口和真空泵连接。或者，抽气管还可以通过抽气管阀门与辅助抽气口和真空泵连接。

在申请中，上述树脂可以为聚氨酯树脂或环氧树脂或不饱和树脂。

本发明采用在纤维预制体下方和上方同时铺设导流网的方式来缩短树脂在纤维预制体内的流动距离和所需时间，以此实现采用传统工艺在树脂凝胶时间内无法实现的大厚度纤维预制体的真空灌注成型。

本发明通过将纤维预制体上方和下方的导流网隔离开，将原本需要设置在纤维预制体上方的注胶口和注胶管转移到模具的侧边。在实现纤维预制体上方导流网和下方导流网分别单独注胶的同时，解决了上述纤维预制体上方铺设注胶管和注胶口的所带来的工艺和产品质量问题。

此外，本发明一方面采用了透气但不透树脂的半透膜以实现纤维预制体内的空气持续通过半透膜排出而避免干玻纤和白斑的产生，另一方面还可以设计允许空气排出的通道。采用透气但不透树脂的半透膜和/或采用双通道甚至多通道的方式避免了在上述抽气通道附近易于形成干玻纤和/或白斑等质量缺陷。

附图说明

为了进一步说明本发明的制造纤维增强塑料制品的方法的步骤及其优点，下面将结合附图和具体实施方式对上述方法进行详细说明，其中：

图1是根据本发明的制造纤维增强塑料制品的方法的第一实施例的示意图；

图2是根据本发明的制造纤维增强塑料制品的方法的第二实施例的示意图；以及

图3是根据本发明的制造纤维增强塑料制品的方法的第三实施例的示意图。

附图标记

1 模具

2 纤维预制体

3a、3b、3d 脱模布

3c 脱模布延伸段

4a、4b 第一和第二导流网

5a、5b 第一和第二薄膜

6 半透膜

7 透气毡

8a、8b 第一和第二注胶口

9 真空袋膜

10、10′、10″ 抽气口

10a 辅助抽气口

11 密封胶条

12a、12b 树脂管阀门

13、13a、13b 抽气管阀门

14 树脂管

15 抽气管

16 树脂槽

17 树脂

18 真空泵

19 挡边

具体实施方式

以下将结合附图具体介绍根据本发明的制造纤维增强塑料制品的方法的各个 较佳实施例。

(第一实施例)

请参见图1，该图示出了根据本发明的制造纤维增强塑料制品的方法的第一实施例。

本发明所公开的制造纤维增强塑料制品的方法尤其适合用于具有较大厚度或树脂较难浸润的纤维预制体，其中，所谓“较大厚度的纤维预制体”，通常是指在树脂凝胶时间内难以使其整个厚度被完全浸润的纤维预制体，该厚度取决于所用树脂的性质。在本发明中，树脂不仅可选用聚氨酯树脂、环氧树脂等常用树脂，也可以选用任何适于浸润纤维预制体的非常用树脂。

下面将简单介绍使用上述系统实施根据本发明的制造纤维增强塑料制品的方法的步骤。

(a)首先，在经过表面处理的模具1上铺设第一或下侧导流网4a(在图1以点划线示出)，第一导流网4a的宽度可以比制品的宽度大10至50cm，优选地为10至30cm，以确保注胶口8a能方便地设置在第一导流网4a上。在第一导流网4a上铺设第一或下侧脱模布3a(在图1中以虚线示出)并完全覆盖其下方的第一导流网4a。在第一脱模布3a上依次铺设多层纤维布并最终得到纤维预制体2。该纤维预制体2靠近树脂注入的一侧(即图1中的左侧)完全位于第一导流网4a之上，而纤维预制体2靠近气体抽出的一侧(即图1中的右侧)可伸出第一导流网4a，其伸出宽度可以为纤维预制体2厚度的0.5倍至5倍，优选地为0.5至2倍，更优选地为1至2倍。

(b)在纤维预制体2靠近树脂注入的一侧，在第一导流网4a上设置第一或下侧注胶口8a，使用第一薄膜5a(在图1中以实线示出)将第一注胶口8a覆盖并部分地覆盖纤维预制体2靠近树脂注入的一侧上方。第一薄膜5a覆盖纤维预制体2的第一覆盖宽度a可以为纤维预制体2厚度的0.5至10倍，优选地为0.5至3倍，更优选地为0.5至1倍。

(c)在第一薄膜5a和纤维预制体2上方铺设第二或上侧脱模布3b(在图1中同样以虚线示出)，并且在第二脱模布3b上方再铺设第二或上侧导流网4b(在图1同样以点划线示出)。第二导流网4b在纤维预制体2靠近气体抽出的一侧距离纤维预制体2边缘的距离b可以为纤维预制体2厚度的0.5至10倍，优选地为1 至5倍，更优选地为1.5至3倍。

(d)在纤维预制体2靠近树脂注入的一侧，在第二导流网4b上设置第二注胶口8b，并且在纤维预制体2靠近气体抽出的一侧未铺设第二导流网4b的区域内铺设透气但不透树脂的半透膜6(在图1中以细点线示出)。较佳地是，可以在半透膜6上再铺设透气毡7，并且在透气毡7上设置抽气口10。当然，也可以用其它透气材料来替代透气毡7，或者省略透气毡7而直接在半透膜6上设置抽气口10。这些变型对于本技术领域的普通技术人员来说是易于想到的，因此都将落入在本申请的保护范围之内。

(e)使用诸如真空袋膜9和密封胶条11等密封材料将上述所有部件密封在真空袋膜9内，以构成一个密闭的体系。树脂管14的一端通过第一和第二树脂管阀门12a、12b与第一和第二注胶口8a、8b连接，而抽气管15通过抽气管阀门13与抽气口10和真空泵18连接。

(f)关闭第一和第二树脂管阀门12a、12b并打开抽气管阀门13，然后启动真空泵18。此时，真空袋膜9内的空气将透过半透膜6、透气毡7经由抽气口10沿抽气管15被真空泵18抽出。最终，真空袋膜9内形成了真空体系，其真空度在-0.05MPa以上，优选地在-0.08MPa以上，更优选地在-0.09MPa以上。

(g)在灌注树脂17时，关闭第一和第二树脂管阀门12a和12b，将树脂管14的另一端插入到树脂槽16内并完全浸没在树脂17中。先打开第一树脂管阀门12a，此时树脂将沿树脂管14经由第一树脂管阀门12a从第一注胶口8a注入到上述真空体系内。树脂沿着第一导流网4a迅速扩散并渗透第一脱模布3a，藉此由下往上地浸润纤维预制体2。由于纤维预制体2靠近树脂注入的一侧能更早更快地获得树脂，因此靠近树脂注入一侧的纤维预制体2能更快地被浸润。当树脂在纤维预制体2上方流动超出第一薄膜5a所覆盖的区域时，打开第二树脂管阀门12b，以使树脂经由第二树脂管阀门12b从第二注胶口8b注入到上述真空体系内。树脂沿着第二导流网4b迅速扩散并渗透第二脱模布3b，藉此由上往下地浸润纤维预制体2。在真空泵18持续运转的过程中，纤维预制体2内的空气被持续地排出，树脂则持续地流动并浸润整个纤维预制体2。由于半透膜6的存在，可以保证空气被持续地排出而不被树脂堵住，并最终实现所有纤维被完全浸润且不会有诸如白斑和/或干玻纤等缺陷产生。

(第二实施例)

请参见图2，该图示出了根据本发明的制造纤维增强塑料制品的方法的第二实施例。

如图2所示，在模具1或纤维预制体2的靠近气体抽出的一侧设置挡边19以代替第一实施例中的透气毡7。在图2中，该挡边是三角形的，但在实际应用中，其它适当形状的挡边也是可选择的。

与第一实施例相比，第二实施例除了将第二脱模布3b、半透膜6和透气毡7铺设到挡边19上并且将抽气口10′也设置在挡边19上之外，其余部件的设置方式完全一致。

在第二实施例中，由于利用挡边19代替铺设在纤维预制体2边缘处的第二脱模布3b、半透膜6和透气毡7，所需的第二脱模布3b、半透膜6和透气毡7的长度将大为缩短。

当然，对于本技术领域的普通技术人员来说，将第二脱模布3b、半透膜6和透气毡7铺设到挡边19之外的模具1上，并且将抽气口10′也设置在挡边19之外的变型也是易于想到的，其均将落入本申请的保护范围之内。

(第三实施例)

请参见图3，该图示出了根据本发明的制造纤维增强塑料制品的方法的第三实施例。

在第二实施例的步骤(c)的基础上，可以在铺设第二脱模布3b时使其进一步延伸到挡边19和模具1之上，以构成如图3所示的脱模布延伸段3c(在图3以点划线示出)。

(d1)将抽气口10″设置在脱模布延伸段3c上方，并用第二薄膜5b部分地覆盖或完全地覆盖脱模布延伸段3c和抽气口10″并局部覆盖纤维预制体2，其所覆盖的纤维预制体的宽度可以为未铺设导流网的区域宽度的10％到70％，优选地为未铺设导流网的区域宽度的20％到50％。

(d2)在第二薄膜5b上铺设第三脱模布3d(在图3以点划线示出)。如图3所示，第三脱模布3d的一侧(即图3中的左侧)在纤维预制体2上方超出第二薄膜5b所覆盖的区域并与第二脱模布3b搭接，而第三脱模布3d的另一侧(即图3中的右侧)在纤维预制体2之外覆盖在模具1或挡边19上，但不超出第二薄膜5b 所覆盖的区域。辅助抽气口10a相应地设置在第三脱模布3d上方，并且抽气管15通过第一抽气管阀门13a和第二抽气管阀门13b与抽气口10″和辅助抽气口10a以及真空泵18连接。

(f′)关闭第一和第二树脂管阀门12a、12b并打开第一和第二抽气管阀门13a、13b，然后启动真空泵18。此时，真空袋膜9内的空气将透过脱模布延伸段3c和第三脱模布3d经由抽气口10″和辅助抽气口10a沿抽气管15被真空泵18抽出。最终，真空袋膜9内形成了真空体系，其真空度可以在-0.05MPa以上，优选地在-0.08MPa以上，更优选地在-0.09MPa以上。

(g′)在灌注树脂时，关闭第一和第二树脂管阀门12a和12b，将树脂管14插入到树脂槽16内并完全浸没在树脂17中。先打开第一树脂管阀门12a，此时树脂将沿树脂管14经由第一树脂管阀门12a从第一注胶口8a注入到上述真空体系内。树脂沿着第一导流网4a迅速扩散并渗透第一脱模布3a，藉此由下往上地浸润纤维预制体2。由于纤维预制体2靠近树脂注入的一侧能更早更快地获得树脂，因此靠近树脂注入一侧的纤维预制体2能更快地被浸润。当树脂在纤维预制体2上方流动超出第一薄膜5a所覆盖的区域时，打开第二树脂管阀门12b，以使树脂经由第二树脂管阀门12b从第二注胶口8b注入到上述真空体系内。树脂沿着第二导流网4b迅速扩散并渗透第二脱模布3b，藉此由上往下地浸润纤维预制体2。在真空泵18持续运转的过程中，纤维预制体2内的空气被持续地排出，树脂则持续地流动并浸润整个纤维预制体2。在灌注过程中，模具1的边角通常会成为树脂的快速流动通道，因此纤维预制体2下方的树脂会沿着纤维预制体2的边角迅速地流动并到达脱模布延伸段3c，导致作为排气通道的脱模布延伸段3c及抽气口10″被堵住。此时，由于另一个排气通道、即第三脱模布3d及辅助抽气口10a的存在，纤维预制体2内的空气仍然能够通过辅助抽气口10a排出，并最终实现所有纤维被完全浸润且不会有诸如白斑和/或干玻纤等缺陷产生。

虽然以上结合了三个较佳实施例对本发明的制造纤维增强塑料制品的方法进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述较佳实施例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。例如，可以将上述实施例中采用的脱模布替换为有孔隔离膜或其它隔离材料，将注胶口替换为注胶管或其它注胶装置，用树脂桶或其它可容纳树脂的容器来代替树脂槽等等。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行变型，这些变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范 围之内。