玻璃钢容器的材料设计指南

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复合材料最显著的特点是其可设计性，复合材料的物理、化学性能均可通过组分材料的选择和匹配以及界面控制等材料设计手段来达到，以满足设备的使用要求。因此原材料的选择就显得至关重要，合理地对材料进行选择、组合又称为材料设计。FRP的原材料包括：树脂体系、增强材料、辅材。选用原材料时应考虑腐蚀介质的组成及浓度、使用压力、使用温度等工艺条件，以及外界环境因素和现场施工条件等诸因素。同时各项技术指标应符合有关标准或规定。验收时应具有质量合格证或相应的检验指标资料，必要时应予复验或抽验。材料设计的原则如下：


( ~1 m% Z9 ?3 M2 v. x5 Y* P0 ~（1）工艺性所选材料体系应适合拟采用的工艺成型方法；
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（2）可靠性对所选材料体系有把握，尽可能选用已定型的、成批量生产的、质量稳定的产品；
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（3）适用性材料的机械性能满足结构的强度和刚度要求，材料的耐环境性能要保证结构在使用环境下能正常工作；

* ?8 P: {, T, M8 S$ y9 w! R（4）经济性在满足结构使用性能要求的前提下，尽可能地降低成本。
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一、基体树脂的选择
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. }9 m# E8 C( G2 M/ I树脂是玻璃钢的基体材料，其作用是传递载荷，并使载荷平衡，基体材料的性能，如耐腐蚀、耐热性等，直接决定玻璃钢的性能。常用的树脂包括：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂三大类，其中以不饱和聚酯树脂使用最为广泛。由于FRP制品的耐化性、耐温性、抗老化性主要取决于树脂基体，所以树脂体系在选择时应特别注意。基体树脂的选择可分为内衬层树脂的选择以及结构层树脂的选择两大类。
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" s) I% y% |" b# {; R1、内衬树脂的选择
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% P+ I; x$ ?( q% }  K0 {总体上说，内衬树脂的选择主要取决于容器的压力等级、介质腐蚀情况、介质的使用温度这几方面的因素。
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首先，内衬树脂直接与介质接触，容器的设计寿命长短很大程度上取决于内衬树脂的耐腐蚀性。

" P, x' u' v! B- [0 C. d其次，容器的压力等级越高，要求内衬树脂的断裂延伸率越高。

在本软件中，我们将以前的成功使用的经验及各树脂生产厂提供的数据建成数据库，可供借鉴。
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- p4 M0 t) P+ y( G2、结构层树脂的选择
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结构层树脂的选择主要考虑其机械性能、耐温性能，因为结构层树脂主要承担结构增强的功能，不与介质直接接触，但介质温度的影响必须考虑。所以主要考虑其机械性能、耐温性能。
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结构层树脂的选择可参考各树脂厂家提供的数据。
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二、纤维增强材料的选择
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作为增强材料的纤维及其织物是玻璃钢主要的承载组分材料，对玻璃钢的强度和刚度有着直接的影响。常用的缠绕用增强材料包括：玻璃纤维，主要是各种无捻粗纱、表面毡、针织毡、方格布带、高强纤维纱等。

为适应工艺的要求，玻璃纤维无捻粗纱应具有以下特点：

（1）耐化学腐蚀性

（2）工艺性与所用树脂有良好的相容性；

0 C# r2 A& P/ o. y7 S（3）可靠性线密度要有保证，悬垂性要小等。
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$ R2 m1 Z$ F$ }无碱玻纤与中碱玻纤：

无碱玻纤对水、弱碱介质的化学稳定性较高，电性能好，老化性能好，适用于接触水的制品与电器绝缘制品，它的缺点是易被稀无机酸侵蚀。中碱玻纤耐酸性能非常好，价格比无碱玻纤便宜。
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有捻纤维与无捻纤维：无捻纤维各股纱之间张力均匀，不起毛、不断头、成带性好，对树脂浸润性好，所制玻璃钢制品强度也比有捻纤维要高。
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表面毡与针织毡：表面毡应用最早，使表面产生富树脂层而光滑有弹性，减少摩擦阻力，提高耐磨性、耐腐蚀性、耐水性、耐老化性和抗冲击性，是制作玻璃钢内衬耐腐蚀层的首选材料。针织毡不含粘结剂，浸透速度快，工艺过程简单，在给定方向上提供强度，提高了耐腐蚀层厚度和较好的表面光滑度。
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玻璃纤维毡常用于缠绕成型制品的富树脂层，包括内衬层和外表层，其多用于干法缠绕，即将未浸渍树脂的干毡直接缠到涂有树脂的芯模上，再用滚刷一类的工具将树脂涂覆在毡片上，一般采用短切毡和连续毡，缠绕工艺对玻璃纤维毡的要求为：
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（1）毡片浸透性要好

1 @* D' U2 |6 R5 m. k- D$ R（2）消泡性要好。

: S% d5 ]! B5 Y( F有机纤维和涤纶布：有机纤维和涤纶布工艺性比玻璃纤维要差，但在含氟介质尤其是氢氟酸介质中玻璃纤维不适用，必须选用有机纤维和涤纶布。
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本软件中纤维的选择可参考纤维数据表。

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三、辅料

为使树脂按工艺要求固化，以及改进树脂的理化性能或固化后制品的某些性能如阻燃抗静电、耐磨等性能，通常在树脂配方中加入某些助剂如固化剂、引发剂、促进剂、阻燃剂、脱模剂、低收缩剂等。
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Ⅰ、固化剂

固化剂也称引发剂，它能使树脂固化，是树脂配方中不可缺少的组成部分，并且对树脂性能有极大影响，不同树脂的固化体系不一，即使同一种树脂，使用环境不同，固化剂加入的量也不尽相同，需要在使用前充分试验，确定配方后方可正式使用。
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& z) Y2 ~8 n  U$ E- T) N) ^! e在玻璃钢中使用的不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂等溶解在乙烯基单体中，它们进行共聚反应，是要由引发剂分解产生的游离基来引发，常用的引发剂有两种，有机过氧化物和偶氮化合物。

7 E1 g/ `) o1 F, S) E7 f固化剂的特性可用四个指标来衡量

（1）、活性氧含量

指过氧化物中活性－O－O－的百分含量，含量越高，在相同条件下分解产生的游离基越多。

（2）、临界温度指过氧化物受热分解形成具有引发活性的游离基所需要的最低温度。
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& b, f! L1 K2 z  I9 p（3）、引发剂在一定温度下分解一半所需的时间，常用来评价过氧化物的活性大小。

& S: x, W4 Z: G9 f. v7 {（4）、活化能指过氧化物产生游离基所需的能量。
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固化剂的选用要考虑以下几个因素
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! P) u" ]. k/ f（1）树脂活性

1 Y8 c$ A. z( C0 e6 ?  c, y所选固化剂与树脂的反应性相匹配，树脂反应性强，选用的引发剂活性要高，树脂反应性弱，选用的引发剂的活性要较低以免游离基产生较快，到固化后期缺乏引发剂。

7 w1 f' d8 j' g（2）适用期

) U, h! l; w! v) |( E配制好的胶液，必须保证有效地浸渍增强材料，其胶液的存放时间为适用期，不同配方的适用期是不同的。
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( G3 A9 j. |1 Z2 q6 G（3）成型温度
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* U4 g2 H" ]7 a2 r" ^& q按成型产物温度可分为低温、中温、高温三种固化类型，必须选择适合于该温度范围的有氧化物，缠绕成型法在中温固化范围内，固化周期：30－60MIN，适用期2－3D以上。

（4）固化速度

树脂的固化速度与引发剂的活性、加入量和成型温度有关，引发剂的用量一般为1％－2％，成型温度确定，就可了解引发剂的活性与固化时间的关系，以达到防热峰温度来计算固化时间。
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（5）其他助剂的影响

& j; q6 Z- L0 g  U# t% x& o% t9 r7 \在选用引发剂时必须考虑到填料、颜料及其他添加剂对固化工艺的影响，有的填料起促进作用，会减少贮存期，也有的起阻滞作用会延缓贮存期。特别是颜料对引发剂影响很大，如碳黑对过氧化苯甲酸叔丁酯引发的树脂，存放期只有3H，减少到不能使用的程度。
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Ⅱ、促进剂
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' z3 D3 I3 Y% L( j$ I0 T/ }促进剂目前固化不饱和聚酯树脂用的有机过氧化物的临界温度都在60度以上，对于固化温度要求在室温时，这些有机过氧化物就不能满足要求，必须设法使过氧化物的临界温度降低，当有机过氧化物在叔胺作用下，就可在较低温度下产生游离基。选择促进剂是应注意选择活性好，用量少，胶凝时间快。放热峰适当、毒性小的促进剂。