一种制造玄武岩纤维增强复合材料的方法及在制造船体上的应用

摘要

本发明介绍了一种制造玄武岩纤维增强复合材料的方法，以及这种方法在制造船体上的应用。该方法配方包括乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂、过氧化物引发剂、促进剂，经原料混合、树脂在真空辅助树脂传递模塑条件下注入、固化成型，特征是原料中含有30～70％质量玄武岩纤维作为增强材料。以该工艺制造军辅船和高速船船体，该船体除具有优异的力学性能、耐海洋环境性能和耐高温性能外，还具有突出的耐老化性能、蠕变性能以及抗爆炸冲击性能，同时还可以降低船体的建造成本，延长舰船的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空辅助树脂传递模塑制造玄武岩纤维增强复合材料的方法，特别是一种真空辅助树脂传递模塑制造玄武岩纤维增强复合材料的方法在制造船体特别是军辅船和高速船船体上的应用。

背景技术

连续玄武岩纤维(Continuous Basalt Fibre简称CBF)是目前为止唯一的无环境污染的玻璃质纤维制品，它是用火山爆发冷凝形成的一种火山喷出岩(包括玄武岩、安山岩)为原料，经高温熔融后快速拉制而成的连续纤维。它取自天然矿石而无任何添加剂，主要成分由SiO₂与金属离子化合物构成。采用玄武岩纤维作为增强材料制作的复合材料具有耐温性能突出、拉伸强度高、耐海水及化学介质性能优异及一定的雷达隐身性能等。真空辅助树脂传递模塑(Vacuum-Assisted Resin transfer molding，以下简称VARTM)工艺是一种制造高性能纤维增强聚合物基复合材料的先进技术。具有成本低、成型速度快、产品质量好、对环境污染小以及能够制造大型复杂结构构件的优点。

目前，国内外军辅船、高速船的船体均采用钢、铝或玻璃纤维复合材料制造，钢质材料存在重量大，影响速度的问题；铝质材料存在耐海水及海洋环境性能差的问题；而玻璃纤维增强复合材料船体存在耐温性能差的缺点，这些都限制了真空辅助树脂传递模塑在军辅船、高速船船体上的应用。

因此，有必要研究一种性能优异的复合材料的制造方法，然后用这种方法制造军辅船、高速船的船体，使得船体的重量轻，具有优异的力学性能、耐海洋环境性能和耐高温性能，耐老化性能、蠕变性能以及抗爆炸冲击性能优良，满足使用的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种真空辅助树脂传递模塑制造玄武岩纤维增强复合材料的方法。

本发明所进一步要解决的技术问题是提供一种真空辅助树脂传递模塑制造玄武岩纤维增强复合材料的方法在制造船体特别是军辅船和高速船船体上的应用。

本发明采用武岩纤维为增强材料，用真空辅助树脂传递模塑工艺制造增强复合材料，并用这种方法制造军辅船和高速船船体。原料中含有30～70％质量玄武岩纤维作为增强材料，通过以玄武岩纤维无捻粗纱或织物作为增强材料，树脂采用乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂，引发剂采用过氧化物做为引发剂，例如过氧化苯甲酰、过氧化氢等，特别优选液态过氧化环己酮或过氧化甲乙酮；促进剂采用钴的有机酸盐，特别优选环烷酸钴或辛酸钴溶液；根据需要可以选用脱模剂，包括采用薄膜型、溶液型或油膏类脱模剂，例如常用的用于塑料制品的脱模剂和聚氨酯制品的脱模剂，这类脱模剂在市场上有大量出售，可以很方便的得到。并且可以根据需要选用触变剂、填料、颜料等辅助材料的任意一种或者数种以及它们的结合。根据需要，复合材料可以和模具分离，得到产品，也可以和成型模具结合在一起直接使用。树脂凝胶固化后根据需要，可以直接使用，也可以经过后固化阶段后使用，常温固化1～2个月，加热固化后固化温度在50～80℃之间固化。

可以根据需要，用这种工艺制造船体，特别是军辅船和高速船船体，对于大中型船体，可采取分步成型的方式来实施。成型脱模后，经过后固化阶段后使用，常温固化1～2个月，加热固化温度选择在100℃以下，特别优选在50～80℃之间固化。固化完成后，根据需要可以对船体或船体组件进行装配、修补，完成船体制作。

具体的技术方案如下所述：

(1)原材料

用玄武岩纤维无捻粗纱或织物作增强材料，原料中含有30～70％质量玄武岩纤维作为增强材料；树脂采用但是不限于乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂，引发剂采用但是不限于液态过氧化环己酮或过氧化甲乙酮，促进剂采用但是不限于环烷酸钴或辛酸钴溶液，脱模剂采用薄膜型、溶液型或油膏类脱模剂。辅助材料包括但是不限于固化剂、促进剂、触变剂、填料、颜料等。

(2)设备

本发明采用的设备为树脂传递模塑成型设备和真空辅助成型设备。

(3)成型工艺

本发明的成型工艺过程为：

脱模处理：可以根据需要采用脱模剂对船体整体模具进行表面处理，脱模剂可采用固体或液体石蜡，聚乙烯醇等。也可以在不需要脱模的情况下，不使用脱模剂，而将真空辅助树脂传递模塑制造的复合材料和模具做为一个整体使用。

CBF增强材料裁切：按设计要求将玄武岩纤维无捻粗纱或织物按规定的尺寸，但是也可以根据需要直接使用整块的材料。

CBF增强材料铺设：按设计及工艺要求在涂覆脱模剂的模具表面铺设CBF增强材料，增强材料可以是玄武岩纤维的无捻粗纱、单向织物或短切毡等。

导流布的铺设和管路布置：按工艺要求铺设树脂流道与真空管路。

密封处理：采用真空袋包覆铺设完毕的增强材料、导流布、树脂流道及真空管路，并进行密封处理；真空袋可采用尼龙或硅树脂制成，也可以采用其它具有弹性的高分子材料制成。裁取合适大小的真空袋膜，用密封胶带将铺层密封在真空袋膜和模板之间，将树脂吸注口、真空口用真空管分别和树脂容器、树脂收集容器连接起来，树脂收集容器的另一出口和真空泵连接。开动真空泵检验是否漏气，当真空表指针稳定时，旋转真空表的三通，使体系保持真空度，关闭真空泵，如真空表指针保持不动，用检漏仪检验是否漏气，如无漏气准备吸注树脂。如指针明显下降表明漏气，用检漏仪检查漏气的位置，采取补救措施，严重时重新封装。

按设计要求布置注射口与空气口：注射口与RTM喷枪或树脂注入口相连，空气出口与真空泵连接。

封装检漏：检验密封，确认无空气泄漏后，开动真空泵，抽取真空。

树脂配制：选择具有合适凝胶时间的固化体系配比，凝胶时间一般在1h左右，配足够量的树脂。对于大中型船体，凝胶时间需要更长。可以在一个容器内预先完成，也可以在吸入树脂时直接吸入预先设定比例的各种原料.

吸注树脂：开启真空泵，封闭树脂口，调节阀门使真空度达到设定值，持续抽真空2～5分钟，使纤维体系处于压实状态，完全排除空气后打开树脂传递模塑成型设备，开始吸注树脂。观察树脂的流动状况，如有异常随时调整。

封口：当树脂逐渐流入树脂收集器后，观察树脂是否已完全浸润纤维，以及进入树脂收集器的树脂流动是否稳定，如是则认为体系已达平衡，封闭树脂口，然后封闭真空口，保持体系的真空度固化。也可以根据需要，不封闭真空口，直接固化。

树脂注入：达到真空度要求时，注入树脂。

固化与脱模：固化过程可以包括凝胶、固化和后固化三个阶段，船体或制品凝胶，固化到脱模强度后即可脱模；也可以根据需要，不需脱模直接和模具在一起使用。

后固化：根据需要，可以对凝胶后的复合材料或船体进行后固化处理，后固化可以在室温下放置1～2个月；也可以进行加热处理。对于乙烯基酯树脂或不饱和聚酯树脂体系，热固化温度控制在120℃以内，50～80℃之间，固化时间根据固化温度不同，温度越高，所需时间越短，一般控制在1小时到72小时左右。

最后，根据设计要求用机械连接、胶接等方法进行装配、修补，完成船体制作。对于大中型船体，可采取分步成型的方式来实施。

以玄武岩纤维为增强材料，用真空辅助树脂传递模塑工艺制造的军辅船和高速船船体，除具有优异的力学性能、耐海洋环境性能和耐高温性能外，还具有突出的耐老化性能、蠕变性能以及抗爆炸冲击性能，同时还可以降低船体的建造成本，延长舰船的使用寿命。可克服钢、铝或玻璃纤维复合材料成型军辅船、高速船船体的缺点。与钢质材料相比，制品重量轻大，对速度影响小；与铝质材料相比，耐海水及海洋环境性能好；与玻璃纤维增强复合材料船体相比，耐温性能好。该方法可用来替代用金属材料建造军辅船和高速船船体的方法，以及用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及其混杂纤维，采用手糊、喷射成型等工艺建造军辅船和高速船船体的方法。

就其工艺而言，成型的制品力学性能稳定、缺陷少，制造成本低，适合大尺寸复杂制品的成型；就增强材料而言，其制品拉伸强度和模量与S玻璃纤维相当，耐海洋环境性能、耐老化性能、耐高温性能以及介电性能优于S玻璃纤维，并具有突出蠕变性能。本发明通过材料和工艺的有机结合可实现军辅船和高速船船体耐海水腐蚀、易维修保养，使用寿命长、船体表面光滑、阻力小。在军用领域，可用于建造猎扫雷艇、水面效应船、轻型护卫舰、巡逻艇等中小型水面舰艇的壳体；在民用方面，可用于建造高速船、游艇等舰船壳体，具有显著的军事、经济效益和潜在的社会效益。

具体实施方式

实施例1

材料配方(以质量份数计)为：乙烯基酯树脂40份，50％过氧化环己酮溶液1.6份，6％环烷酸钴2.4份，气相二氧化硅0.32份，颜料0.12份，玄武岩纤平纹布60份，采用树脂传递模塑成型设备和真空辅助成型设备，用脱模剂对模具进行表面处理，玄武岩纤维平纹布逐层0/90°交叉铺层后，封装、检验密封，在一个容器内预先将原料配制完成，开启真空泵，封闭树脂口，吸注树脂。当树脂逐渐流入树脂收集器后，当树脂已完全浸润纤维，体系已达平衡，封闭树脂口，然后封闭真空口，保持体系的真空度固化。材料凝胶，固化到脱模强度后脱模，在80℃进行后固化4h。所得材料弯曲强度187.5MPa，弯曲模量18.5GPa。

实施例2

材料配方(以质量份数计)为：乙烯基酯树脂50份，50％过氧化环己酮溶液2份，6％环烷酸钴3份，气相二氧化硅0.4份，颜料0.15份，玄武岩纤维平纹布50份，采用与例1相同的方法成型和处理，所得材料弯曲强度393.6MPa，弯曲模量15.9GPa。

实施例3

材料配方(以质量份数计)为：乙烯基酯树脂55份，50％过氧化环己酮溶液2.2份，6％环烷酸钴3.3份，气相二氧化硅0.44份，颜料0.17份，玄武岩纤维平纹布45份，采用与例1相同的方法成型和处理，所得材料弯曲强度447.6MPa，弯曲模量13.1GPa。

实施例4

采用与例1相同的配方和成型工艺，将材料用真空辅助树脂传递模塑工艺注入船体模具中，然后脱模，在室温下放置45天后，装配、修补，完成船体制作。