拉挤玻璃钢型材的质量管理

拉挤工艺在我国已有十几年的历史。自20世纪80年代中期从国外引进拉挤设备和技术，从无到有发展到今天，全国已有大小数十家拉挤工厂，进口的和国产的拉挤生产线一百多条，每年的拉挤制品产量数千t。但至今为止，我国拉挤工业的发展仍然只是量的扩展，生产技术水平仍较落后，生产效率低下，产品档次不高，技术含量不足．质量不够稳定。这一现状如不加以改变，将严重制约我国拉挤工业的持续健康发展。

    拉挤产品的性能与质量水平反映了拉挤厂家在诸多方面的投入及努力程度，包括玻璃钢制品的产品设计、增强材料的成型、树脂配方、工模具设计及参数制定。如果缺少其中的一种或几种能力，其工艺技术水平便是不完整的，结果是产品难以满足用户的性能要求，或者会出理各种工艺质量问题。当问题出现之后，拉挤厂家常会不知所措，不知道问题的真正原因所在，他们只得花费大量的时间与金钱来反复进行配方、工艺、参数的摸索，结果却收效甚微。这也给人一种印象，似乎拉挤工艺是一种令人难以捉摸的技术。但事实上，只要充分理解各种原材料的性能、树脂反应动力学、工艺变量之间的联系和其对产品性能的影响，并且有合适的工装模具，任何操作员只要经过适当培训，都能连续稳定地生产出合格的产品。

1  质量控制链

    产品是否能稳定地达到所要求的性能与质量水平，在很大程度上取决于厂家对质量控制的努力程度。事实上在拉挤生产中有很多的质量控制点，但由于在试验设备与人员上的投资原因，很少有厂家在最大程度上做到了这点，而有很多的厂家连最基本的质量控制能力也不具备。其实只要简单地理解质量链上的关键环节，依靠自己的努力和外部(比如实力较强的原料供应商)支持，条件有限的厂家仍能取得很好的结果。表1列出了拉挤中的质量控制点及职责分配。如果有条件应对每一环节进行控制。

表1  质量控制点
控制环节            职责分配
原材料验收          试验室技术人员
工艺线上的材料      试验室技术人员/操作员
工艺参数            操作员
产品生产过程检验    操作员/检验员
使用条件的模拟试验  检验员/试验室技术人员
性能试验            试验室技术人员

2  原材料验收

    对原材料实施控制的第一关在原材料供应商。原材料供应商应提供稳定的原材料。

    拉挤厂家最重要的着眼点应是树脂特性。应对每批进厂的树脂抽样检验，鉴定其是否符合规范要求。检查的项目包括外观、粘度、酸值、单体含量、反应活性。应保存树脂检测的质量记录，从而为判断工艺问题提供有价值的历史资料。如果厂家没有能力检测进厂的原料，也可以向树脂供货商索取检验证明书。对于非标准树脂或供贷商的小批量产品，这点是特别重要的。

    增强材料在功能上与树脂同等重要。增强材料主要包括无捻粗纱、连续毡以及各种形式的织物，本文将提供产品光滑外观的表面毡也列入增强材料之内。对于无捻租纱应检测其重量及浸润剂含量。国内粗纱常存在浸润剂公差过宽的问题。另外，受干燥方法的局限及存放时间过长，还存在浸润剂迁移的问题。对毡来说，应测定单位面积重量及粘接剂含量，还应注意纤维分布不匀的问题。所以，测定这些数据作为内部的历史资料，井据此与供货商建立联系是必要的。经过测定增强材料的含水率对于分析某些工艺质量问题的原因是非常有用。因为纤维含水率过高常会导致浸润不良及其它质量问题，尤其在大多数厂家没有良好的纤维贮存环境（比如除湿）时更是如此。

    关于对添加剂如填料、颜料、固化剂等的质量评判，很少有厂家具有这些方面的能力，而必须依赖于供货商。对填料来说，应选择能满足产品性能要求的粒径，还应注意粒径分布不宜过宽；对颜料而言，应特别注意其研磨分散的均匀性，否则会给制品带来严重色差，还应任意其与树脂的相容性以及其对树脂反应活性的影响。

3  工艺线上的原材料

    工艺线上的原料是指已配好的树脂混合料及将要或正在转化成产品的增强材料。在这一个控制点上主要着眼点仍应是树脂性能。将各种成分在一高剪切混料机中棍台，制成均一分散的树脂混合料，混合过程中应防止温度升高太多。在将树脂从混合设备上移出之前应肉眼观察填料的分散性与污染。应记录下混合批号及在混合过程中的最高树脂温度，以便建立适用期(指配好的混合料从配好到出现凝胶之间的存放时间)与温度之间的联系，并在整个工艺中对材料进行跟踪。

    纤维在树脂槽中是否达到足够的浸润对拉挤来说是极其重要的。树脂的粘度是决定能否足够浸润的最关键参数。粘度的测定是每一个厂家都应做的一种简单而关键的试验，所使用的仪器是旋转式粘度计，其试验程序在国家有关标准中已作了规定。该试验的关键是应在恒温水浴中将树脂温度稳定于25℃，以便在批与批之间进行有效的比较。在温度与粘度之间有着非常确定的反比关系，如试验温度控制不当，就会导致不正确的结论。当然，厂家也可以对任一种树脂建立其温度／粘度曲线，这样就可以在平常的工厂环境温度下决定树脂的可接受性。粘度结果也可能受混合过程中捕陷空气的影响。有时，未加盖的桶与槽中的苯乙烯挥发也会影响测定结果。因此，在对数据进行比较，以及使用这一信息来判断合格与否时，制样方法的稳定是很重要的。

    反应活性是指已加固化剂的树脂对所施温度的响应。通过做“标准80℃放热曲线”试验，可对树脂的反应活性进行简单而廉价的评估。这一试验可以获得3个有用的数据：凝胶时间、固化时间、放热峰温度，方法是将一盛约25g样品的试管浸在80℃的水浴中，观察并记录达到某一温度的时间及达到的最高温度。虽然本试验并不直接与拉挤工艺相联系（拉挤工艺中缸度沿模具长度方面是变化的，并且一般高于80℃），但因为其可重复性好，因而可作为一种标准的比较试验。凝胶时间可认为是开始引发的时间，固化时间可用来度量反应速率，而放热峰则反映了其能量释放的水平。所需要的设备包括恒温水浴、(J型)热电偶、温度记录仪及试管等。

    另一种较复杂昂贵的仪器是差动扫描量热计(DSC)。试验使用10mg样品来确定反应开始的温度、终止温度及放热峰。方法是在精确控制的温升速率下加热样品，而不是使用如80℃放热试验那样的恒温水浴条件。用这种方法所得到的数据可以更精确地与拉挤工艺相对应。但是它是一种很灵敏的试验室仪器，需要有熟练的操作人员，从而使它的应用受到限制。

    另外，厂家应具备对自己所使用的树脂的热行为的知识。通常，轻微的环境温度变化就会显著地改变树脂反应特性和加工粘度，从而导致某些质量问题。这需要有对树脂热行为的知识，以随时对工艺进行微调，否则当工艺中出现问题时往往会不知所措。

    对工艺中的连续原丝毡应经常检查其宽度是否合适。使用太窄的毡时，部件表面会出现暴露的粗纱，还可能会出现其它的缺陷如树脂局部富余、外观难看等。使用过宽的毡时，由于它会为适应模腔而产生折迭，则可能会引起增强层的定位无法控制。另外，由于毡必须打褶以进入模具，这样在打褶的地方会增加模具的磨损。毡打褶也会导致表面褶皱及沟痕。

    操作员还应警惕在连续原丝毡中可能遇到的工艺预警缺陷，经常在喂料区巡视。即使在0.9m／min的中等线速度时，毡片从毡卷中拉出直到其被树脂槽或成型系统淹没也只有几分钟时间。能导致产生线阻塞或毡片拉断的缺陷包括纤维分布过量、粘接剂含量过低、及纤维过度松散。毡中粘接剂含量过低时，表面伸出的松散纤维会聚集于树脂槽或成型系统，最后以大的聚集体进入模具而引起阻塞。

    当毡从仓库移至工艺线上时，有许多潜在的污染源，特别是将未用完的毡返回仓库备用时更是如此。不过，即使是干净的毡，在用齿状刀具切开毡卷时，毡卷的边缘也能积上纸筒的灰尘。如果不将其除去，这些颗料将在加工时进入树脂，最后在产品的表面形成污痕。

    对只用粗纱增强的产品，通常比用毡增强的产品的麻烦少些，但也不能忽视可能产生的工艺问题。随着纱束从纱卷芯部抽出，包装尺寸减小，包装内部的纱束偶尔会掉到包装的底部形成结节。结节通过纱架、成型系统进入模具，从而产生故障。此外，结节还可能在树脂槽中断裂而引起看不见的阻塞，最后在树脂中槽引起故障，甚至使树脂槽被拉翻。在生产较大的产品时，同时有数百股粗纱被加工，出现这类问题会使操作员产生极大的挫折。如果使用合股粗纱，会有过多的悬丝在导向孔中累积。粗纱通过纱架或成型系统会有一定程度的磨损，引起绒毛聚集，由此会引起单股粗纱断裂，绒毛也可能进入树脂槽，使树脂槽内积累过多的纤维而导致工艺故障。

4  工艺参数控制

    应该得到控制的最关键的工艺参数是工艺速度与模具温度。当模具长度一定时，工艺速度决定了材料在模具中的停留时间。对许多拉挤配方，通常的停留时间为1min或更少。例如，以1m/min的速度通过一根1m长的模具，则材料在模具中通过的时间是1min。

    模具温度曲线决定了材料的加热速度，影响其在模具内所达到的固化度。树脂的反应活性决定了反应的引发点、放热峰值的位置及放热的幅度。设定模具的加热曲线就能通过热传导来加速或抑制反应，从而影响上述特性。对工艺线上树脂质量的注意力越少，就越有可能遇上加工困难。如果使用的不同批号的树脂，其反应活性也可能不同，则再稳定的工艺参数也会产生不同的固化度。因此，测定拉挤模具内反应位置的工艺放热试验就显得很重要。这一试验的方法是在当增强层将要进入模具时在其中引入一根一次性的热电偶，当热电偶随材料通过模具时，记录温度数据。这一试验所记录下的数据(模具不同位置的温度及材料在不同位置的放热温度)是很有意义的。充分理解这些数据材料进模温度、引发温度、峰值、出模温度—就能完全制定工艺条件。

    有许多工艺缺陷是由于缺乏对工艺参数的控制，或缺乏对材料与工艺的相互作用的知识所引起的。通过控制工艺温度与速度，则许多工艺缺陷如内裂纹、表面裂纹、分层、起泡及树脂流损等都能减至最小甚至消除。产品是否完全固化可用固化度来衡量，固化度常使用巴柯尔硬度计来检验。一件拉挤产品从机器上切下，待其冷至室温即马上进行测定，其巴氏硬度值应不低于50。还有其它测定固化度的试验，包括使用热分析技术测定残余反应活性测定成品的介电损耗值等。

    另一个操作员无法控制但却应监测的重要工艺参数是拉拔负荷。拉拔阻力是由材料与模具的内摩擦所引起的，导致内摩擦的因素有树脂的粘滞力、材料的热膨胀、树脂／模具的粘结特性、体积收缩性以及体积充填因素等，现在尚无法认识这些因素的每一种对整个拉拔阻力的单独贡献，拉拔负荷水平是工艺健康性的一种指示，但拉拔负荷的大小则又不如负荷的稳定性重要。负荷随时间稳定增加则指示模具内有树脂积累，模具腔逐渐受到约束。做一系列的拉/停循环(清模)能清树脂堵塞，降低拉拔负荷。负荷突然变化指示可能有多余的材料、粗纱结节、或材料在模具中发生了某种故障。拉拔负荷降低则指示可能有材料损失或线速度降低。有的设备上装有高负荷报警器，当负荷超过一定限度时会报警以提醒操作员。

    夹持并拉拔产品使其顺利前进的夹持力依赖于拉拔负荷，并随拉拔手的设计而变化。通常拉拔阻力越高，所需夹持力越大。夹持力不能太小，太小会产生阻塞，也不能太大，太大会将产品压裂，或在产中表面留下压痕。   

5  产品检验

    一旦产品出了模具，则很难再改变产品的质量特征。此时应将注意力从材料和工艺控制转到客观原因的评估。操作员应仔细观察产品的外观及尺寸一致性。每种缺陷都会有一种或多种可能的原因。缺陷的原因通常可归成三类。①成份：由树脂配方、毡、粗纱或表面毡的特性所引起的缺陷，例如污染、树脂微裂纹、脱模不好等。②叁数：由模具温度或线速度不合适所引起的缺陷，例如热裂纹、分层等。③方法：与浸润、成型导向、工具及机械有关的缺陷，例如剥落和多孔等。

    体视显徽镜(放大倍数大于150倍)是一种优秀的检测工具，用它可以认出由肉眼很难检查的缺陷。使用荧光显色剂(例如红色)能帮助放大缺陷，以便于观察。一旦确定了缺陷的类型，则应采取相应的措施解决问题。对操作员或车间管理人员来说，知道的质量控制信息越多，选择适当的纠压措施就越快。产品的尺寸可根据ASTM D3917标准或用户规定的标准进行检查。最好是能将这样的标准转化成通过／停止量规(或准则)，以简化使用，免去操作员不理解造成的麻烦。

    满足工厂及用户检验标准的成品，在发货之前还需要做其它的性能试验。通常进行整体产品在最终使用条件下的模拟试验，以检验其强度、挠曲性及绝缘性等。

6  总结

    在提升拉挤产品的质量方面，原料和设备供应商扮演着非常重要性的角色。原料商有责任提供稳定和优质的原料，还应加大开发力度，不断为拉挤工业提供性能价格比更优的产品。设备供应商就认真倾听拉挤厂家的意见，仔细检讨现有提供设备的差距，在新开发的机器上对工艺参数应有一目了然的、稳定的和闭环的控制，在可能的情况下还应考虑随机配备数据采集硬件和统计工艺控制软件，为制定工艺规范提供更高级的能力。

    拉挤厂家、设备及原料供应商和终端用户应组织在一起，成立专门委员会，共商行业内的市场开拓、技术发展、质量提升大计，以促进行业的快速健康发展。努力做好质量管理是企业生存发展的根本，除了要了解现有的知识与方法外，还必须将质量道德意识灌输到组织的每一级员工中。这样，我们所付出的努力才能真正得到收获。