玻璃钢雕塑在我们生活中是比较常见的一种雕塑类型。玻璃钢雕塑具有质轻,耐腐蚀,成本相对较低的特点。又称FRP,学称纤维增强塑料,国内在习惯上称之为玻璃钢。它是以合成树脂为基体材料,以玻璃纤维及其制品为增强材料组成的复合材料。
玻璃钢雕塑成品制作前,先将所要制作的产品用特定泥巴材料塑造出相应要制作的产品,在泥塑稿制作完后,翻制石膏外模,然后将玻璃钢(即树脂和玻璃丝布的结合物)涂刷在外模内部。等其干透后打开外模,经过合模的程序,获得玻璃钢雕塑成品。但玻璃钢雕塑在室外经过太阳的暴晒和风蚀,一般五年以上就开始有变形,脆弱易裂的缺点。
玻璃钢雕塑生产方法基本上分为两大类,即湿法接触型和干法加压成型。如按工艺特点来分,有手糊成型、层压成型、RTM法、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。手糊成型又包括手糊法、袋压法、喷射法、湿糊低压法和无模手糊法。
我国有90%以上的FRP产品是手糊法生产的,其他有模压法、缠绕法、层压法等。日本的手糊法仍占50%。从世界各国来看,手糊法仍占相当比重,说明它仍有生命力。手糊法的特点是用湿态树脂成型,设备简单,费用少,一次能糊10m以上的整体产品。缺点是机械化程度低,生产周期长,质量不稳定,我国从国外引进了挤拉、喷涂、缠绕等工艺设备,随着FRP工业的发展,新的工艺方法将会不断出现。
一、密度
玻璃钢密度介于1.5~2.0之间,只有普通碳钢的1/4~1/5,比轻金属铝还要轻1/3左右,而机械强度却很高,某些方面甚至能接近普通碳钢的水平。例如某些环氧玻璃钢,其拉伸、弯曲和压缩强复均达到400MPa 以上。按比强度计算,玻璃钢不仅大大超过普通碳钢,而且可达到和超过某些特殊合金钢的水平。 玻璃钢与几种金属的密度、抗伸强度和比强度比较见表2-6所示。
材料名 | 密度 | 拉伸强度( MPa ) | 比强度 |
高级合金钢 | 8.0 | 1280 | 160 |
A3钢 | 7.85 | 400 | 50 |
LY12铝合金 | 2.8 | 420 | 160 |
铸铁 | 7.4 | 240 | 32 |
环氧玻璃钢 | 1.73 | 500 | 280 |
聚酯玻璃钢 | 1.8 | 290 | 160 |
酚醛玻璃钢 | 1.8 | 290 | 160 |
(比强度:即单位密度下的拉伸强度,也就是材料的抗拉强度与密度之比,用以说明其轻质高强的程度。)
二、电性能
玻璃钢有优良的电绝缘性能,可作为仪表、电机及电器中的绝缘零部件,在高频作用下仍然保持良好的介电性能。
在绝缘材料中,用玻璃纤维布代替纸及棉布,可提高绝缘材料的绝缘等级,在用相同树脂的情况下,至少能提高一个等级。玻璃钢占绝缘材料用量的1/3~1/2,。在一些大型电机中,如12.5万KW电机,要用几百千克玻璃钢作绝缘材料。此外玻璃钢不受电磁影响,而且有良好的透微波性能.
下表几种玻璃钢的介电性能:
玻璃钢种类 | 介电常数 | 介电损失角正切 |
丁苯玻璃钢 | 3.5~4.0 | (3.5~5.0)*10-3 |
DAP玻璃钢 | 4.0~4.8 | (0.9~105)*10-2 |
聚丁二烯玻璃钢 | 3.5~4.0 | (4.5~5.5)*10-3 |
307聚酯玻璃钢 | 4.0~4.8 | (0.9~1.5)*10-3 |
6101环氧玻璃钢 | 4.7~5.2 | (1.7~2.5)*10-2 |
三、热性能
玻璃钢有良好的热性能,它的比热大,是金属的2~3倍,导热系数比较低,只是金属材料的1/100~1/1000。
此外,某些品种玻璃钢的耐瞬时高温性能也十分突出,如酚醛型高硅氧布玻璃钢,在遇极高温度时,产生碳化层,可有效地保护火箭、导弹及宇宙飞船在穿过大气层时需要承受的5000~10000K 高温及高速气流的作用。
表2-8列出了几种材料的热性能
材料 | 比热 〔KJ(Kg·K)〕 | 导热系数〔W/(m.K)〕 | 线膨胀系数 α10-5/℃ |
聚酯浇铸体 | 0.17 | 0.17 | 6~13 |
铁 | 0.46 | 75.6 | 1.2 |
铝 | 0.92 | 222 | 2.4 |
木材 | 1.38 | 0.09~0.19 | 0.08~0.16 |
玻璃钢 | 1.26 | 0.40 | 0.7~6 |
由表2-8可以看出,玻璃钢具有良好的热绝缘性能,这是金属材料无法比拟的。
四、耐老化性能
任何材料都存在老化问题,玻璃钢也不例外,只是速度和程度不同而已。玻璃钢在大气曝晒、湿热、水浸泡及腐蚀介质等作用下,性能有所下降,在长期使用过程中会使光泽减退、颜色变化、树脂脱落、纤维裸露、分层等现象。
但随着科学技术进步,人们可以采取必要的防老化措施,改善使用性能,提高产品的使用寿命。例如玻璃钢放在哈尔滨地区进行自然老化试验,板材拉伸强度下降最少,小于20%;弯曲强度次之,一般不超过30% ;压缩强度下降最多,波动也最大,一般为25%~30% 。见下表所示。
力学性能 | 玻璃钢种类 | 原始强度(MPa ) | 10年后强度 | 10年后强度 |
拉伸强度 | 环氧 | 290.77 | 244.22 | 16 |
聚酯 | 293.21 | 228.73 | 22 | |
弯曲强度 | 环氧 | 330.06 | 260.68 | 21 |
聚酯 | 292.04 | 224.91 | 23 | |
压缩强度 | 环氧 | 216.58 | 160.23 | 26 |
聚酯 | 199.43 | 139.65 | 30 | |
弯曲模量 | 环氧 | 1.73*104 | 1.11*104 | 36 |
聚酯 | 1.59*104 | 1.02*104 | 36 |
此外,室外风、雨及阳光曝晒,会使玻璃钢表层树脂脱落,应注意定期维护。
五、长期耐温性及耐燃性
玻璃钢的耐温性及耐燃性取决于所用的树脂,长期的使用温度不能超过树脂的热变形温度。
通用的环氧及聚酯玻璃钢,都是易燃的,对于有防火要求的结构物,要用阻燃树脂或加阻燃剂,因此在使用玻璃钢时,应充分注意。
一般玻璃钢不能在高温下长期使用。如聚酯玻璃钢在40℃~45℃以上,环氧玻璃钢在60℃以上,强度开始下降。近年来出现了一些耐高温的玻璃钢。如脂环族环氧玻璃钢,聚酰亚胺玻璃钢等,但长期工作温度也只能在200-300℃以内,远较金属的长期使用温度为低。
综上所述五个方面的物理性能,可见玻璃钢和金属、陶瓷等材料不同,因此在使用上要发挥其长处,注意合理使用。
例如,玻璃钢低温性能好,强度不下降,因此北方冬季虽然室外气温降到-45℃~50℃ ,可玻璃钢并不发脆。
一般冷却塔、防雨棚等室外构筑物,在北方冬季里使用仍很安全。相反,玻璃钢在高温环境下要用专门的树脂和配方,例如在100℃长期使用,就要采用耐高温配方,用专门的工艺条件成型才行、否则玻璃钢在长期100℃以上持续工作,就会遭到破坏。