第四章模压成型工艺

第四章模压成型工艺适合于生产量大、尺寸要求精确的制品。的模具由阴、阳模两部分组成，增强材料一般为短切纤维毡、连续纤维毡和织物。1.定义将复合材料片材或模塑料放入金属对模中，在温度和压力作用下，材料充满模腔，固化成型，脱模制得产品的方法。工艺过程：加热和加压（高压）物料角度：塑化，流动，固化三阶段。模具要求：高强度，高精度，耐高温。§4-1综述树脂在成型过程中的两个特定阶段：(1)粘流阶段：树脂受热熔化，在压力作用下粘裹纤维一起流动至填满模腔的过程。——即物料塑化、流动阶段。(2)硬固阶段：树脂发生交联，硬固的过程。——即物料固化阶段。工艺分类：是根据增强材料物态和模压料品种（模压方式）分类。按模压材料物态分类：纤维料模压：预混、预浸纤维料加热、加压成型。（单向、线性）织物模压：两向、三向、多向织物浸渍树脂后，加热、加压成型。（平面）优点：剪切强度明显提高，质量稳定。缺点：成本高碎布料模压：预浸碎布料加热、加压成型。（多块，小平面）SMC模压：SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求剪裁下料，多层片材叠合加压而成型。（大面积，多层平面）预成型坯模压：短切纤维制成与制品形状和尺寸相似的预成型坯，放入模中，倒入树脂混合物，压力成型。（大型、深型、高强、异型、体形、均厚度制品）按模压成型方式分类：层压：预浸胶布或毡剪成所需形状，层叠后放入金属模内，压制成型。缠绕：预浸的玻纤或布带，缠绕在一定模型上，加热、加压。（管材）定向铺设：单向预浸料（纤维或无维布）沿制品主应力方向铺设，然后模压成型。2.特点①产品尺寸准确，表面光洁，产品不需二次加工；生产效率较高，易于实现机械化、自动化；②模具设计制造复杂，压机及模具投资高，产品尺寸受设备限制，只适于大批量中小型制品。3.工艺过程1）模压料估算模具预热涂刷脱模剂装模模压模压料称量预热脱模后处理检验制品)1(VW：制品密度V：体积:物料损失系数(3%~5%)辅助真空模压模内涂覆树脂2）工艺参数A.温度装模模具温度：挥发溶剂，模压料不发生明显化学变化;取决于模压料品种，制品结构和生产效率（一般为室温~90℃）升温速率：10℃/h~30℃/h最高模压温度树脂固化温度（温度过低，固化不完全;温度过高，局部固化，中间固化不良）保温时间固化反应时间，模压料传热时间B.压力作用：克服模压料之间、模压料与模腔间的摩擦，使物料充满模腔；压实模压料，保证制品形状和尺寸加压时机：树脂激烈反应放出大量气体之前a.凭经验（树脂能够拉丝时）;b.树脂凝胶温度;c.气体释放量放气充模（加压、卸压、反复几次）3）预热和预成型预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固化时间，降低成型压力；预热方法：加热板、红外线、电烘箱、高频、远红外60~100，30min预成型（室温下预先压制）：缩短生产周期，提高生产效率及制品性能4）模内涂覆树脂作用:覆盖模压件的表面缺陷，例如表面波纹、孔隙、表面挂痕等。方法:在模压过程内，将模具打开一道缝(0.2～0.5mm),注入一些树脂覆盖整个制件表面，然后再闭模、固化；当模压料最大固化收缩时，高压补注一些树脂。4）真空辅助模压在模具闭模后，利用真空系统排除模压料中的空气及固化生成的小分子物质，能够减少产品表面孔隙，提高产品强度。4.制品缺陷及产生原因1)空隙原因:模压料中的气泡模压料在装模过程中混入空气在闭模过程中混入空气方法:真空辅助模压、放气充模、预热预成型2)鼓泡（开模后,制品表层中空气受热膨胀）原因:制品表层中空气过多；模压料固化不完全。方法:真空辅助模压；固化充分后，开模。3)分层原因:模压料固化不完全模压料中气泡过多方法：真空辅助模压；固化均匀、完全4)收缩痕原因:模压料在筋条或凸台附近形成树脂富集区，树脂固化收缩时，在制品表面产生轻微凹陷。方法:模压料添加填料或低收缩剂；在筋条或凸台附近铺设短纤维模压料；优化模具设计5)流缝线原因：两个或两个以上的不同流动前缘汇集形成单一流动前缘时，形成流缝线（纤维倾向于平行于流缝线取向，在垂直于流缝线方向，制品的强度减弱）。方法：制品中尽量不预设孔，制品固化后在低应力区钻孔。6)翘曲原因:制品厚度不均匀或制品形状复杂引起不均匀收缩。方法:制品尽可能等厚度设计；优化模具设计，降低模压料流动阻力，使模压料固化均匀。§4-2.模压料树脂、增强材料、辅助剂构成模压料的三大块。§4-2-1.原料1、树脂：酚醛型（镁、氨酚醛，改性聚乙烯醇缩丁醛），环氧型（634，648，F-46），环氧酚醛型（也可列为酚醛型），聚酯型。2、增强材料：纤维型（玻纤，碳纤，尼龙纤），（形状有纤维状，短切毡，布或绳）3、辅助材料：稀释剂，玻纤表面处理剂，填料，脱模剂及颜料等。目的：使模压料具有良好的工艺性和制品的特殊要求。(1)稀释剂：丙酮、乙醇（非活性）用途：降低树脂粘度，改进树脂浸渍性能，有活性与非活性之分。(2)表面处理剂：改进树脂与增强材料的粘结及树脂——纤维界面状态。种类：对环氧及酚醛模压料，常用的玻纤表面处理剂有KH-550，用量为纯树脂重量的1%，不宜过多或过少。(3)粉状填料：提高模压料的流动性，降低制品收缩率，提高制品表面的光泽度、质量和均匀性及赋予制品以某种特殊性能。MoS2可提高制品的耐磨性。§4-2-2.模压料的制备分为预混法和预浸法两种。1、短切纤维模压料制备(1)预混法（手混和机混）工艺流程：玻璃纤维→热处理→切割→混合→撕松→烘干→模压料树脂调配机混法步骤：a180℃处理40~60min（350℃处理10~15min），除去玻纤表面石蜡浸润剂，残油量0.3%。b、切割成30~50mm长度，疏松。c、按树脂配方配成胶液，用工业酒精调配胶液密度在1.0g/cm3d、按纤维：树脂=55：45（质量比）在捏合机内充分混合e、捏合的预混料，逐渐加入撕松机撕松。f、撕松的预混料在网格屏上晾置。g、80℃烘房中烘20~30min，进一步除去水分和挥发物。h、装入塑料袋中备用。(2)预浸法a、纤维从导架导出，经集束环经入胶槽浸渍。b、浸渍后，过割胶辊进入第一、二级烘箱烘干。第一级温度110~120℃，第二级温度150~160℃。c、牵引辊牵出、切割。三个主要工艺参数：树脂溶液比重，环氧酚醛(6：4)，d=1.00~1.025烘箱温度牵引速度2、模压料质量控制模压料呈散乱状态，纤维无一定方向，模压时流动性好，适合制造形状复杂的小型制品。因此，控制好质量，对模压特性及制品性能有很大影响。(1)三项质量控制指标树脂含量，挥发物含量及不溶性树脂含量。几种典型模压料质量指标模压料指标预浸料机械法手工法镁酚醛环氧酚醛环氧酚醛树脂含量40±545±342±4挥发物含量31.52不溶性树脂含量845模压料指标预混料机械法手工法镁酚醛616酚醛616酚醛树脂含量40~5040±435±5挥发物含量2~3.52~44不溶性树脂含量5~10153~20(2)指标控制方法取模压料1~1.5g，称重G1（精确至0.001g），放入105±2℃的烘箱内烘30min，取出后在干燥器内冷却至室温，称重G2。挥发物含量：V%=(G1-G2)/G1×100%取模压料1~1.5g，称重G1（精确至0.001g），将其浸入丙酮溶液中浸泡15min，取出放入105±2℃的烘箱内烘30min，在干燥器内冷却至室温，称重G3。称重后将料放入550~600℃炉中灼烧10~20min，将树脂全部烧尽，取出后在干燥器内冷却至室温，再称重G4。树脂含量：R=[G1(1-V)-G4]/G1(1-V)×100%不溶性树脂含量：C=(G3-G4)/[G1(1-V)-G4]×100%测量时要三份平行实验，如模压料中含有无机填料，上述公式需加以修正。(3)影响模压料质量的几个主要因素a、树脂溶液粘度降低粘度：有利于树脂对纤维的浸透和减少纤维强度损失。过低：导致纤维离析，影响树脂对纤维的粘附。用加入溶剂调整密度来实现，用密度控制粘度。酚醛预混料树脂胶液粘度控制在1.00~1.025g/cm3。b、纤维长度过长易结团，机混法：长度20~40mm，手混法：长度30~50mm。c、烘干条件一般快速固化酚醛型预混料（镁酚醛）烘干温度为80℃，烘干20~30min。慢速固化酚醛型预混料（氨酚醛）烘干温度为80℃烘干50~70min。环氧酚醛型预混料的烘干温度为80℃，烘干20~40min。d、浸渍时间在确保纤维均匀浸透情况下，应尽可能缩短时间。3、模压料的工艺性及其影响因素工艺性主要为模压料的流动性、收缩率和压缩性。(1)流动性流动性好：成型温度与压力较低，复杂制品。流动性差：成型温度与压力提高，不易复杂制品。热固性聚合物熔体粘度：η=f(γ,T,α)γ：剪切速率，T：温度，α：固化度。流动度：Φ=1/η•Ae-atA,a：常数，t：加热时间。外部影响因素：流动度与时间、温度、压力的相互关系。加热初期固化前期固化期及后温度升高温度续升压力升高压力续升综合评估流动度增大流动度相对稳定流动度速降—交联流动度增大—塑化流动度快降—交联流动度增大—提高剪切变形，剪切速率流动度增缓—功耗速增温度最重要Arrhenius方程：η=A•eHη/RT解决方法：模压温度Tk，塑化，交联的交界温度。内部影响因素：a、高聚物分子量，链结构，分子量分布相同温度下：分子量大、链段多，分子链重心难移——粘度大。η0=AMw3.4η0：剪切速率较低时的表观粘度A：经验常数Mw：重均分子量解决方法：低分子量溶剂或增塑剂降低粘度。分子量分布对粘度影响：剪切速率小，分布宽高于分布窄。剪切速率大，分布宽低于分布窄。温度敏感性：分布宽，温敏低；分布窄，温敏高。logγlogη12图4-5：分子质量分布不同对流动曲线的影响1－分子质量分布宽2－分子质量分布窄加热时间min流动速度g/s312图4-6：流动试验曲线1－纸浆填充脲醛2－纸浆填充三聚氰胺甲醛3－木粉填充酚醛b、模压料质量指标与组分挥发份对流动性影响：挥发份增加，流动性增加挥发份过高，成型时树脂大量流失挥发份过低，流动性下降，成型难c、增强材料形态、含量线性好于平面性，短比长好，短长混用。d、合理的压制制度，模具的结构、形状及光洁度都会有影响流动性过大的，合模时产生溢料，局部聚胶、贫胶和纤维分布不均。(2)模压料的收缩性定义：脱模后尺寸会减小是模压料的固有特性。Q：收缩率A、实际收缩率：模具空腔或制品在压制温度下的尺寸与制品在室温下的尺寸之间的差值。Q实=(a-b)/b×100%a：模具空腔或制品在压制温度下的尺寸mmb：制品在室温下的尺寸mmB、计算收缩率：在室温下模具空腔尺寸与制品尺寸之间的差值。Q计=(c-b)/b×100%c：模具空腔在室温下的尺寸mm，设计模具时的重要数据。C、收缩的主要原因：热收缩和结构（化学）收缩。热收缩：模压制品的线膨胀系数比模具材料大（塑料线膨胀系数25~120×10-6℃-1，钢材线膨胀系数11×10-6℃-1）因此制品脱模冷却后收缩率大于模具收缩率。制品小，模具大（与墙地砖热压后膨胀正好相反）见表4-3结构收缩：固化过程中缩聚反应产生交联。一般高强度短纤维模压制品收缩率在0~0.3%。D、影响收缩的因素※原材料的影响树脂与添加物的种类与含量※模具结构和制品形状的影响不溢式与溢式模具，模具刚度，薄壁制品※成型工艺条件温度制度，压力制度(3)模压料的压缩性压缩比：模压料和模压制品二者比容的比值。压缩比=模压料（或坯体）的比容/制品比容1SMC，BMC压缩比较小。纤维状模压料压缩比达6~10（蓬松）处理方法：预成型纤维§5-3、SMC成型工艺§5-3-1、SMC的特点与种类1、SMC的特点SMC——片状模塑料（SheetingMoldingCompound）1953年，美国Rubber发明不饱和聚酯的化学增稠。1960年，德国Bayer公司实现SMC工业化生产。定义：SMC是不饱和聚酯树脂及辅助剂、填料所成树脂糊浸渍短玻纤粗纱或玻毡，并在两边用聚乙烯或聚丙烯包覆后形成的片状模压成型材料。特点：(1)干法生产FRP制品一种中间材料，它具有独特