SMC模压闭模过程的物理分析

玻璃钢模压闭模过程的物理分析PhysicalAnalysisofFRPMoldedClosed-dieProcess刘爱民（深圳市恒泰昌复合材料有限公司）LiuAiminShenzhenHengtaichangCompoundMaterialCO.,LTD.摘要：用流体力学理论分析闭模过程对热固性塑料制品的影响，并且指出最佳闭模速度。Hydrodynamictheoreticalanalysisofeffectofclosed-dieprocessesforThermosettingplasticproducts,andpointedoutthatthebestclosed-diespeed关键词：热固性塑料流动性闭模速度ThermosettingplasticMobilityclosed-diespeed1.前言在模压成型过程中热固性塑料的流动性。可通过加热使物料降低粘度，在压力作用下发生流动，充模成型。但是与此同时会使塑料分子上的活性基因发生交联反应，导致粘度升高而影响流动性。交联反应放出的热量导致物料温度升高并加速交联固化，从而引起物料粘度急剧增加，流动性迅速下降。闭模是模压成型过程中重要环节，虽然时间很短，但它是制品成型的最终过程，要将制品模压成均匀致密且外观满意，材料的流动性和闭模参数设定，会直接影响制品的外观和内在质量，特别是对表面质量要求高的制品。所以对闭模过程进行分析，有利于对各种影响因素的正确理解，也对我们制定合理的工艺和设备选用具有一定的实际意义。2.闭模过程2.1模压片料的流动性模压片料受外力被强迫按模具形状成型，片料有位移说明具有流动性，也必然具备流体的某种特性，尽管片料并非牛顿流体，在这里我们只谈除玻纤外的糊料部分（实际上片料的粘度就是糊料的粘度）。流体在受外力时其流动前沿截面，见图1PP1P1上模下模由于流体与臂之间的摩擦力作用形成流体层间的剪切应力，其界面流速成多次方曲线。对于最大流速符合下列关系①：H2Vmax=ΔP⑴8μL其中：H为两臂间距L为流程μ为流体粘度ΔP流程端压力差dvHv图2模压材料流动截面图1流体流动前沿截面F=μA⑵dy其中：F为内摩擦力A为接触面积dv/dy为流速梯度从图2可看出：由于流体力的传递，模压时驱动片料流动的力P1≈P2.2.模压流动规律资料②中：在模具腔内放置片料重量远少于应放置量，即欠料模压（short-shotmolding），模压片料时，片料边缘的走向，见图3图3欠料模压从图中看出，由于片料的各流向均为自由端，片料在模压流动时个方向等距离，就是说压制后形状基本与布料形状相似，即各边流程相等。2.3试验两种不同颜色片料---兰色和绿色片料，方形布料120×120mm，粘度9×109CPS上下模温：145—150℃用各一层蓝色包住两层绿色片料（重量相同），压制后，上下两面几乎全部蓝色覆盖了绿色，但在溢料边几乎全部是绿色。下模蓝色绿色闭模速度对制品质量影响试验：片料粘度12×109CPS，上下模温：145—150℃。实验结果如下表：闭模速度对制品质量影响试验对比表试验编号闭模速度（mm/s）制品结构表面质量布料压制后图4不同颜色叠加模压123451.52.08.814.030.0压制有金属网、皮革纹面压制有金属网、皮革纹面压制试样压制试样压制试样金属网完整金属网有撕裂无缺陷有气孔有明显气孔3.分析3.1从流体力学方面我们把片料视为同粘度的流体（尽管是非牛顿流体）来分析，模压玻璃钢的成型。从不同颜色叠加模压试验看出：蓝色包住绿色，绿色料流动到溢料边的位置，说明绿色料在压制过程中，由于蓝色了受模具摩擦力的影响，像流体一样绿色料在流动时处在前沿，所以更易流向完全自由的方向，与流体的流动结果一致。3.2从制品质量方面流动性是指模压片料在一定温度和压力作用下的流动能力。它反映了片料在指定温度和压力下能够充满模具型腔的能力，并且保证得到均匀致密的制品。在模压成型中，片料能否模压成一定形状的制品，主要取决于物料的流动性。对于压制有金属网、加强筋和带镶件的制品来讲，从公式(2)可看出：流速高摩擦力就会增大，影响制品质量，甚至损坏模具。从闭模速度对制品质量影响试验的结果表明：在片料同样粘度下，由于闭模速度大，流速快摩擦力就大从而导致金属网撕裂，闭模速度不能超过2.0mm/s。对于压制试样闭模速度越大表面质量越差，这主要由于闭模速度增大，片料内空气来不及溢出，滞留在制品表面和内部形成气孔。流动性是模压成型过程中一个重要的工艺特性，影响因素很多.树脂的相对分子质量愈大，流动性差，对成型不利，片料制作时树脂分子量要求尽量小。所以生产中常采用加入低分子物质（热塑性添加剂）的方法来降低相对分子质量大的聚合物粘度，改善其加工性能。填料的种类、形状和用量都会影响片料的流动性。用无机填料时流动性稍差，用纤维和纺织物作填料时流动性最差，颗粒细小且是圆球形的填料，则流动性大，填料的用量越大则流动性越差。增强材料的形态、含量直接影响着物料的流动性。增强材料中纤维流动性较差，而带、布、毡成型时几乎不流动。短纤维比长纤维流动性好，模具结构、形状及模腔表面光洁度等都会影响模压片料的流动。若模腔有异物模压制品会出现流动性降低和粘模等现象，模压前应用溶剂或脱模剂反复擦模腔。资料③表明（见图5）闭模速度增大制品强度明显降低，进一步说明闭模速度不仅影响表面质量，同样会影响制品强度。24681012141618202224264050706080Slowclosurespeed（mm/s）Tensilestrength(MN/m2)图5闭模速度对制品强度的影响从试验数据可知：闭模速度超过10mm/s，出现气孔的趋势增大；结合图5中数据，最佳的闭模速度应在10mm/s。布料的大小和置料位不可能与制品完全一致，即各方向的流程不可能相同，这就会使流程短的先到边缘，当继续闭模时，多余的料就会改变方向，如果闭模速度快，这部分片料还没时间改变方向就已经闭模，使流程大的位置造成缺料。布料太厚，流程增大，在同样闭模时间内，流速增加，同样会带来不良后果。片料粘度过大，也会增加缺料可能。保压时间根据40s/mm来确定，此数据也可以理解为传热速度，即1/40mm/s,而通常闭模均在几秒内完成，假如按5sec计，那么在闭模期间，料的传热厚度为1/8mm，既然传热厚度达到料的固化温度就可以认为此厚度在闭模期间就是固化反应的厚度，当有一定固化厚度，还未闭模时，由于摩擦力的作用，使这些已固化的材料被“研磨”，形成白雾状花纹，同样会影响制品的表面质量。4.结论4.1闭模是以物理过程为主，同样伴随表面有固化反应的过程，而固化反应是在保压过程中完成。4.2可以用流体力学理论讨论片料在闭模过程中的流动性。4.3通过对闭模过程中产生的模压制品质量的分析，在保证质量的前提下，提高效率。考虑到制品的结构、片料粘度、模具等情况，最佳的闭模速度应为：1～10mm/s之间。参考文献①郭荣良.流体力学及应用[M].北京：机械工业出版社，1996.56-57②HamidG.Kia.FolwCharacteristicsofSheetMoldingCompundinPanalswithIntegratedRibs”[J].JournalofReinforcedPlasticsandComposites,November1991vol.10no.6626-644③RobertBurns,PolyestermoldingCpmpunds[M],NEWYORKMarcelDekker.INC,1982,220-221作者简介：刘爱民1962.5出生工程师现从事复合材料技术工作，[e-mail]