拉挤成型(2)

授课人：刘东雷（博士）单位：南昌大学机电工程学院系所：材料成型系高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室拉挤成型工艺及应用目录概述原理与设备拉挤模具原材料拉挤制品与工艺设计课后作业高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室4.1基体材料4.2增强材料高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室4.3辅助材料4原材料学习内容高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室4.1基体材料作用黏结剂：将增强材料黏结成一个整体，起传递载荷、均衡载荷的作用。赋予复合材料基本性质：FRP材料的力学性能取决于增强材料，但其弯曲、压缩等力学性能取决于基体，耐热性、耐腐性、阻燃性、耐候性、电性能、生物性和透光性则取决于基体材料。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室组分合成树脂：聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等纯树脂液。辅助材料：辅助剂用量一般较少，与树脂混合使用，具备控制反应、赋予制品特殊性能的关键作用。辅助剂种类：固化剂、促进剂、抗老化剂、阻燃剂、稀释剂、增韧剂、颜料、填料。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室选用原则设计要求：每种产品都有设计性能指标，以保证产品使用安全性。工艺要求：从拉挤成型工艺角度考虑，树脂配方设计要求要有较长的凝固时间（8h以上）和较快的固化速度，以满足连续拉挤、快速固化的要求。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室拉挤成型树脂应满足以下特性黏度较低：最好在2000Pa·s以下，树脂应具有良好的流动性和浸润性。凝胶时间较长，固化时间较短。固化收缩率较低：可在配方中引入填料，降低固化收缩率的同时，可降低成本。黏结性好、具有一定的韧性，成型时不易产生裂纹。经济性要求。拉挤成型常用树脂不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂等。不饱和聚酯树脂应用最多，技术上也最成熟，大约占总量的90%。一般来讲，用于模塑料的不饱和聚酯树脂都可用于拉挤成型制品。国外已生产出拉挤制品专用的不饱和聚酯树脂。为获不同性能，改性酚醛树脂、多种热塑性树脂也已应用。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室典型拉挤用不饱和聚酯树脂配方(I)(生产配方)成份含量（份）树脂196100脱模剂（硬脂酸锌）3－5填料（轻质碳酸钙）5－15低收缩剂（PVC树脂）5－15颜料0.1－1.0高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室典型拉挤用不饱和聚酯树脂配方(II)(生产配方)成份含量（份）环氧树脂E-55100脱模剂（硬脂酸锌）3－5固化剂（590#）15－20增韧剂10－15稀释剂适量高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室4.2增强材料拉挤成型所用的增强材料绝大部分是玻璃纤维，其次是聚酯纤维。碳纤维等高强度纤维主要用于宇航、体育器材等。玻璃纤维中，用得最多的是无捻粗纱，所用玻纤都采用增强型浸润剂。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室常用增强材料无捻粗纱玻璃纤维毡聚酯纤维表面毡玻璃纤维布、带二维织物、三维织物高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室4.3辅助材料常用辅助材料（I)辅助剂特点固化剂金属皂类、脂肪酸酯、聚乙烯羟蜡，用量一般0.5－3%。阻燃剂添加型：磷酸酯、卤代羟、氢氧化铝、氧化锑，对复合材料性能有一定影响。反应型：磷多元醇、卤代酸酐，对材料性能影响小。填料碳酸钙、氢氧化铝，用量为树脂的10－50%，粒度150－1200目。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室辅助剂特点色料内着色剂，无机颜料，用量0.5－5%。低收缩添加剂聚醋酸乙烯酯（PVAE）、聚苯乙烯（PS)、热塑性聚氨酯、聚酯。分散剂是一种表面活性剂，由一个或多个亲颜/填料的基团和类似与树脂的链状结构组成，增进颜/填料粒子的润湿，稳定分散剂，防止胶液絮凝。引发剂中高温固化系统引发剂：BPO、MEKP、TBPB、BPPD等。常用辅助材料(II)5.1拉挤型材结构与工艺设计5.2拉挤成型工艺因素高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室5.3产品缺陷与控制5拉挤制品与工艺设计学习内容高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室5.1拉挤型材结构与工艺设计5.1.1拉挤型材高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室棒材：圆棒、方棒、半圆棒、槽棒、狗骨棒管材：矩形管、异型管板材：矩形板、椭圆板组合型材其他常用型材高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室普通型材高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室普通型材高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室狗骨棒材高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室异形棒（管）材高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室异形棒（管）材高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室组合型材高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室组合型材高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室5.1.2拉挤型材结构设计（1）强度设计拉挤制品轴向与横向之间没有弯曲耦合效应，轴向强度大，横向强度低，对于仅承受轴向应力的拉挤制品，强度分析可以简化。1）许用应力bK材料极限破坏应力材料安全系数许用应力高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室2）拉伸强度3）弯曲强度maxmaxyfyMW截面最大弯矩抗弯截面系数弯曲许用应力最大弯曲应力FA轴向拉伸力制品截面积许用应力最大拉伸应力高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室（2）刚度设计1）许用变形bK材料断裂延伸率材料安全系数许用应变nlfk梁长度材料系数，取250－750之间值许用扰度高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室2）拉伸刚度LLbFEAE3）弯曲刚度34maxpqLLpLqLfkkfEJEJ高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室5.2拉挤成型工艺因素（1）模具温度在拉挤成型过程中，浸渍了胶液的玻璃纤维和织物在穿越模具时受热发生交联反应，树脂由线型液状的物体逐步变化成为体型的固态型材，这种变化必须是在进入模具开始到进入牵引机之前基本完成的，当配方确定后，温度是拉挤工艺控制的重点。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室用于拉挤的树脂体系对温度都很敏感，模腔温度的控制应十分严格。温度低，树脂不能固化；温度过高，坯料一入模就固化，使成型、牵引困难，严重时会产生废品甚至损坏设备。模腔分布温度应两端高，中间低。50100150200250300ABA－模具初始温度B－工艺过程中最佳温度模腔温度分布曲线高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室一般把模具人为地分为三段，即加热区、胶凝区和固化区。在模具上使用三组加热板来加热，并严格控制温度。树脂在加热过程中，温度逐渐升高，粘度降低。通过加热区后，树脂体系开始胶凝、固化，这时产品与模具界面处的粘滞阻力增加，壁面上零速度的边界条件被打破，在脱离点处树脂出现速度突变，基本固化的型材以均匀的速度在模具表面摩擦运动，在离开模具后基本固化，型材在烘道中受热继续固化，以保证进入牵引机时有足够的固化度。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室拉挤模具内树脂的速度曲线剂不同区域粘滞力和摩擦力示意图高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室加热区温度可以较低，胶凝区与固化区温度相似。温度分布应使固化放热峰出现在模具中部靠后，胶凝固化分界点应控制在模具中部。一般三段温差控制在10-20℃左右，温度梯度不宜过大。温度的设定与配方、牵引速度、模具的尺寸、形式有密切的关系模具的加热条件是根据树脂－引发剂体系来确定，一般来说，模具温度应高于树脂的放热峰值，上限温度应不高于其分解温度。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室（2）拉挤速度牵引速度是平衡固化程度和生产速度的参数，在保证固化度的前提下应尽可能提高牵引速度。模腔压力是由于树脂粘性，制品与模腔壁间的摩擦力，材料受热产生的体积膨胀，以及部分材料受热气化产生的。模腔压力使制品在模腔内行为的一个综合反映参数。一般模腔压力在1.7~8.6MPa之间。（3）模腔压力高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室（4）纤维张力纤维张力是指拉挤过程中玻璃纤维粗纱张紧的力，可使浸胶后的玻璃纤维粗纱不松散。其大小与胶槽中的调胶辊到模具的入口之间距离有关，也与拉挤制品的形状、树脂含量要求有关。一般情况下，要根据具体制品的几何形状、尺寸，通过实验确定。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室（5）牵引力牵引力是保证制品顺利出模的关键，其大小可由制品与模具壁面间的界面剪切应力来确定。牵引力的变化反映了产品在模具中的反应状态，它与许多因素，如：纤维含量、制品的几何形状与尺寸、脱模剂、模具的温度、拉挤速度等有关系。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室牵引速度和剪切应力的关系入口，与壁面粘滞力一致出口，与壁面摩擦力一致脱离点，随牵引速度增大而减小高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室5.3拉挤成型工艺因素相关性（1）温度、拉挤速度、牵引力三者之相关性温度：由树脂系统的特性来确定的，是拉挤工艺中应当解决的首要因素。通过树脂固化体系的DSC曲线的峰值和有关条件，确定模具加热的各段温度值。拉挤速度：确定的原则是确定模内温度下的胶凝时间，保证制品在模具中部胶凝、固化，出模具时具有一定的固化程度。牵引力：制约因素较多，如:它与模具温度关系很大，并受到纤维含量、制品的几何形状与尺寸、胶液配方和拉挤速度的控制。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室（2）树脂预热与制品后固化之相关性树脂进入模具前进行预热对工艺是非常有利，一方面预热使树脂温度提高，粘度下降，增加了纤维的浸润效果，另一方面可以降低树脂固化反应温度，使产品表面优良。并且为提高牵引速度创造了条件。在许多树脂体系中，如环氧树脂等都需要预热。预热高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室预热的效果还表现在使浸胶的纤维束内外温度梯度减小。因为在进入模具后，由于树脂和纤维的导热系数都很小,由模具传递给产品的热量从产品表面到产品中心部分温度呈梯状分布，产品中心线的温度低于产品表面的温度。如果提高拉挤速度，那么制品中心线和表面之间的温度和固化度的滞后量都会增加。滞后量又会相反地随着中心固化放热的增加而减小，最后制品的中心温度高于表面温度，造成热应力对制品性能产生影响。要想实现产品内外均匀固化，减少热应力，树脂应该预热。高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室固化：不饱和聚酯树脂的固化可以分为三个阶段：凝胶阶段、定型阶段（硬化阶段）、熟化阶段（完全固化阶段）。后固化：一般从拉挤生产线下来的玻璃钢型材是处于硬化阶段，还需要将切割好的型材放到恒温室中继续固化一段时间，使型材的强度进一步提高。措施：可以在50～100℃恒温室放置15～30小时。固化高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室5.3产品缺陷与控制缺陷现象原因鸟巢增强纤维在模具入口处相互缠绕，导致制品在模具内破坏。纤维断了纤维悬垂的影响树脂粘度高纤维粘附着的树脂太多牵引速度过高模具入口设计不合理固化不稳定在模具内粘附力突然增加，可引起制品在模具内破坏。牵引速度过高由预固化引起的热树脂突然回流常用缺陷及成因（I)高分子材料成型新技术及模具CAD/CAE/KBE研究室常用缺陷及成因（2)缺陷现象原因表观粗糙表面光洁度差，起鳞。玻璃纤维量不足固化区应力太高，产生爬行蠕动粘模部分制品与模具粘附，使制品拉伸破坏纤维体积含量低，填料加入量少内脱模剂效果不好或用量太少未完全固化速度太快温度太低模具太