《复合材料工艺与设备》-第四章---模压成型

课件4.1概述第四章模压成型4、模压成型工艺4.1概述定义将一定量的模压料放入金属对模中，在一定温度、压力作用下，固化成型制品的方法。加热加压的作用使模压料塑化、流动，充满空腔，并使树脂发生固化反应。课件第四章模压成型4.1概述电机冲压模具模压成型设备汽车冲压模具塑料椅模具课件第四章模压成型4.1概述数控模式水泥彩瓦成型机课件4.1概述第四章模压成型模压工艺利用树脂固化反应中各阶段的特性实现制品成型“粘流阶段”：当模压料在模具内被加热到一定的温度时，树脂受热熔化成为粘流状态，在压力作用下粘裹着纤维一道流动，直至充满模腔。“硬固阶段”：继续提高温度，树脂发生交联，分子量增大，流动性很快降低，表现为一定的弹性，最后失去流动性，树脂成为不溶不熔的体型结构。课件4.1概述第四章模压成型有较高的生产效率，适于大批量生产，制品尺寸精确，表面光洁，可以有两个精制表面，价格低廉，容易实现机械化和自动化，多数结构复杂的制品可一次成型，无需有损于制品性能的辅助加工，制品外观及尺寸的重复性好。压模的设计与制造较复杂，初次投资较高，制品尺寸受设备限制，一般只适于制备中、小型玻璃钢制品。课件第四章模压成型模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种分类：（1）纤维料模压法树脂预混或预浸纤维模压料，然后模压成型制品。（2）织物模压将预先织成所需形状的两向、三向或多向织物经树脂浸渍后进行模压。质量稳定，但成本高，适用于有特殊性能要求的制品。4.1概述主要用于制备高强度异形制品或具有耐腐蚀、耐热等特殊性能的制品课件第四章模压成型（3）层压模压将预先浸渍好树脂的玻纤布或毡，剪成所需形状，经叠层放入模具进行模压。适于成型薄壁制品，或形状简单而有特殊要求的制品。（4）SMC模压将SMC片材(SheetMoldingCompound,片状模塑料)，经剪裁，铺层，然后进行模压。适合于大型制品的加工(例汽车外壳，浴缸等)，此工艺方法先进，发展迅速。4.1概述不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂、着色剂等混合物浸渍短切玻纤粗纱或玻纤毡，两表面加上保护膜(聚乙烯或聚丙烯薄膜)形成的片状模压成型材料。使用时除去薄膜，按尺寸裁剪，然后进行模压成型。课件第四章模压成型（5）碎布料模压将预浸胶布剪成碎块放入模具，压成制品。适用于形状简单、性能一般的玻璃钢制品。（6）缠绕模压将浸胶的玻璃纤维或布带缠绕在模型上，进行模压。适于有特殊要求的制品及管材。4.1概述课件第四章模压成型（7）预成型坯模压先将短切纤维制成制品形状的预成型坯，置入模具，加入树脂后进行模压。适于制造大型、高强、异形、深度较大、壁厚均一的制品（8）定向铺设模压将单向预浸渍布或纤维，定向铺设，进行模压。适于成型单向强度要求高的制品。4.1概述课件第四章模压成型4.2模压料（短纤维模压料）4.2.1原料短纤维增强材料应用最多的是玻璃纤维纤维长度30~50mm含量50~60%(质量比)树脂基体材料应用最多的是酚醛树脂、环氧树脂辅助材料4.2.1原料改善模压料的工艺性，满足制品的特殊性能要求。课件第四章模压成型树脂基体材料有良好的流动特性，在室温常压下处于固体或半固体状态(不沾手)，在压制条件下具有一定的流动性，使模压料能均匀地充满压模模腔；适宜的固化速度，在固化时副产物少，体积收缩率小，工艺性好(如粘度易调，与各种溶剂互溶性好，易脱模等)；满足模压制品特定的性能要求。4.2.1原料课件第四章模压成型辅助材料4.2.1原料改善模压料的工艺性，满足制品的特殊性能要求。稀释剂、玻璃纤维表面处理剂、致粘剂、脱模剂及颜料等。稀释剂用于降低树脂原始粘度，改进树脂备料工艺性能。玻璃纤维表面处理剂用于改进树脂与增强材料的粘结及其界面状态。脱模剂分两类，一类是外脱模剂如机油、硬脂酸(盐)、硅脂等，在压制前预先涂覆在模具上。另一类是内脱模剂，加入树脂内，如镁酚醛树脂中加入3%—3.5%重量的油酸(以苯酚为基准)等。课件第四章模压成型纤维强度损失较大；比容大，模压时装模困难，模具需设计较大的装料室并需采用多次预压程序合模，劳动条件欠佳。4.2.2模压料的制备及质量控制4.2.2模压料的制备及质量控制优点：短纤维模压料呈混乱状态，纤维无一定方向。模压时流动性好，适宜制造形状复杂的小型制品。缺点：课件第四章模压成型工艺流程：树脂调配↓玻璃纤维→热处理→切割→蓬松→混合→撕松→烘干→模压料4.2.2模压料的制备及质量控制4.2.2.1短纤维模压料的制备可采用手工预混法或机械预混法。预混法课件第四章模压成型生产步骤：以镁酚醛为例设备：主要有纤维切割机、捏合机、撕松机4.2.2模压料的制备及质量控制(1)玻璃纤维在180℃下干燥处理40~60min；(2)将烘干后的纤维切成30~50mm长度并使之疏松；(3)按树脂配方配成胶液，用工业酒精调配胶液密度1.0g/cm3左右；(4)按纤维:树脂=55:45(质量比)的比例将树脂溶液和短切纤维充分混合；(5)捏合后的预混料，逐渐加入撕松机中撕松；(6)撕松后的预混料均匀铺放在网格上晾置；(7)预混料经自然晾置后，在80℃烘房中烘20~30min，进一步驱除水分和挥发物；(8)将烘干后的预混料装入塑料袋中封闭待用。课件第四章模压成型预浸法4.2.2模压料的制备及质量控制粗纱准备热处理浸胶烘干切割存放树脂调配浸毡法纱线准备撕松烘干切割撒毡树脂调配复合浸胶成品将短切玻璃纤维均匀撒在玻璃底布上，然后用玻璃面布覆盖再使夹层通过浸胶、烘干、剪裁而制得。特点：短切纤维呈硬毡状，使用方便，纤维强度损失稍小，模压料中纤维的伸展性较好，适用于形状简单、厚度变化不大的薄壁大型模压制品。但由于有两层玻璃布的阻碍，树脂对纤维的均匀快速渗透较困难，且需消耗大量玻璃布，成本增加。将玻璃纤维束整束通过浸胶、烘干、短切而制得。特点：纤维成束状比较紧密，在备料过程中纤维强度损失较小，模压料的流动性及料束之间的互溶性稍差。课件第四章模压成型4.2.2.2短纤维模压料的质量控制指标：树脂含量；挥发物含量；不溶性树脂含量。几种典型模压料的质量指标4.2.2模压料的制备及质量控制模压料类型指标树脂含量%挥发物含量%不溶性树脂含量%机械法镁酚醛/玻璃纤维氨酚醛/玻璃纤维40~5040±42~3.52~45~1015手工法氨酚醛料35±5(玻璃)40±4(高硅氧)43~20课件第四章模压成型影响模压料质量的主要因素1）树脂溶液粘度降低胶液粘度有利于树脂对纤维浸渍，并可减少捏合过程的纤维强度损失。粘度过低，在预混过程中会导致纤维离析，影响树脂对纤维的粘结。4.2.2模压料的制备及质量控制密度作为粘度控制指标酚醛预混料树脂胶液密度：1.00~1.025g/cm3课件第四章模压成型2）纤维长度过长——结团、不利于捏合过短——影响强度机械预混20～40mm手工预混30～50mm3）浸渍时间（捏合时间）确保纤维均匀浸透前提下，尽可能缩短浸渍时间，因为捏合时间长，纤维强度损失大，且溶剂挥发过多增加撕松困难。4.2.2模压料的制备及质量控制课件第四章模压成型4）烘干条件烘干温度与时间是控制挥发物含量与不溶性树脂含量的主要因素。快速固化酚醛预混料：80℃，20～30min慢速固化酚醛预混料：80℃，50～70min环氧酚醛预混料：80℃，20～40min5）其它捏合机结构形式、撕松机结构形式、转速等对质量控制也有影响。作业：1、简述短纤维模压料制备工艺流程。2、简述树脂溶液粘度对短纤维模压料质量的影响。4.2.2模压料的制备及质量控制课件第四章模压成型4.2.3模压料的工艺性及其影响因素模压料的工艺性：流动性、收缩率、压缩性。4.2.3.1模压料的流动性在一定温度和压力下模压料充满模腔的能力。流动性好，可选用较低成型温度、压力，较容易成型复杂制品。流动性过大，会导致树脂流失或纤维局部聚集，制品性能下降。4.2.3模压料的工艺性及影响因素课件第四章模压成型流动性差，需选用较高成型温度、压力，不易成型复杂制品。流动性过小，物料不能充满模腔或局部缺料，无法成型。热塑性聚合物，其流动性控制较简单，温度升高即可达到粘流状态，使物料充满模具，冷却后即失去流动性，制品定型。4.2.3模压料的工艺性及影响因素课件第四章模压成型热固性聚合物4.2.3模压料的工艺性及影响因素温度：加热一方面使物料熔融粘度降低，在压力作用下产生流动；另一方面活性基团发生交联反应，粘度升高达到无限大。压力：加压一方面使物料流动产生剪切变形，大分子链发生局部取向及触变效应等导致聚合物粘度降低；另一方面，剪切作用增加了活性分子间的碰撞机会，降低了反应活化能使交联反应速度增快，熔体粘度随之增大。大多数交联反应是放热反应，系统温度的升高加速了交联固化过程，导致粘度更迅速增大。课件第四章模压成型流动性＝f（γ，T，t······）（热固性树脂）γ——剪切速率;T——温度;t——时间成型压力↑→剪切速率↑，流动性↑原因：压力增加时，可提高聚合物剪切变形和剪切速率，使大分子链局部取向，以及部分分子链断裂，分子量减小等因素导致流动性增加。（1）压力的影响4.2.3模压料的工艺性及影响因素压力时间温度一定流动速度课件第四章模压成型（2）温度的影响在较低温度范围内T↑→η↓→流动性↑温度继续升高→流动性↓原因：温度对流动性的影响有极值点4.2.3模压料的工艺性及影响因素温度升高时，分子链活动能力增加，体积膨胀，分子间作用力减小，流动性增加。温度继续升高，聚合物交联反应加快，占居主导地位，流动性下降。温度时间、压力一定流动速度课件第四章模压成型温度对热固性聚合物流动性的综合影响4.2.3模压料的工艺性及影响因素在Tk以前，温度对粘度的影响起主导作用，T↑→流动性↑，在Tk以后，聚合交联反应起主导作用，T↑→交联速度↑→流动性↓。A－总的流动曲线；B－粘度对流动性影响曲线；C－固化速度对流动性影响曲线模压工艺中物料充满模腔的适宜温度，应该在粘度最低点附近区域而又不引起迅速交联反应的温度。温度流动性TkBCA课件第四章模压成型原因：在固化前的一段时间内，粘度对温度敏感，随时间增加，聚合物内部温度提高，粘度下降，流动性提高。过此之后聚合交联反应进一步进行，并且占据了主要地位，分子量迅速增加，流动性下降。4.2.3模压料的工艺性及影响因素（3）加热时间的影响当温度、压力一定时，加热时间的影响十分显著。在开始一段时间内t↑→流动性↑→继续延长时间→流动性↓时间温度、压力一定流动速度课件第四章模压成型（4）高聚物分子结构的影响a、分子量愈大，粘度愈大粘度与分子量间的关系：4.30wMAη0——剪切速度较低时的表观粘度A——经验常数Mw——重均分子量4.2.3模压料的工艺性及影响因素高聚物分子质量大小分子链结构(支化度)分子质量分布分子量愈大，一般链段愈多，不同链段向四面八方热运动，相互抵消的机会愈多，分子链重心的相对移动愈难，即粘度愈大，流动性愈差。课件第四章模压成型(i)刚性高分子流动性差，由于刚性高分子的链段长，因此流动困难。(ii)分子量相同，支链愈多、愈短，粘度愈低，流动愈好。4.2.3模压料的工艺性及影响因素b、分子链结构课件第四章模压成型c.高聚物分子量分布的影响剪切速率小，分子量分布宽的比分子量分布窄的粘度高剪切速率大，分子量分布宽的比分子量分布窄的粘度小4.2.3模压料的工艺性及影响因素logγlogη12图4－5分子量分布不同对流动曲线的影响1－分子量分布宽；2－分子量分布窄48121620246543210加热时间（min）流动速度（g/s)213图4－6流动试验曲线1－纸浆填充脲醛；2－纸浆填充三聚腈胺甲醛3－木浆填充酚醛课件第四章模压成型（5）其他树脂含量高流动性大。过高影响产品质量，增加产品成本。挥发份含量高流动性大。含量过高，成型时树脂大量流失，且产品收缩率大，易生产翘曲变形。含量过低，流动性显著下降，成型困难。纤维长度短流动性大。但增强效果差。模具光洁流动性大。4.2.3模压料的工艺性及影响因素课件第四章模压成型应该指出：模压料熔体只要求有合适的流动性，并不是流动性愈