聚合物基复合材料--聚合物基复合材料成型用半成品的加工

LOGO1第五章聚合物基复合材料成型用半成品的制备2复合材料的界面效应有哪些？复合材料界面的形成有几个阶段？提高界面结合强度的途径有哪些？简述水对复合材料的破坏机理。什么是偶联剂？简述用于玻纤的偶联剂类型及作用机理。3复合材料制备的影响因素：①原材料②工具及模具：模具要考虑膨胀系数、使用温度等因素，③热；温度④压力。各种材料都有其独特的物性、机械和加工特性，因此每种材料都必须使用合适的制造技术，把材料转变成最终的形状。4复合材料的制备工艺：一步法：由纤维、树脂等原材料直接混合浸渍，一步固化成型形成复合材料；工艺、设备简单；挥发物不易除去，影响制品性能；树脂分布不均；效率低，环境恶劣。二步法：预先对纤维、树脂进行混合浸渍加工，使之形成半成品，再由半成品成型出复合材料制品。将浸渍过程提前，树脂均匀分布；将挥发物去除，减少空隙率；改善作业环境。热塑性塑料：粒料；热固性塑料：模塑料连续纤维增强复合材料：预浸料5树脂基复合材料成型工艺流程：预浸料等半成品的制备增强材料预成型复合材料的固化成型不同工艺方法这三个方面可能同时或分别进行6本章教学目的：了解热塑性塑料粒料的制备方法颗粒填充：混合混炼(粒料造粒法)纤维增强：长纤维管道反应法聚合物出料口包覆法电缆包覆法短纤维短切原丝单螺杆挤出法双螺杆排气式挤出法单螺杆排气式挤出机回挤造粒法7了解热固性塑料模塑料的制造方法模塑粉的制作方法干法湿法辊压法挤压法乳液辊压法乳液法短纤维增强热固性模塑料挤出法预浸法预混法8片状模塑料SMC的制造玻璃纤维纱玻璃纤维毡辊式带式掌握连续纤维预浸料的制造方法连续纤维预浸料溶液浸渍法热熔胶浸渍和胶膜碾压法粉末工艺法9了解增强热塑性塑料片材的制造本章重点难点：连续纤维预浸料的制造方法105.1热塑性塑料粒料的制造方法5.1.1颗粒填充热塑性塑料粒料的制造方法粉料造粒法：原料准备初混合塑炼造粒粒料1.原料的准备过滤、吸磁、干燥、研磨（三辊研磨机、球磨机等）、预热、称量11三辊研磨机行星式球磨机12在聚合物熔点以下的温度和较为缓和的剪切应力下进行的一种初步混合。设备：捏合机、高速混合机捏合机：由一个鞍形底混合室和一对Z形搅拌器组成。高速混合机：由一个圆形混合室和一个设在混合室底部的快速旋转的叶轮组成，并设有加热和冷却装置。叶轮转速：80~860r/min加料顺序：树脂、部分增塑剂、混合物（由稳定剂、润滑剂、着色剂和另一部分增塑剂调制）、固体填料混合终点：经验判断、时间2.初混合13Z型捏合机采用“Z”型双桨搅拌,能使物料迅速反应,均匀混合。分普通型、压力型、真空型三大类，有电和蒸汽两种加热方式和水冷却可供选择。14转子的形式15高速混合机高速混合机依靠混合器的叶轮旋转将物料翻动和旋转，对翻动的物料切向高速搅拌，在较短时间将物料混合均匀，实现打碎和混合。16叶轮的形式173.塑炼在高于树脂熔点的温度和较大的剪切应力下，物料达到适当的柔软度和可塑性，使各组分分散的更均匀，同时还可以除去其中的挥发物，以有利于输送和成型，保证制品的质量。塑炼温度、时间和剪切力设备：双辊筒炼胶机（开放式炼塑机）、密炼机、单螺杆挤出机等塑料试样的均匀性、分散程度、表面观察、撕裂强度来决定塑炼的终点。18辊筒的转速速比辊筒间的间距转速：前辊后辊温度：前辊后辊194.造粒炼塑机上的料片输送到切粒机上分次进行纵切和横切即可得到粒料。挤出机塑炼，在机头装一旋转刀片切粒，或先将物料挤出成条状物，在经切粒机造粒。20热塑性塑料粒料制备中所用的设备：原料准备：初混合：塑炼：研磨的设备：三辊研磨机、球磨机捏合机、高速混合机开炼机、密炼机和单螺杆挤出机215.1.2纤维增强热塑性塑料粒料的制造方法制造增强粒料的要求：玻璃纤维能均匀地分散于树脂中；玻璃纤维与树脂应尽可能包覆或黏结牢固；制造过程中应尽可能减少对玻璃纤维的机械损伤，尽可能减少对树脂分子的降解。221.长纤维增强热塑性塑料的制造方法电缆包覆式生产工艺：a）玻璃纤维组成一大束包于粒子中，常包覆不紧、切粒时易拉毛、飞扬、注射成型时不利于玻璃纤维在树脂中分散；b）虽然玻璃纤维分散了，但过于靠近粒子边缘，树脂包覆力不够，因而在切粒时也容易拉毛、飞扬；c）分散的好，且由于外围树脂较厚，粒子包覆结实，粒料断面平整，玻璃纤维不易被拉毛及飞扬。23长纤维粒料由于树脂包覆差，纤维分布不均匀，粒料硬度不高，仅适合于螺杆式注射机成型。在成型时依靠螺杆的混合作用，使纤维均匀地分散于树脂中。注意：长纤维增强粒料并没有真正体现出增强塑料的性能！！！玻纤粗纱通过十字形挤出机头，被熔融树脂包覆，经冷却、牵引、切粒(10-25mm)而成。24长纤维增强粒料制造方法：252.短纤维增强热塑性塑料粒料的制造方法为解决高熔融黏度树脂（如聚烯烃类、聚苯乙烯类、聚氯醚类等）的长纤维型粒料因纤维在树脂中分散不好易引起制品性能和外观不理想而产生，所以也称为分散型增强粒料。短切纤维：25~50mm玻璃纤维长度：0.25~0.5mm最理想的制造方法：采用双螺杆排气式挤出机混合法26采用双螺杆挤出机对热塑性塑料进行增强比单螺杆挤出机能更为有效地挤出并复合疏松的物料。单螺杆挤出机——机头压力双螺杆挤出机——螺杆作用目前国内工业上普遍采用的仍然是φ45单螺杆排气式挤出机，将长纤维增强粒料回挤的工艺路线。27排气式螺杆的几何参数：排气式螺杆：两根不同长度的单螺杆同轴串联而成。没有塑化，预热、受压挤实螺槽体积由大变小温度-塑化温度塑化温度；准确、定量螺槽变深压力降低排气28短纤维增强粒料制造法：29热塑性塑料粒料的制备方法:颗粒填充：混合混炼(粒料造粒法)纤维增强长纤维管道反应法聚合物出料口包覆法电缆包覆法短纤维短切原丝单螺杆挤出法双螺杆排气式挤出法单螺杆排气式挤出机回挤造粒法原料准备-初混合-塑炼-造粒-粒料玻纤粗纱-机头-包覆-冷却-牵引-切粒高熔融黏度树脂柱塞式挤出机螺杆式挤出机螺杆式挤出机305.2热固性模塑料的制造5.2.1模塑粉的制造方法微粒添加剂和合成树脂（含或不含固化剂）复合而成的粉状热固性塑料称为模塑粉。分为两类：压塑粉：模压成型注塑粉：注射成型所用树脂：酚醛树脂（电木粉）、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、环氧树脂等模塑粉的制造过程目的：使各组分混合均匀，使树脂充分浸渍各组分，物料具有适宜的流动性及挥发物含量等；通常的制造方法有干法和湿法两类。311.干法——固体树脂辊压法粉尘大，但能耗低和成本低。1）原料准备树脂-粉碎和过筛：至少有30%以上通过60目（0.250mm）筛易吸潮组分-干燥处理，如木粉、石灰、六次甲基四胺等干法又可分为辊压法和挤压法。我国多采用辊压法。32混合设备：球磨机、Z型捏合机；加料顺序：先将填料以外的其他组分混合后，再加入填料；这是由于模塑粉中填料用量较大，特别是使用木粉时，其比体积很大。各组分一同加入会影响混合效率及均匀性。2）干混合33辊压加工的原因：混合好后的物料有一定的均匀性，但是由于各组分的相对密度不同，受振动时均匀度易被破坏。物料中的树脂未能充分浸渍填料等添加剂，流动性高。制品性能决定因素：温度和时间3）热辊压（关键工序）34热辊压机：辊压机：两个空心钢辊筒构成其间可通蒸汽加热，或冷水冷却，也有用电加热的，直径：400~600mm，长度：1000~1200mm。工作时，两辊筒：不同转速，如18r/min和13~24r/min相对旋转，转速比为1.3左右；不同温度：低温辊筒温度树脂滴落温度高温辊筒温度低温辊筒温度30~50℃如线型酚醛树脂模塑料分别为：70~110℃和90~130℃；间隙可调：3~7mm3536辊压时：物料在辊筒上受热熔融。通过辊筒间隙时受到挤压、剪切、捏合等作用，使各组分混合和浸渍的更好。逆式辊压法：低温快速辊筒：物料黏附其上，工作辊筒高温慢速辊筒：空转辊筒顺式辊压法：正好相反，物料不包辊，随辊随落线型酚醛树脂模塑粉：甲阶酚醛树脂模塑粉：逆式辊压法顺式辊压法37辊压目的：树脂更好的浸渍填料等添加剂；各组分充分混合均匀；进行一定的缩聚反应，缩短成型周期，提高生产效率；除去部分挥发物，改善压制工艺及产品质量；使模塑粉密实，减小比体积。38控制辊压质量的指标：流动性，挥发物含量和外观质量394）粉碎、并批和包装辊压好的料片从辊压机上卸下后，应迅速冷却，终止缩聚反应，然后即可粉碎，过筛。并批混合：将几批生产的模塑粉在同一混合机中进行并批混合。40辊压法：树脂细度控制，组分干燥捏合机，球磨机，注意加料方式热辊压机：逆势辊压法；顺式辊压法。温度和时间立刻冷却并批混合412.湿法乳液法生产：液体树脂、树脂溶液或树脂乳液以脲醛树脂(电玉粉)为例：脲和甲醛的低相对分子质量缩合溶液固化催化剂（草酸）润滑剂（硬脂酸锌）、增白剂、着色剂双桨叶Z形捏合机捏合温度：55~60℃填料（纸浆）：α-纤维素干燥搅拌混合干燥温度：85~90℃物料（水分含量2~3%）脱除水分和挥发物，缩聚粉碎、过筛和并批42乳液辊压法：混合——辊压——冷却——干燥——并批——成品关键工序：辊压工序代替了乳液法中的干燥工序缺点：生产效率低、劳动强度大，挥发物污染环境。435.2.2短纤维增强热固性模塑料的制造方法短纤维模塑料：由短纤维与树脂及其他添加剂树脂：酚醛、氨基、不饱和聚酯、有机硅、环氧纤维：玻纤、碳纤维、芳纶纤维、棉纤、石棉纤维制造方法：预混法；预浸法；挤出法441.预混法制造短纤维模塑料特点：纤维松散而不定向，流动性较好，可做形状复杂的小型模压制品；纤维强度损失较大，模塑料质量均匀性较差，比体积大。配胶浸渍与混合撕松烘干并批Z形捏合机纤维预处理短切、蓬松、除蜡添加剂撕松机除挥发物，树脂预聚先将玻璃纤维切割成30～50mm的短切纤维，经蓬松后在捏合机中与树脂胶液充分捏合至树脂完全浸润玻璃纤维，再经烘干（晾干）至适当粘度即可。452.预浸法制造短纤维模塑料将连续纤维束整束通过胶槽、浸渍，再经过刮胶辊后，在烘箱中烘干，切割成所需长度单向纤维模塑料的工艺方法。特点：模塑料成束状，比较紧密；纤维损失较少，质量均匀，比体积小；流动性及料束之间的相容性稍差；可按制品受力情况进行定向铺设压制产品。纱线浸渍切割烘干存放粗纱准备热处理树脂配制手工预浸法和机械预浸法46浸毡法：先将短切玻璃纤维均匀地铺洒在玻璃底布上，再用玻璃面布覆盖，然后使夹层浸胶、烘干，即成制品。蓬松切割烘干即得粗纱准备树脂配制撒毡复合浸胶473.预混法和预浸法模塑料的质量控制树脂含量、挥发物含量和不溶性树脂含量481）模塑料制备过程中主要控制的几个因素①树脂溶液的黏度低粘度（粘度过低）用密度作为黏度的控制指标。②纤维的短切长度过长：易引起纤维间的相互缠结，而产生结团料。机械预混法：不超过20~40mm手工预混法：不超过30~50mm。49③浸渍时间在确保纤维均匀浸透的情况下，浸渍时间应尽可能缩短。预混法中：捏合过程；捏合之间过长：纤维强度损失较大；溶剂过多的挥发④模塑料的烘干条件烘干温度和烘干时间。⑤其他协调树脂溶液的密度、刮胶辊的位置、烘箱温度、牵引速率及纤维张力等因素502）模塑料的存放①模塑料存放条件塑料袋封装，避免光、热、潮湿和防止其他外来杂质的污染。②模塑料的启用期通常模塑料在制备后并不立即使用，一般在存放3~7d后开始启用效果较好：挥发物含量有所降低，质量均匀性和稳定性有所提高，对某些模塑料有一定的合理熟化作用；③存放期514.挤出法制造短纤维模塑料优点：克服浸渍法使用大量有机溶剂的的缺点，改善劳动卫生条件，降低成本；缺点：玻璃纤维在螺杆挤出机中被磨损、剪断的情况比较严重，从而降低塑料的强度。525.2.3片状模塑料SMC（sheetmoldingcompound）的制造方法多组分的不饱和聚酯树脂糊充分浸渍短切玻璃纤维（或毡）并在上下面覆盖PE薄膜而获得的片状夹芯形式的模塑料。树脂糊（70%）：不饱和聚酯树脂、交联剂、引发剂、化学增稠剂、低收缩添加剂、粉状填料、颜料、脱模剂等。增强材料（3