复合材料成型技术及应用 模压成型

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模压成型工艺及应用(I)授课人：刘东雷单位：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 目录模压成型工艺概论短纤维模压料的制备与成型工艺聚脂模塑料模压成型工艺吸附预成型模压成型工艺课后作业 模压成型工艺概论 定义：将一定量的模压料（粉状、粒状、纤维状等）放入金属对模中，在一定温度和压力下、固化成型。1模压成型加热加压的作用:使模压料塑化、流动、充满空腔，并使树脂发生固化反应。 图4-1模压成型工艺 模压工艺树脂充模与固化反应阶段的工艺特性粘流阶段：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。 模压成型模具与设备模具 模压机 模压机 模压机 模压成型产品实例 2特点优点：产品复原性好：流动充模、模具型腔细微结构易于成型，可成形异形复杂结构，尺寸精确、表面光洁度高；产品稳定性好：可重复生产，工艺可控性好，机械化程度高，适宜于大批量生产；成型工艺可控性好：对温度和压力要求不高，成型工艺窗口范围大，大幅降低设备和模具费用；质量均匀性好：纤维长度为40－50mm，适宜生产大型薄壁制品；工作环境：清洁、卫生。 缺点：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。 （1）纤维料模压树脂预混或预浸纤维模压料，然后模压成型制品。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（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。3分类按增强材料物态和模压料品种分类 （5）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。（3）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。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）缠绕模压 （6）BMC/DMC模压将BMC(BulkMoldingCompounds，块状聚酯模塑料）或DMC(DoughMoldingCompounds，聚酯团料)模压料，放入模具中模压成型复合材料制品。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。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，得到BMC/DMC模塑料。 （7）SMC模压不饱和聚酯树脂、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。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。 （8）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（9）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。 短纤维模压料的制备与成型工艺 1短纤维模压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60%以上(质量比)树脂基体材料酚醛树脂、环氧树脂、酚醛－环氧树脂辅助材料改善模压料的工艺性，满足制品的特殊性能要求。我国模压玻璃钢复合材料制品发展的重要方向：高强度、耐高温、耐化学腐蚀、介电性。 1.1树脂基体材料满足模压制品特定的性能要求在室温常压下处于固体或半固体状态流动性良好，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(粘度易调、与各种溶剂互溶性好、易脱模等)树脂基体材料选择的要求 酚醛树脂性能特点：便宜、生产工艺简单、易于加工；易于增加填料模压成型，也可浸渍织物层压成型，还可以发泡；制品尺寸稳定性好；耐热、耐燃、阻燃性、电绝缘性好、耐酸性好;耐电弧性和耐碱性较差。基本性能：固化温度高，固化后树脂的力学性能、耐化学腐蚀性可与不饱和聚酯树脂相当，但差于环氧树脂；脆性大、收缩率高，差于聚酯树脂和环氧树脂。发烟性能：不易燃、低发烟率、少或无毒气体放出，远优于环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂等；耐热性能好，在300℃下1-2h内仍可保留70%左右的强度值。 改性酚醛树脂氨酚醛树脂镁酚醛树脂聚酰胺改性酚醛树脂硼酚醛树脂新酚醛树脂有机硅改性酚醛树脂改性目的：提高其耐热性、耐冲击性（韧性）工业要求：(1)车辆、航空航天、国防科技领域的高要求，须要开发一些高性能酚醛树脂基摩擦材料、隔热、耐腐蚀材料；(2)一些工业部门也对酚醛树脂涂料、黏结剂等提出了更为苛刻的耐高温、高强度、强黏合力的性能要求。 环氧树脂力学性能高：力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯树脂等。固化收缩率小：是热固性树脂收缩率最小的品种之一（1%－2%），产品尺寸稳定、内应力小、不易开裂。工艺性好：固化时不产生低分子挥发物、配方设计。电性能好：介电性最好的热固性树脂之一。稳定性好：不含碱、盐等杂质，化学稳定性好、耐酸、碱、盐等介质腐蚀，优于聚酯树脂、酚醛树脂等。耐热性好：一般为80－100℃，制品耐热可达200℃或更高。 1.2短纤增强材料开刀丝、无捻粗纱、加捻纱、高强纤维；适宜于性能要求不高的制品。玻璃纤维高硅氧纤维具有良好的耐腐蚀性、易切割性、浸润性好、强度高；应用广泛。石棉纤维提高制品的耐热性、耐酸性、耐腐蚀性，改善成型工艺，提高制品表观质量。碳纤维高强制品，和玻璃纤维复合使用，提高制品强度。 2短纤维模压料的制备工艺优点：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：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。 预混法：将玻璃纤维短切成15－50mm长度，与一定量的树脂混合均匀、撕松、烘干，制成模压料；特点：纤维松散、无定向。工艺：预浸法：将玻璃纤维束通过浸胶、烘干、短切，制成模压料；特点：纤维成束状、紧密。 预混法手工预混法机械预混法切割机捏合机撕松机纤维切割热处理树脂调配浸润固化烘干包装待用图4-2预混法工艺流程撕松捏合时间树脂黏度 纤维切割机 撕松机结构1-电机2-机体3-配重4-进料辊5、6-撕料辊7-罩体 撕松机 捏合机 捏合机Z型桨叶 预浸法手工预混法机械预混法纱架预浸机切割机玻璃纤维热处理树脂调配浸润固化切割包装待用图4-3预浸法工艺流程烘干树脂溶液密度烘干温度玻璃纤维束牵引速度 图4-4PVC树脂增强复合材料预浸法制备工艺流程 预浸机 CD-6012预浸机CD-6000预浸机 专用预浸机 浸胶槽 放卷纱架纱架 牵引机张力控制机构 切割机 预浸分切设备 CD-9103D预浸树脂膜机其他配套设备 预浸料制管设备 (1)预浸法纤维原始强度损失小，备料过程中，不像预混法那样受到啮合、蓬松、撕松等强力搅拌；(2)预浸料体积小，使用方便，纤维取向性好，便于定向铺设压制成型；(3)机械化程度高，劳动强度低，可连续生产。(4)效率比预混法稍低，仅适用于连续纤维制品（无捻粗纱）(5)纤维粗纱有要求：利于树脂对纤维束快速浸润、纤维束在成型时的互溶性要好、结带性要小。预浸法和预混法的优缺点比较 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。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 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）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。 课后作业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。 3短纤维模压成型工艺模具预热涂脱模剂模压料预热模压料预成型装模压制脱模后处理制品检验包装图4-4短纤维模压成型工艺流程 图4-5模压成型工艺过程示意图 3.1压制前的准备（1）装料量计算保证制品几何尺寸、防止料不足废品、避免浪费。(a)形状、尺寸估算 (b)密度比较法模塑料质量产品质量（2）涂脱模剂内、外脱模剂结合使用。内脱模剂：硬脂酸、油酸、石蜡等外脱模剂：硅酯、硅油等。 （3）预压加料快、准确简单降低塑料的压缩率，减少模具装料室，简化模具的结构。预压坯料空气含量少，缩短加热和固化时间，改善预热规程；便于成型较大或带有精细嵌件的制品。 （4）预热干燥预热去除水分和其他挥发物提高固化速度提高模压料流动性缩短成型周期增进固化均匀性提高机械性能。 最佳预热规程加热(1)物料熔融、粘度降低，流动性升高。(2)物料活性基团发生交联固化，流动性降低。干燥预热 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↓。最佳预热规程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 （5）表压值计算－制品要求的单位压力－压力机额度表压－制品最大投影面积－模压机吨位 3.2模压成型温度制度增加分子热运动和分子间化学反应的能力，促使树脂塑化和固化。（1）装模（模具）温度一定的装模温度，有利于物料流动，但此温度不应使物料发生明显的化学变化。模压料的挥发物含量高，不熔性树脂含量低时，装模温度应较低，反之装模温度应较高。 （2）升温速度对快速模压不存在升温速度问题，压制温度与装模温度相同。对慢速模压制品：升温速度0.5～2℃/min。尤其是对于较厚的制品，由于模压料的导热性能较差，升温过快时，会使固化不均匀，产生内应力。 （3）成型温度是根据树脂的放热曲线来确定的，看其在什么温度下基本完成固化，此温度即模压温度。测试方法：差热分析；差示扫描量热仪。成型温度与模压料有关，成型温度过高，树脂反应速率过快，物料流动性降低过快，易出现早期局部固化，无法充满型腔；成型温度过低，保温时间不足，易出现固化不完全缺陷。 （4）保温时间保证制品固化、消除内应力。保温时间取决于模压料种类（反应固化时间）、制品结构和性能（热量传递时间）等。（5）冷却慢速成型中保温结束后要在一定的压力下逐渐降温（自然降温、强制降温），模温将至60℃以下方可脱模。 一般制品脱模后在烘箱内进行后固化处理，目的是提高制品的固化反应程度。后固化温度不可过高，时间不可过长，以免制品热老化，使性能下降。（6）后固化处理酚醛模塑料制品后处理实验 3.3模压成型压力制度（1）成型压力克服模压料的内摩擦及物料与模腔间的外摩擦，使物料充满模腔；克服物料挥发物的抵抗力及压紧制品以保证精确的形状和尺寸。取决于：模压料的种类、质量指标；制品的结构形状尺寸。薄壁制品比厚壁制品的成型压力大复杂结构制品比简单结构制品的成型压力大模压料流动方向与模具移动方向相反比相同时的成型压力大 （2）合模速度模具闭合速度下行要快，利于操作、提高效率；与模压料接触合模速度要慢，利于排气、减少气泡、砂眼缺陷。 （3）加压时机合理选用加压时机是保证产品质量的关键之一，快速模压工艺不存在加压时机问题。对普通模压，加压过早，树脂反应程度低，分子量小，容易造成树脂与纤维离析；加压过晚，树脂反应程度过高，分子量急剧增大，粘度过大，流动性差，不易充满模腔。 凭经验，树脂开始拉丝时即为加压时机。根据温度指示，接近树脂凝胶温度时进行加压，凝胶温度可用DSC测定，即差示扫描量热仪确定。按树脂固化反应时气体释放量确立加压时机。加压时机的确定最佳加压时机应在树脂激烈反应(放出大量气体)之前。 （4）卸压排气将物料中残余挥发物、固化反应放出的低分子化合物、带入物料的空气排除的过程为排气。目的是保证制品品质、避免产生气泡、分层缺陷。（5）后处理热处理：保证制品完全固化，提高制品尺寸稳定性、电性能、消除内应力。冷模法：矫正产品变形、防止翘曲收缩等缺陷。修整、加工。 3.4短纤维模压制品常见缺陷及原因常见缺陷原因分析翘曲变形a.模压料挥发物含量过多；b.制品结构设计不合理，厚薄变化悬殊；c.脱模温度过高；d、升温过快；e.脱模不当。裂纹a.制品厚度不均，过渡曲率半径过小；b.脱模不当；c.模具设计不合理；d.新老料混用或配比不当。表面或内部起泡a.模压料挥发物含量过大；b.模具温度过高、过低；c.成型压力小；d.放气不足。树脂聚集a.模压料挥发分过大；b.加压过早；c.模压料“结团”或互溶性差；d.树脂含量过大。 常见缺陷原因分析局部缺料a.模压料流动性差；b.加压过迟；c.加料不足。局部纤维裸露a.模压料流动性差；b.加压过早，数树脂大量流失；c.装料不均，局部压力过大；d.纤维“结团”。表面凹凸不平、光洁度差a.模压料挥发物含量过大；b.脱模剂过多；c.模压料互溶性差；d.装料量不足。脱模困难a.模具设计不合理：配合过紧，无斜度等；b.顶出杆配置不好，受力不均；c.加料过多，压力过大；d.粘模。粘模a.脱模剂处理不当；b.局部无脱模剂；c.压制温度低，固化不完全；d.模具型腔表面粗糙；e.模压料挥发物含量过高。 课后作业1.简述短纤模压料模压成型的工艺流程。2.模压成型中的预压有什么优点？3.模压成型中预热的目的有哪几种？ 谢谢