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1、,第四章 模压成型工艺,适合于生产量大、尺寸要求精确的制品。的模具由阴、阳模两部分组成，增强材料一般为短切纤维毡、连续纤维毡和织物。,1.定义 将复合材料片材或模塑料放入金属对模中，在温度和压力作用下，材料充满模腔，固化成型，脱模制得产品的方法。工艺过程：加热和加压（高压）物料角度：塑化，流动，固化三阶段。模具要求：高强度，高精度，耐高温。,4-1 综 述,树脂在成型过程中的两个特定阶段：(1)粘流阶段：树脂受热熔化，在压力作用下粘裹纤维一起流动至填满模腔的过程。即物料塑化、流动阶段。(2)硬固阶段：树脂发生交联，硬固的过程。即物料固化阶段。工艺分类：是根据增强材料物态和模压料品种（模压方式）
2、分类。,按模压材料物态分类：,纤维料模压：预混、预浸纤维料加热、加压成型。（单向、线性）织物模压：两向、三向、多向织物浸渍树脂后，加热、加压成型。（平面）优点：剪切强度明显提高，质量稳定。缺点：成本高碎布料模压：预浸碎布料加热、加压成型。（多块，小平面）,SMC模压：SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求剪裁下料，多层片材叠合加压而成型。（大面积，多层平面）预成型坯模压：短切纤维制成与制品形状和尺寸相似的预成型坯，放入模中，倒入树脂混合物，压力成型。（大型、深型、高强、异型、体形、均厚度制品）,按模压成型方式分类：,层压：预浸胶布或毡剪成所需形状，层叠后放入金属模内，压制成型。缠绕：预浸的玻纤
3、或布带，缠绕在一定模型上，加热、加压。（管材）定向铺设：单向预浸料（纤维或无维布）沿制品主应力方向铺设，然后模压成型。,2.特点,产品尺寸准确，表面光洁，产品不需二次加工；生产效率较高，易于实现机械化、自动化；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。,3.工艺过程,1）模压料估算,r：制品密度V：体积a:物料损失系数(3%5%),辅助真空模压,模内涂覆树脂,2）工艺参数,A.温度,装模模具温度：挥发溶剂，模压料不发生明显化学变化;取决于模压料品种，制品结构和生产效率（一般为室温90）升温速率：10/h 30/h,最高模压温度,树脂固化温度（温度过低，固化
4、不完全;温度过高，局部固化，中间固化不良）,保温时间,固化反应时间，模压料传热时间,B.压力,作 用：克服模压料之间、模压料与模腔间的摩擦，使物料充满模腔；压实模压料，保证制品形状和尺寸加压时机：树脂激烈反应放出大量气体之前a.凭经验（树脂能够拉丝时）;b.树脂凝胶温度;c.气体释放量放气充模（加压、卸压、反复几次）,3）预热和预成型,预热作用：改善工艺性能，提高模压料温度，缩短固化 时间，降低成型压力；预热方法：加热板、红外线、电烘箱、高频、远红外 60100，30min预成型（室温下预先压制）：缩短生产周期，提高生产 效率及制品性能,4）模内涂覆树脂,作用:覆盖模压件的表面缺陷，例如表面波
5、纹、孔隙、表面挂痕等。方法:在模压过程内，将模具打开一道缝(0.20.5mm),注入一些树脂覆盖整个制件表面，然后再闭模、固化；当模压料最大固化收缩时，高压补注一些树脂。,4）真空辅助模压,在模具闭模后，利用真空系统排除模压料中的空气及固化生成的小分子物质，能够减少产品表面孔隙，提高产品强度。,4.制品缺陷及产生原因,1)空隙,原因:模压料中的气泡模压料在装模过程中混入空气在闭模过程中混入空气,方法:真空辅助模压、放气充模、预热预成型,2)鼓泡（开模后,制品表层中空气受热膨胀）,原因:制品表层中空气过多；模压料固化不完全。,方法:真空辅助模压；固化充分后，开模。,3)分层,原因:模压料固化不完
6、全模压料中气泡过多,方法：真空辅助模压；固化均匀、完全,4)收缩痕,原因:模压料在筋条或凸台附近形成树脂富集区，树脂固化收缩时，在制品表面产生轻微凹陷。,方法:模压料添加填料或低收缩剂；在筋条或凸台附近铺设短纤维模压料；优化模具设计,5)流缝线,原因：两个或两个以上的不同流动前缘汇集形成单一流动前缘时，形成流缝线（纤维倾向于平行于流缝线取向，在垂直于流缝线方向，制品的强度减弱）。,方法：制品中尽量不预设孔，制品固化后在低应力区钻孔。,6)翘曲,原因:制品厚度不均匀或制品形状复杂引起不均匀收缩。,方法:制品尽可能等厚度设计；优化模具设计，降低模压料流动阻力，使模压料固化均匀。,4-2.模压料,树
7、脂、增强材料、辅助剂构成模压料的三大块。4-2-1.原 料 1、树脂：酚醛型（镁、氨酚醛，改性聚乙烯醇缩丁醛），环氧型（634，648，F-46），环氧酚醛型（也可列为酚醛型），聚酯型。,2、增强材料：纤维型（玻纤，碳纤，尼龙纤），（形状有纤维状，短切毡，布或绳）3、辅助材料：稀释剂，玻纤表面处理剂，填料，脱模剂及颜料等。目的：使模压料具有良好的工艺性和制品的特殊要求。,(1)稀释剂：丙酮、乙醇（非活性）用途：降低树脂粘度，改进树脂浸渍性能，有活性与非活性之分。(2)表面处理剂：改进树脂与增强材料的粘结及树脂纤维界面状态。种类：对环氧及酚醛模压料，常用的玻纤表面处理剂有KH-550，用量为纯树
8、脂重量的1%，不宜过多或过少。(3)粉状填料：提高模压料的流动性，降低制品收缩率，提高制品表面的光泽度、质量和均匀性及赋予制品以某种特殊性能。MoS2可提高制品的耐磨性。,4-2-2.模压料的制备,分为预混法和预浸法两种。1、短切纤维模压料制备(1)预混法（手混和机混）工艺流程：玻璃纤维热处理切割混合撕松烘干模压料,机混法步骤：a 180处理4060min（350处理1015min），除去玻纤表面石蜡浸润剂，残油量0.3%。b、切割成3050mm长度，疏松。c、按树脂配方配成胶液，用工业酒精调配胶液密度在1.0g/cm3d、按纤维：树脂=55：45（质量比）在捏合机内充分混合e、捏合的预混料，
9、逐渐加入撕松机撕松。,f、撕松的预混料在网格屏上晾置。g、80烘房中烘2030min，进一步除去水分和挥发物。h、装入塑料袋中备用。(2)预浸法 a、纤维从导架导出，经集束环经入胶槽浸渍。b、浸渍后，过割胶辊进入第一、二级烘箱烘干。第一级温度110120，第二级温度150160。c、牵引辊牵出、切割。,三个主要工艺参数：树脂溶液比重，环氧酚醛(6：4)，d=1.001.025烘箱温度牵引速度2、模压料质量控制 模压料呈散乱状态，纤维无一定方向，模压时流动性好，适合制造形状复杂的小型制品。因此，控制好质量，对模压特性及制品性能有很大影响。(1)三项质量控制指标树脂含量，挥发物含量及不溶性树脂含量
10、。,几种典型模压料质量指标,(2)指标控制方法 取模压料11.5g，称重G1（精确至0.001g），放入1052的烘箱内烘30min，取出后在干燥器内冷却至室温，称重G2。挥发物含量：V%=(G1-G2)/G1100%取模压料11.5g，称重G1（精确至0.001g），将其浸入丙酮溶液中浸泡15min，取出放入1052的烘箱内烘30min，在干燥器内冷却至室温，称重G3。称重后将料放入550600炉中灼烧1020min，将树脂全部烧尽，取出后在干燥器内冷却至室温，再称重G4。,树脂含量：R=G1(1-V)-G4/G1(1-V)100%不溶性树脂含量：C=(G3-G4)/G1(1-V)-G4 1
11、00%测量时要三份平行实验，如模压料中含有无机填料，上述公式需加以修正。(3)影响模压料质量的几个主要因素 a、树脂溶液粘度 降低粘度：有利于树脂对纤维的浸透和减少纤维强度损失。过低：导致纤维离析，影响树脂对纤维的粘附。用加入溶剂调整密度来实现，用密度控制粘度。酚醛预混料树脂胶液粘度控制在1.001.025g/cm3。,b、纤维长度过长易结团，机混法：长度2040mm，手混法：长度3050mm。c、烘干条件一般快速固化酚醛型预混料（镁酚醛）烘干温度为80，烘干2030min。慢速固化酚醛型预混料（氨酚醛）烘干温度为80烘干5070min。环氧酚醛型预混料的烘干温度为80，烘干2040 min。
12、d、浸渍时间在确保纤维均匀浸透情况下，应尽可能缩短时间。,3、模压料的工艺性及其影响因素,工艺性主要为模压料的流动性、收缩率和压缩性。(1)流动性流动性好：成型温度与压力较低，复杂制品。流动性差：成型温度与压力提高，不易复杂制品。热固性聚合物熔体粘度：=f(,T,)：剪切速率，T：温度，：固化度。流动度：=1/A e-atA,a：常数，t：加热时间。,外部影响因素：流动度与时间、温度、压力的相互关系。,Arrhenius方程：=A e H/RT解决方法：模压温度Tk，塑化，交联的交界温度。,内部影响因素：,a、高聚物分子量，链结构，分子量分布相同温度下：分子量大、链段多，分子链重心难移粘度大。
13、0=AMw3.40：剪切速率较低时的表观粘度A：经验常数Mw：重均分子量解决方法：低分子量溶剂或增塑剂降低粘度。,分子量分布对粘度影响：剪切速率小，分布宽高于分布窄。剪切速率大，分布宽低于分布窄。温度敏感性：分布宽，温敏低；分布窄，温敏高。,图4-5：分子质量分布不同对流动曲线的影响1分子质量分布宽2分子质量分布窄,图4-6：流动试验曲线1纸浆填充脲醛2纸浆填充三聚氰胺甲醛3木粉填充酚醛,b、模压料质量指标与组分挥发份对流动性影响：挥发份增加，流动性增加挥发份过高，成型时树脂大量流失挥发份过低，流动性下降，成型难,c、增强材料形态、含量线性好于平面性，短比长好，短长混用。d、合理的压制制度，模
14、具的结构、形状及光洁度都会有影响流动性过大的，合模时产生溢料，局部聚胶、贫胶和纤维分布不均。,(2)模压料的收缩性,定义：脱模后尺寸会减小是模压料的固有特性。Q：收缩率A、实际收缩率：模具空腔或制品在压制温度下的尺寸与制品在室温下的尺寸之间的差值。Q实=(a-b)/b100%a：模具空腔或制品在压制温度下的尺寸mmb：制品在室温下的尺寸mm,B、计算收缩率：在室温下模具空腔尺寸与制品尺寸之间的差值。Q计=(c-b)/b100%c：模具空腔在室温下的尺寸mm，设计模具时的重要数据。C、收缩的主要原因：热收缩和结构（化学）收缩。热收缩：模压制品的线膨胀系数比模具材料大（塑料线膨胀系数2512010
15、-6-1，钢材线膨胀系数1110-6-1）因此制品脱模冷却后收缩率大于模具收缩率。制品小，模具大（与墙地砖热压后膨胀正好相反）见表4-3,结构收缩：固化过程中缩聚反应产生交联。一般高强度短纤维模压制品收缩率在00.3%。D、影响收缩的因素原材料的影响树脂与添加物的种类与含量模具结构和制品形状的影响不溢式与溢式模具，模具刚度，薄壁制品成型工艺条件温度制度，压力制度,(3)模压料的压缩性压缩比：模压料和模压制品二者比容的比值。压缩比=模压料（或坯体）的比容/制品比容1SMC，BMC压缩比较小。纤维状模压料压缩比达610（蓬松）处理方法：预成型纤维,5-3、SMC成型工艺,5-3-1、SMC的特点与
16、种类 1、SMC的特点 SMC片状模塑料（Sheeting Molding Compound）1953年，美国Rubber发明不饱和聚酯的化学增稠。1960年，德国Bayer公司实现SMC工业化生产。定义：SMC是不饱和聚酯树脂及辅助剂、填料所成树脂糊浸渍短玻纤粗纱或玻毡，并在两边用聚乙烯或聚丙烯包覆后形成的片状模压成型材料。,特点：(1)干法生产FRP制品一种中间材料，它具有独特的增稠作用，即浸渍玻纤时体系粘度低，浸渍后粘度急剧上升，达到稳定。(2)重现性好。(3)操作处理方便，增稠剂化学增稠，使SMC处于不粘手状态，避免一般预成型的粘滞性。(4)作业环境清洁。,(5)SMC能使玻纤同树脂一
17、起流动，可成型带有肋条和凸部的制品。(6)可压截面变化不大的大型薄壁制品。(7)制品表面光洁度高。(8)生产率高，成型周期短，成本低，易机械化、自动化。,2、SMC的种类(1)BMC块状模塑料（Bulk Molding Compound）相近：与SMC组成近似。用途：压制和挤出成型。区别：BMC中纤维含量低，纤维短，填料含量大，强度低，小型制品。(2)TMC厚片状模塑料相近：组成与制作与SMC类似。区别：比SMC厚的多(0.63cm：5.08cm)，浸透性更好，成本更低。,(3)结构SMC纤维形态和分布不同的SMCSMCR纤维不规则分布SMCC连续纤维单向分布SMCD不连续纤维定向分布SMCC
18、/R，SMCD/R区别：纤维含量高（Wt达3070%，多为50%以上），树脂为高反应性间苯二甲酸聚酯树脂，强度大大提高。,(4)高强SMC，即HMC和XMCHMC少填料，多短纤，少树脂的片状模塑料。XMC少填料，多连续定向玻纤，少树脂的片状模塑料。代替钢材，铝材。(5)LSSMC(Lom ShrinkageSMC)低收缩SMC尺寸精度高，表面光洁度高。(6)ITPSMC(Interpenetrating Thicking ProcessSMC)渗透增稠片状模塑料室温熟化，高刚性，耐冲击，尺寸稳定。(7)高弹SMC，耐热SMC，耐燃SMC,4-3-2、SMC的组分及性能,1、不饱和聚酯树脂及其助
19、剂(1)不饱和聚酯树脂的工艺要求a、低粘度，便于浸渍b、易同增稠剂反应c、固化迅速e、热强度高牌号，不同的用途决定。,(2)交联剂机理：与聚酯发生共聚反应，使聚酯大分子通过交联单体自聚的“链桥”而交联固化改善树脂固化后的性能。工艺上使树脂糊初始粘度降低。种类：苯乙烯，甲基丙烯酸甲酯，乙烯基甲苯，邻苯二甲酸二丙烯酯。253厂的促进剂E。,(3)引发剂贮存，操作安全，室温不分解，制得SMC贮存期长。如引发剂H（白色糊状），25凝胶时间，1220min。引发剂L（无色透明液体），25凝胶时间，1222min。实例：促进剂与引发剂配方使用。,(4)阻聚剂阻止不饱和聚酯在室温下的交联聚合，必须在引发剂和
20、所用树脂的临界温度内不失效，但又不极大影响固化、成型周期。PBO、HQ、CLPBO、TBC(5)增稠剂贮存和成型SMC时要求坯体粘度较高，目的是满足模压要求和使制品的收缩率降至最低。,工艺要求：SMC粘度由很低迅速增高，达熟化粘度并长期稳定。控制SMC生产到模压制品全过程各阶段的粘度变化。,a、增稠剂选择原则：制备SMC时，粘度低树脂对玻纤、填料的充分浸渍此后粘度迅速升高贮运、模压增稠坯料迅速充满模腔树脂、纤维不离析增稠后粘度，贮存期内保证模压生产中稳定的重现性,b、增稠剂的品种及使用：A族金属氧化物或氢氧化物混合增稠剂效果更理想过量MgO加入引起制品自我潮解，耐水性下降c、影响增稠效果的因素
21、：聚酯树脂酸值酸度越高，粘度变化越大，详见图4-10 253厂树脂从1632变化，实际以mg KOH/g表示酸值,增稠剂活性碘吸附值表示活性微量水分0.10.8%微量水迅速增稠（初期）1.0%则不如不加水的快（初期）因此必须对填料、增稠剂、低收缩添加剂与玻纤使用前测定含水量温度的影响温度升高，增稠加快，详见图4-12,d、增稠机理第一阶段：酸碱反应，生成碱式盐。,第二阶段：以配位键形成络合物,(6)低收缩添加剂克服聚酯树脂固化时将发生的710%体积收缩，并使表面光滑，无裂缝，收缩量低。a、机理：聚酯树脂发生热膨胀，交联中产生固化收缩，在固化收缩时，低收缩剂热膨胀力就阻止收缩。稍迟于树脂固化收缩
22、，而其收缩时，周围已固化。低收缩效果图详见书P.88图4-13b、选择PVC聚氯乙烯，PS聚苯乙烯，PE聚乙烯，PVAc聚醋酸乙烯酯，添加量5%左右。,(7)无机填料a、分类氧化硅及硅酸盐类：石棉，滑石粉，瓷土，氧化硅，硅藻土，火山灰等碳酸盐类：碳酸钙硫酸盐类：硫酸钡，硫酸钙氧化物类：氢氧化铝,b、性能选择细度：325目(44m)。大：分离、沉淀。小：吸油量高的填料加入量少。油吸附量：被亚麻仁油润湿的质量百分比，一般要求要求填料具有较低的油吸附量。触变性：物料受到外力作用（如剪切力、振荡）时，粘度显著下降，除去此力时，物料又逐渐恢复到原来粘度的一种物理现象。不宜选用灵敏度大的填料。,c、填料对
23、制品成本影响单位体积成本为：Rc=Km+K-(Km-Kc)XcKm,Kc：树脂糊、填料的单位体积成本。K：加填料的操作成本。Xc：填料的体积分数。不加填料的成本Rc=KmRc的意义：加填料的操作成本小于这部分填料替代树脂糊而降低的成本。,则K-(Km-Kc)0亏损。Km与Kc差值越大，K越小，无亏损点Xc0越小，经济效益高。Xc还与填料密度有关：Xc=1/1+c/m(1-yc)/ycc,m：填料、树脂的密度。yc：填料的质量分数。c/m越小：Xc越大。,(8)内脱模剂机理：是一些熔点比普通模制温度稍低的化合物，它与液态树脂相容，与固化后的树脂不相容，固化时从内部逸到模具界面形成障碍，从而脱模。
24、国内用硬脂酸锌，熔点133日本用硬脂酸亚铅欧、美用硬脂酸钙，熔点150，硬脂酸镁，熔点145。,(9)增强材料短切玻纤、毡，石棉纤维，麻，有机纤维。玻纤性能：易切割、分散，浸渍性好，抗静电，流动性好，强度高。,4-3-3、SMC生产工艺,1、生产过程详见图4-18，4-19(1)树脂糊制备批混法（国内），连续计量混合法（国外）。批混法：树脂和除增稠剂外的各组分计量后先混合，再通过计量和混合泵加入MgO增稠剂。,粘度控制指标：,连续计量混合法：将树脂与其他部分分为两部分单独制备，计量后进入静态混合器，均匀后再成型。(2)玻纤切割与沉降粗纱切割速度80130m/min防静电，玻纤分布均匀。(3)浸
25、渍、压实反复挤压捏合，达到充分混合和充分浸渍。,(4)收卷收卷装置的转速、转矩随卷径的变化规律：M=A1/n=Tv/2nr=B1/n=v/21/nT：收卷张力v：收卷线速度r：片料卷绕半径n：收卷转速M：转矩,(5)熟化与存放熟化使粘度达到模压粘度范围并稳定后才能交付使用。存放要防止苯乙烯挥发，非渗透性薄膜密封包装。2、配方满足制品性能要求，考虑可模压性。均匀性（制品性能），流动性（可模压性）关键：选择树脂与填料的搭配。吸收能力高的填料与吸收能力低的填料的合理搭配，解决均匀性和流动性的有效途径。,3、工艺参数(1)一般参数见书P.96(2)参数计算上糊量与纤维输送量切割机转速和纱团数刮板间隙所
26、有参数均应根据实际情况选择适当系数。,4-4、模压工艺,模压工艺流程见书P.97图4-26。,4-4-1、压制前准备,1、预热和预成型压制前对模压料预先加热处理称为预热。目的：改善模压料的工艺性能,预热方法：,t30min，将模压料在室温下预先压成与制品相似的形状称为预成型。可提高生产率。,2、装料量估算装料量=（模压料+V制品）103105%(1)简化计算法复杂制品简化成一系列几何形状进行估算。(2)密度比较法：其它材料比较模压=材/模压(1+)：密度：质量：35%,(3)铸型比较法：与密度比较法近似3、脱模剂选用内脱模剂，外脱模剂外脱模剂多用机油、油酸、硬脂酸用于酚醛型模压料。硅酯或有机硅
27、用于环氧及环氧酚醛型模压料。,4-4-2、模压工艺参数,温度制度、压力制度1、温度制度包括：装模温度，升温速度，最高模压温度和恒温、降温以及固化温度。(1)装模温度：镁酚醛150170，氨酚醛、酚醛环氧型8090，结构复杂及大型制品装模温度在室温90。(2)升温速度一般采用1030/h，氨酚醛小尺寸制品12/min。,(3)最高模压温度主要依树脂放热曲线来确定，如：氨酚醛80开始缩聚，140150最为激烈，180固化反应逐渐完成，应将模压温度定在180左右。工艺上温度的确定：升温速率趋于零的峰值温度，先选取稍大于树脂固化温度，再通过工艺性能试验最后制定合理的模压制度。,(4)保温时间指在成型压
28、力和模压温度下保温的时间。作用是使制品固化完全和消除内应力。取决于模压料固化反应时间，不稳定导热时间。影响因素：模压料品种，制品结构尺寸，加热装置的热效率及环境温度等。书中列举了几种典型模压料的保温时间。见表4-14,(5)后固化处理目的是提高制品固化反应程度，又称老化过程。温度过高或时间过长反而使制品性能下降。2、压力制度(1)成型压力取决于两个因素：填压料的种类及质量指标制品结构形状尺寸由工艺性能试验确定。成型压力是用单位压力表示的。,单位压力定义：制品在水平投影方向上单位面积所承受的力P单，选用压力时需知这几个参数。压机最大压力：T，KN(1KN=0.1吨力)表压：P表，MPa最大允许表
29、压：P最大，MPa制品水平投影面积：f制品，cm2压机柱塞截面积：F柱塞，cm2压机效率系数：k,P单f制品制品承受总压P表 P最大P最大/T最大允许表压与最大压力关系kP表F柱塞=P单f制品T=9.810-2 P最大F柱塞P表=P单f制品P最大9.8/T10-2,(2)加压时机合理选择加压时机是保证制品质量的关键之一。加压过早、过迟的缺陷。确定加压时机的三种方法：a、经验，树脂拉丝时b、温度指示，近凝胶温度（DSC测定）c、在大量气体放出之前(3)排气防起泡、分层等。图4-33表示了压制过程压机行程的变化过程。,4-4-3、典型模压工艺与制品,1、典型模压工艺快速、慢速两种，由模压料类型决定。书中列举的快、慢速成型工艺的实例。2、模压制品常见缺陷分析这是工艺学必须学会解决的问题。见书P.104105,
