第4章模压成型工艺ppt课件.ppt

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1、,第四章 模压成型,模压成型工艺(compression moulding)SMC/BMC,第四章 模压成型,1.发展及概述2.模压料3.SMC成型工艺4.模压工艺,第四章 模压成型,第四章 模压成型,1955年10月，老红军、时任重工业部副部长的赖际发同志赴前苏联考察，发现玻璃钢的优异性能，回国后向中央报告，组织力量开始研究。,第四章 模压成型,1958年2月，在北京东郊管庄玻璃陶瓷研究院成立玻璃钢研究组。同年5月，研究组在文和阳工程师指导下，压制成功我国第一块玻璃钢板。玻璃钢组后成为室，文革前夕与玻璃工业设计院新材料室及北京251厂合并而为北京玻璃钢研究所，也就是今天北玻院的前身。,第四章

2、 模压成型,模压成型工艺始于1909年,伴随实用酚醛树脂的出现,用木粉、石棉及石英粉为填料制备酚醛树脂基复合材料制品50年代，DMC（dough molding compounds）60年代，西德SMC、BMC兴起1967年我国开始研发BMC，1975年开始研发SMC。,第四章 模压成型,表1国外各种成型工艺的占有率和产量,我国模压法在复合材料的各种成型工艺中，仅占10%左右，预计几年后模压法所占比例可升至25%，FRP产量可达90100吨。模压法之所以能迅速发展，主要是由于SMC、BMC/DMC近年来发展较快。,第四章 模压成型,电机冲压模具,模压成型设备,汽车冲压模具,塑料椅模具,第四章

3、模压成型,第四章 模压成型,第四章 模压成型,第四章 模压成型,第四章 模压成型,VOLVO,第四章 模压成型,伊朗,第四章 模压成型,第四章 模压成型,A320,第四章 模压成型,第四章 模压成型,产品顶出过程,4.1 概述,第四章 模压成型,4、模压成型工艺(compression moulding),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。不仅树脂流动、增强材料也要随之流动,4.1 概述,第四章 模压成型,4.1 概述,4.1 概述,第四章 模压成型,模压工艺利用

4、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。,模压工艺中整个反应是不可逆的!,4.1 概述,第四章 模压成型,4.1 概述,4.1 概述,第四章 模压成型,优点,缺点,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

5、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。,4.1 概述,第四章 模压成型,模压产品的应用领域,成为复合材料的重要成型方法、所占比例仅次于手糊喷射和连续成型，居第三位。模压制品主要用作结构件、连接件、防护件和电器绝缘件,广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械等领域。兵器、飞机、导弹、卫星上也都得到了应用。,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

6、。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,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(Sheet Molding Compound,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

7、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。,BMC/DMC,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,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

8、概述,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3050mm含量5060%(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。,二硫化钼、碳酸钙、水和氧化铝、卤族元素,流动性、尺寸稳定性、阻燃性、耐化学腐蚀性,第四章 模压成型,4.2 模压料（短纤维模压料）,4.2.1 原料,树脂基体材料,4.2.1 原料,氨酚醛树脂：氨水做催化剂。碳化有石墨化倾向。慢速成型，成型时流动性差，不容易充满模腔 镁酚醛树脂：氧化镁催化剂。苯胺和聚乙烯醇缩丁醛改性。良好

9、流动性。较高机械强度、良好的电绝缘性及耐热性 聚酰胺改性酚醛树脂：羟甲基聚酰胺。韧性和粘结性，流动性好,第四章 模压成型,4.2 模压料（短纤维模压料）,4.2.1 原料,树脂基体材料,4.2.1 原料,硼酚醛树脂：硼酸和苯酚反应。热性能好 惰性气氛中分解温度625。900时残炭率70%-耐碱性差 新酚树脂：芳基烷基醚和苯酚缩合。良好的耐烧蚀性。耐化学性、介电性能、力学性能、耐辐射性和粘结性 有机硅改性酚醛树脂：含烷氧基的有机硅化合物。耐热性高，热失重小，韧性好,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

10、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,要求：,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。,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。,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

11、其界面状态。,脱模剂,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：,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,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

12、机,4.2.2 模压料的制备及质量控制,玻璃纤维在180下干燥处理4060min；将烘干后的纤维切成3050mm长度并使之疏松；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；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；捏合后的预混料，逐渐加入撕松机中撕松；撕松后的预混料均匀铺放在网格上晾置；预混料经自然晾置后，在80烘房中烘2030min，进一步驱除水分和挥发物；将烘干后的预混料装入塑料袋中封闭待用。,第四章 模压成型,预浸法,4.2.2 模压料的制备及质量控制,浸毡法,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

13、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。,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,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

14、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：1.001.025g/cm3,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,2040 mm,手工预混,3050 mm 高硅氧纤维,3）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,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

15、与不溶性树脂含量的主要因素。,快速固化酚醛预混料：,80，2030min,慢速固化酚醛预混料：,80，5070min,环氧酚醛预混料：,80，2040min,5）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。,4.2.2 模压料的制备及质量控制,第四章 模压成型,4）烘干条件,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,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

16、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,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,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。,

17、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。,第四章 模压成型,流动性f（，T，t）（热固性树脂）,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,第四章 模压成型,（2）温度的影响,

18、在较低温度范围内T 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。,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

19、反应的温度。,有粘度和聚合交联反应速度两种矛盾因素决定的,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,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：,0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

20、,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。,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,流动的空间位阻越小,Why?,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,图45 分子

21、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,图46 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,低剪切速率下，分子量分布宽的聚合物中有很多很长的分子链，这些分子链之间的缠结作用很强，对剪切力表现出较强的抵抗力，而分布窄的聚合物长链很少，分子间的缠结作用相对较弱,随着剪切速率增加，长链之间的缠结遭到破坏，分布宽的聚合物体系粘度明显下降，分布窄的聚合物因为没有很多长链，遭到的破坏没有那么显著；此外，分布宽的聚合物中短链很多，其在剪切力下会起到小分子增塑的作用，也是导致体系粘度明显降低的原因。,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，

22、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，易产生翘曲变形。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,模压料质量指标与组分,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，并不是流动性愈大愈好。流动性过大会产生一系列不良现象。,如：,合模时溢料过多,浪费材料,纤维与树脂离析,产品不同部位聚胶、贫胶和纤维分布不均，质量不好,4.2.3 模压料的工艺性及影响因素,因此，应根据模压料的理化特性、制品结构形状和尺寸等来确定和控制模压料的流动性,第四章 模

23、压成型,4.2.3.2 模压料的收缩性,模压制品从模具脱出后尺寸减小的特性称模压料的收缩性。由制品的热收缩(可逆收缩)和结构收缩(化学收缩，不可逆收缩)组成。,实际收缩率,计算收缩率,a模具空腔或制品在压制温度下的尺寸，mm b制品在室温下的尺寸，mm c模具空腔在室温下的尺寸，mm,4.2.3 模压料的工艺性及影响因素,模具空腔或制品在压制温度下的尺寸与制品在室温下尺寸之间的差值。,室温下模具空腔尺寸与制品尺寸之间的差值。,模压料的固有特性,第四章 模压成型,制品收缩的原因：,热收缩与结构(化学)收缩,一般模压料的线膨胀系数比模具材料大，制品脱模冷却后的收缩率大于模具收缩率，使得制品尺寸小于

24、模具尺寸。,树脂缩聚(或聚合)反应，分子交联，链段之间更加紧密，低分子逸出等引起的不可逆体积收缩。,4.2.3 模压料的工艺性及影响因素,实践表明,一般高强度短纤维模压制品的收缩率在0-0.3%,而0.1-0.2的收缩率居多.,第四章 模压成型,模压料收缩的影响因素：,（1）原材料的影响,4.2.3 模压料的工艺性及影响因素,（2）模具结构和制品形状的影响,（3）成型工艺条件的影响,模压料中树脂和添加物的种类与含量,温度制度与压力制度的影响,第四章 模压成型,（1）原材料的影响,a、环氧树脂比酚醛树脂、聚酯树脂的收缩率小。,原因：,环氧树脂固化前密度比较大，固化过程中无小分子逸出；酚醛树脂固化

25、时有水分子逸出；聚酯树脂固化前密度较小，固化时苯乙烯交联剂单体转化时，分子距离变化很大，因此收缩较大，另外部分苯乙烯逸出。,b、模压料中多加入纤维及填料可降低收缩率。,加入热塑性树脂粉(填料)可显著降低制品收缩,原因：,玻纤及填料的收缩率远小于树脂。,4.2.3 模压料的工艺性及影响因素,c、模压料中挥发物含量增高，制品收缩率增大,第四章 模压成型,（2）模具结构和制品形状的影响,模具刚度不够，压制时产生弹性变形会使制品比相应模具尺寸增大，特别对较薄的制品。因此，要根据生产经验考虑模具结构的影响。,4.2.3 模压料的工艺性及影响因素,第四章 模压成型,（3）成型工艺条件的影响,温度制度与压力

26、制度的影响,1）保温、保压时间延长可减少收缩率,原因：,使树脂交联密度增大，线膨胀系数减小。,3）冷脱模比热脱模收缩率小,4.2.3 模压料的工艺性及影响因素,2）一定范围内提高成型压力可减少收缩率,原因：,制品密实，减小了树脂交联时的收缩空隙,4）充分固化比固化不充分收缩率小。,5）一般模压温度低收缩率低。,第四章 模压成型,4.2.3.3 模压料的压缩性,压缩比：,模压料和模压制品比容的比值。,即制品密度与模压料密度的比值。,4.2.3 模压料的工艺性及影响因素,压缩比过大，即模压料过于蓬松，给装模带来困难，且压缩比大的模压料需设计大的装料室，不仅增加了模具质量，也增大了热量消耗。对于压缩比太大的模压料，一般需要采取预成型工艺。纤维状的模压料的压缩比一般为610。,作业：什么是模压料的收缩性？由哪几种收缩组成？,