第四章 模壓成型

高分子材料加工工藝學第四章模壓成型第<1>頁目錄模壓成型設備模壓成型工藝過程模壓成型的特點一二三產品實例四模壓成型是高分子材料成型加工技術中歷史最悠久，也是最為重要的一種工藝。模壓成型的主要設備－壓機，可分為上壓式和下壓式。模具可分為溢式、不溢式以及半溢式。模塑料加工性能參數(shù)主要有流動性、固化速率、成型收縮率和壓縮率等。模壓成型的工藝流程通常由成型前的準備、成型、后處理三個階段組成。成型前的準備包括預熱和預壓；熱固性塑料模壓成型過程包括加料、合模、排氣、固化和脫模等幾個階段；而后處理包括模具清理、產物后烘和修邊。模壓成型模壓成型設備01壓機上壓式液壓機下壓式液壓機02模具溢式壓縮模不溢式壓縮模半溢式壓縮模模壓成型的主要設備是壓機，壓機是通過模具對塑料施加壓力，在某些場合下壓機還可開啟模具或頂出制品。壓機有機械式和液壓式，目前常用的是液壓機。液壓機是應用帕斯卡定律進行工作的壓力機械，由小柱塞泵、工作油缸、上壓板和管路構成的一個密閉系統(tǒng)。小柱塞油泵給油施力F1，油液產生壓力P，根據(jù)帕斯卡定律，P將等值地傳遞到活塞上，由于活塞面積比小柱塞面積大得多，故所產生的力F2很大，利用F2給加熱模具加壓而成型制品。壓機圖1液壓機的工作原理1.小柱塞2.活塞3.上壓板4.模具5.工作臺典型的液壓機主要由機身（包括上、下橫梁及立柱）、活動橫梁、頂出機構、工作油缸、液壓傳動及電氣控制系統(tǒng)等組成。液壓機的結構形式也很多，主要可分為上壓式液壓機和下壓式液壓機。如圖2所示，壓機的工作油缸置于壓機的上方，油缸活塞由上向下移動，下模板是固定的。模具的陽模和陰?？梢苑謩e固定在上、下模板上，靠上模板的升降來實現(xiàn)對模具的啟閉。由于油缸置于壓機的上方，工作臺是固定的，裝料可在工作臺上進行，操作方便，容易實現(xiàn)快速下行。上壓式液壓機應用較為廣泛，我國生產塑料液壓機基本是這種類型的。上壓式液壓機1.主油缸

2.主油缸活塞3.上梁

4.立柱

5.活動板

6.上模板

7.陽模

8.陰模

9.下模板

10.機臺

11.頂出

12.頂出油缸13.機座如圖3所示，壓機的工作油缸置于壓機的下方，油缸活塞推動活動橫梁上升，實現(xiàn)對模具的加壓。下壓式液壓機的重心較低，穩(wěn)定性好，油缸置于機身下部，制品可避免漏油的污染。層壓塑料一般采用下壓式液壓機。下壓式液壓機1.固定墊板2.絕熱層3.上模板4.拉桿5.活塞6.壓筒7.行程調節(jié)套8.下模板9.活動橫梁10.機座11.液壓管線壓機的主要參數(shù)是公稱壓力、柱塞直徑、壓板尺寸和工作行程。液壓機的公稱壓力是表示壓機壓制能力的主要參數(shù)，一般用來表示壓機的規(guī)格。公稱壓力p可按下式計算：式中D－油壓柱塞直徑，cm；

PL－壓機能承受的最高壓力，MPa。模壓制品的面積大小取決于壓機的壓板尺寸，安放的模具高度取決于壓機的工作行程，這也決定了模壓制品的最大厚度。半溢式模具溢式模具不溢式模具結構特點模具溢式壓縮模，又稱為敞開式壓縮模，結構如圖4所示，是由陰模和陽模兩部分組成。導合釘可以保證陰、陽模的準確閉合，推頂桿用來使制品脫模。但小型的溢式壓縮模不一定有導合釘和推頂桿。在壓制過程中，多余的塑料很容易順著擠壓邊溢出，極易出現(xiàn)制品的水平飛邊且很難去除。溢式壓縮模結構簡單，使用壽命長，操作容易，制造成本低，適合壓制扁平盤狀或碟狀制品。此類模具適應性較好，一般可用于壓制各種形狀簡單，厚度不大，對尺寸及強度方面要求不高的普通制品。對于薄壁或壁厚的均勻性有嚴格要求的、帶片狀或纖維填料的塑料制品不適合采用這類模具。因陰模較淺，也不宜壓制收縮率很大的塑料。溢式壓縮模溢式壓縮模1－上模板；2－組合式陽模；3－導合釘；4－陰模；5－氣口；6－下模板；7－推頂桿；8－制品；9－溢料縫圖4溢式壓縮模示意圖使用溢式壓縮模壓制產品，每次加料量不必十分準確，但必須稍稍過量。多余的物料在模具閉合時，可從溢料縫溢出。溢料縫中積留的物料與模具內部的物料仍有連接，脫模后附在制品上成為毛邊，后期必須去除。為避免溢料過多造成浪費，過量的物料不要超過制品重量的5%。由于溢料關系，壓制時閉模不能太慢，否則溢料多而形成較厚的毛邊，去除毛邊增加生產成本，制品外觀也會受影響。閉模也不能太快，否則濺出的物料較多，模壓壓力部分損失在模具的支撐面上，制品密度下降，性能受損。再者，每次加料量可能存在差別，成批生產時，制品的厚度和強度很難保證完全一致。溢式壓縮模半溢式壓縮模，又稱為半封閉式壓縮模，兼具以上兩類模具的結構特點。這類模具加料腔位于型腔上部，截面尺寸比型腔大，加料腔和型腔的交界處有環(huán)形擠壓面。壓制出的塑料制品密度和強度比溢式壓模高，高度和尺寸容易得到保證。和溢式壓縮模一樣，使用壽命長。其加料腔截面的尺寸大使得塑料制品表面在頂出時不易被劃傷。該類模具對加料量的控制也不必十分嚴格。半溢式壓縮模（1）有支承面。這種模具除裝料室外，與溢式壓縮模相似。由于具備裝料室，該模具可適用于壓縮率較大的塑料。壓制時，當陽模伸入陰模，溢料只能從陽模上開設的溢料槽中溢出。所以，物料的外溢在這種模具中是受到一定限制的。這種模具的特點是制造成本高，壓制時物料容易積留在支承面上，從而導致型腔內的物料不能得到足夠的壓力。半溢式壓縮模1.陽模2.制品3.陰模4.溢料刻槽

5.支承面A段為裝料室（2）無支承面。這種模具與不溢式壓縮模很相似，所不同的是陰模在B段以上略向外傾斜，在陰、陽模之間形成一條溢料槽，多余物料可從溢料槽溢出。B段的長度一般為1.5～3.0mm。壓制時，當陽模伸入陰模而未達到B段之前，物料仍可從溢料槽溢出，但會受到一定限制。陽模到達B段以后，情況與不溢式壓縮模完全相同。這種模具有裝料室，加料可稍微過量，而不必十分準確。這種模具壓制的產品尺寸精確，均勻密實。模具的制造成本以及操作要求均較不溢式壓縮模低。半溢式壓縮模1.陽模2.制品3.陰模4.溢料刻槽

5.支承面B段為平直段不溢式壓縮模，又稱為封閉式壓縮模，結構如圖5所示。這類模具具有加料腔，是型腔向上的延續(xù)。跟溢式壓縮模不同的是它不具有擠壓邊，陽模與加料腔有高度很低的間隙配合。壓制的時候多余塑料沿著配合間隙溢出導致制品產生垂直的飛邊，但是易于去除。這類模具的特點是原料的溢出量極少，使模壓壓力全部施加在物料上，可壓制高密度產品。此類模具適合壓制形狀復雜、壁薄、流程長且型腔較深的制品，也適用于壓制流動性特別小、單位比壓高、比容大的塑料（如酚醛布基填料的塑料）。而一些流動性好、可以以體積計量的塑料一般不采用這類模具。不溢式壓縮模不溢式壓縮模結構較復雜，制造成本高，要求陰模和陽模能夠精確閉合。此類模具一般對陰模壁強度有較高要求，這是為了防止操作不慎而造成壓力過大，損壞陰模。為了脫模方便，保證制品質量，陰模還必須有推出裝置，或陰模制造成可拆卸的幾個部分，否則制品很難取出。這類模具的陽模與加料腔內壁的摩擦會擦傷加料腔內部，由于加料腔的截面和型腔截面尺寸相同，在頂出時有可能劃傷塑料制品表面。由于是不溢式，若加料過量，多余的物料將無法溢出。因此，對加料量的控制要求較高，必須用重量法

加料。不溢式壓縮模對加料量的控制要求較高，必須用重量法

加料。此外，使用不溢式壓縮模壓制產品時，不易排氣，固化時間較長。不溢式壓縮模一般不設計成多腔模具，因為若加料稍不均衡就會造成各型腔壓力不等，從而引起一些制品欠壓。

不溢式壓縮模圖5不溢式壓縮模示意圖1.陽模2.陰模3.制品4.推頂桿5.定位下模板熱固性塑料的模壓成型過程是一個物理化學變化過程，模塑料的成型加工性能對成型工藝的控制和制品質量的提高具有重要意義。模塑料的主要成型加工性能參數(shù)有以下幾個方面。

模壓成型工藝過程成型收縮率壓縮率固化速率流動性模塑料性能參數(shù)熱固性模塑料的流動性是指其在溫度和壓力作用下充滿模具型腔的能力。流動性即可塑性，對成型加工極為重要，直接影響熱固性塑料成型過程中的物理化學行為及制品的質量。流動性首先與模塑料自身的性質有關，包括熱固性樹脂的性質和模塑料的配方組成。一般來說，樹脂相對分子質量低，交聯(lián)程度低，填料顆粒細小且呈球狀，低分子化合物含量高，含水量高，則流動性好。其次，流動性與模具及成型工藝有關，模具型腔表面光滑且設計合理，則流動性好。另外，在模壓前對模塑料進行預熱，升高模壓溫度皆能提高流動性。不同的產品對模塑料的流動性有不同的要求，形狀復雜和薄壁制品要求模塑料有較大的流動性。如果流動性太小，模塑料難以充滿模腔，造成某些位置缺料，不能成型大型、復雜的制品。但流動性也不能太大，否則會使較多模塑料熔融后溢出模具型腔，而造成制品不密實，或樹脂與填料分頭聚集，產品質量下降。流動性這是熱固性塑料成型時特有的工藝性能，它是衡量熱固性塑料成型時發(fā)生交聯(lián)反應的速度。它是以熱固性塑料在一定的溫度和壓力下，壓制標準試樣時，使制品的物理力學性能達到最佳值所需的時間與試件的厚度的比值（s/mm）來表示，此比值越小，固化速率越大。固化速率主要由熱固性塑料的交聯(lián)反應性質決定，并受成型前的預壓、預熱條件以及成型溫度、成型壓力等多種因素的影響。固化速率不宜過小，否則生產周期長，生產效率低。固化速率也不宜但過大，否則硬化太早，物料流動性下降，在物料尚未充滿模具型腔前就已固化，造成物料不能很好地充滿模腔，這對于成型薄壁和形狀復雜的制品尤為重要。固化速率熱固性塑料在高溫下模壓成型后脫模冷卻至室溫，其各向尺寸將會發(fā)生收縮。成型收縮率SL定義為：在常溫常壓下，模具型腔的單向尺寸L0和制品相應的單向尺寸L之差與模具型腔的單向尺寸L0之比：收縮率大的制品成型時易發(fā)生翹曲變形，甚至開裂。造成熱固性塑料制品收縮的原因很多，首先，熱固性塑料在模壓過程中發(fā)生了交聯(lián)反應，其分子結構由原來的線型或支鏈型結構變?yōu)槿S網狀結構，結構趨于緊密，加上低分子物揮發(fā)，體積必定收縮；其次，由于塑料和金屬的熱膨脹系數(shù)差異很大，故冷卻后塑料制品的收縮比金屬模具大得多；第三，制品脫模后，由于壓力下降，有彈性回復或塑性變形產生，使制品的外形發(fā)生變化。成型收縮率影響成型收縮率的因素主要有物料自身固有的性質、模壓成型工藝條件、模具和制品的設計等。一般可以通過預熱、采用不溢式模具、嚴格工藝規(guī)程等方法控制收縮率。表1為常見熱固性塑料的成型收縮率數(shù)據(jù)。成型收縮率模塑料密度／(g/cm3)壓縮率

成型收縮率／％

PF+布1.36～1.433.5～18UF+α-纖維素1.47～1.522.2～3.00.6～1.4MF+α-纖維素1.47～1.522.1～3.10.5～1.5EP+玻璃纖維1.8～2.02.7～7.00.1～0.5PF+木粉1.32～1.452.1～4.40.4～0.9PF+石棉1.52～2.02.0～14MF+石棉1.7～2.02.1～2.5PDAP+玻璃纖維1.55～1.881.9～4.80.1～0.5UP+玻璃纖維0.1～1.2熱固性模塑料一般呈粉狀或顆粒狀，其表觀相對密度d1與模壓后制品的相對密度d2差異很大，物料在模壓前后的體積會發(fā)生很大變化。這一性質可用壓縮率Rp來表示，等于熱固性塑料制品的密度d2與粉狀或粒狀的熱固性模塑料的表觀密度d1之比，即壓塑料在壓制前后的體積變化。模塑料的粒徑大小和粒徑分布影響其表觀相對密度d1，進而影響壓縮率Rp，壓縮率大的物料所需要模具的裝料室也大，耗費模具材料，不利于傳熱，生產效率低，而且裝料時容易混入空氣。一般可以通過在模壓成型前對物料進行預壓來降低壓縮率。壓縮率不溢式壓縮模結構較復雜，制造成本高，要求陰模和陽模能夠精確閉合。此類模具一般對陰模壁強度有較高要求，這是為了防止操作不慎而造成壓力過大，損壞陰模。為了脫模方便，保證制品質量，陰模還必須有推出裝置，或陰模制造成可拆卸的幾個部分，否則制品很難取出。這類模具的陽模與加料腔內壁的摩擦會擦傷加料腔內部，由于加料腔的截面和型腔截面尺寸相同，在頂出時有可能劃傷塑料制品表面。由于是不溢式，若加料過量，多余的物料將無法溢出。因此，對加料量的控制要求較高，必須用重量法

加料。不溢式壓縮模模壓成型原理B將松散狀（粉狀、粒狀或纖維狀等）或預壓坯的塑料放入成型溫度下的模具型腔中C塑料中的高分子與固化劑作用發(fā)生交聯(lián)反應，逐步轉變?yōu)榫哂幸欢ㄐ螤畹牟蝗鄣挠不破罚詈蠼洷阂欢螘r間使制品完全定型并達到最佳性能時，開模，脫模并取出制品A然后以一定的速度合模，接著加熱加壓，使塑料在熱和壓力作用下逐漸變成黏流態(tài)，在壓力作用下使物料充滿型腔模壓成型原理通常由成型前的準備、成型、后處理三個階段組成。模壓成型工藝流程熱固性塑料的比容較大，長期儲存容易受潮。通常應預先對物料進行預熱、預壓處理，以保證成型過程順利進行，得到質量合格的模壓制品。預熱是在模壓成型前，對熱固性塑料加熱，除去其中的水分和其它揮發(fā)物，同時提高物料溫度。這樣，可以提高物料成型時的固化速度，縮短模壓成型時間；可增加物料的流動性，降低模壓壓力，增進固化的均勻性，減小制品的內應力，提高制品質量，降低廢品率。預熱常用的設備為烘箱、真空干燥箱、遠紅外加熱器或高頻加熱器等。由于熱固性塑料的配方中含固化劑，預熱溫度過高或預熱時間過長，會使物料在模壓前發(fā)生部分交聯(lián)反應，降低其流動性，所以在預熱溫度確定后，預熱時間應控制在獲得最大流動性的時間tmax的極小范圍內為佳。成型前的準備預壓是將松散的熱固性塑料置于預壓模中，在壓機上壓制成一定重量、一定形狀大小的坯料。預壓一般在室溫下完成，不需加熱。坯料的形狀以能十分緊湊地置于模具中預熱為宜，多為圓片狀或長條狀等。一般控制在使預壓物的密度達到制品最大密度的80%為宜，預壓壓力的范圍：40～200MPa。預壓后，可以提高加料操作速度、準確性、便利性。預壓工藝可以降低壓縮率、減小模具裝料室、降低模具高度；有利于提高加熱時的傳熱速度，從而縮短預熱和固化時間，減小制品出現(xiàn)氣泡的可能性。但預壓操作增加了一道工序，提高了成本。成型前的準備熱固性塑料模壓成型過程包括加料、合模、排氣、固化和脫模等幾個階段，在成型帶有嵌件的制品時，加料前應預熱嵌件并將其安放在模具內。此外，模具在加料前要先進行預熱。（1）嵌件的安放嵌件是指在制品中與制品一起進行壓制的金屬零件。嵌件的安放要求位置準確、平穩(wěn)，否則可能造成廢品或模具損壞。一般可用手將嵌件安放在模具的固定位置，某些嵌件位置特殊，還需要用專門工具安放。模壓成型時為防止嵌件周圍的塑料出現(xiàn)裂紋，還需用浸膠布做墊圈。成型（2）加料加料是指根據(jù)需要往模具中加入一定量已預熱的物料。加料量的多少直接影響著制品的質量好壞。加料量過多，則制品容易產生毛邊，尺寸穩(wěn)定性差，脫模困難，甚至可能損壞模具；加料量過少，則制品不密實，甚至缺料，光澤度差。加料的計量方法有重量法、容積法和計數(shù)法三種。重量法最準確，但操作比較麻煩；容積法不及重量法準確，但操作簡便，一般適用于粉狀物料計量；計數(shù)法只適用于預壓物加料。對于粉狀或粒狀物料，可用勺子加料，一般堆成“中間高，四周低”的形式，這樣有利于排氣，避免閉模時產生沖料；當型腔數(shù)低于6個且加入的是預壓物時，可用手加料；當型腔數(shù)多于6個時應使用專用加料工具。成型（3）合模加料完成后即可合模。合模的時間一般由幾秒至幾十秒不等。合模操作宜采用“先快后慢”的方法。在陽模尚未接觸物料時，合模速度要快，以縮短非生產時間，避免物料過早固化和過多降解；當陽模觸及物料后宜采用慢速，以避免模具中的嵌件位置發(fā)生偏移，甚至損傷模具。另外，放慢速度還可以使模腔中的氣體充分排除。待模具閉合后即可增大壓力對物料進行加壓。成型（4）排氣模壓固化的過程中，常有水分和因縮聚反應產生的小分子物質放出，在模腔內的固化反應進行一段時間后，可將壓機的壓力卸去一段時間，使模腔中的氣體釋放出來。排氣操作能避免制品內部出現(xiàn)氣泡甚至分層現(xiàn)象，提高制品的機械性能。需要注意的是，排氣的時機要掌握好，不宜過早或過遲。排氣過早達不到排氣目的；排氣過遲，物料表面已固化，氣體不能排出。排氣的次數(shù)一般為2～5次，每次時間通常由零點幾秒至幾秒，具體排氣的次數(shù)、間隔時間等操作工藝要根據(jù)塑料配方以及制品形狀來調整。成型（5）固化熱固性塑料的固化是指在模壓溫度與壓力下保持一段時間，使樹脂發(fā)生物理、化學變化，由原來可溶可熔的線型樹脂變成不溶不熔的體型結構的材料，具有一定的交聯(lián)程度，達到所規(guī)定的機械強度。對于某些固化速率不高的塑料配方，可以不必讓整個固化過程都放在模具內完成，只要制品能夠完整地脫模即可先將制品取出，再將其置于烘箱內繼續(xù)加熱，用這種“后烘”的方法來完成對制品的最后固化，這樣可提高模壓設備的利用率。模內固化時間取決于塑料種類、制品厚度和形狀以及預熱、成型溫度等?！昂蠛妗边^長或過短對制品的性能都是有影響的。酚醛樹酯模壓塑件的后烘溫度范圍通常為90～150℃，時間視制品的厚度，從幾小時至幾十小時不等。成型（6）脫模固化完畢后，應進行脫模取出制品。通常用推頂桿將制品推出模具，當制品帶有側型芯或嵌件時，應先用專門工具將它們擰脫，然后再進行脫模。嚴禁用敲擊、捶打模具的方式脫模。對于形狀較復雜或薄壁制品，需待其完全冷卻后才可進行脫模，以防翹曲變形。對于熱塑性塑料，一定要等到其完全冷卻后方可脫模。成型制品脫模后，應對模具進行清理。通常用壓縮空氣吹洗模腔和模具表面，如果模具上固著物粘附較緊，還可用軟質銅刀或銅刷小心清理。為了進一步提高產品的質量，熱固性塑料制品脫模后，通常還要將其置于較高的溫度下進行后處理。后處理能使塑料固化更加完全；同時消除制品的內應力，減少制品中的水分及揮發(fā)物含量等，有利于提高制品的性能。后處理的溫度一般比模壓溫度高10～50℃，而后處理的時間則根據(jù)物料配方、制品的結構和厚度等而定。對于有些容易產生毛邊的制品，還需進行修邊操作。例如，量大的小型制品可采用噴射式冷凍修邊機進行處理，生產效率和修邊精度相對于手工操作可大幅提高。后處理（１）壓機構造簡單，制造成本及后期維護費用低。投資少，項目上馬快。為發(fā)展多品種、小批量生產提供了有利條件。（２）模壓用模具的結構較為簡單，制造成本低，維修方便。（３）使用注塑或擠出成型的方法生產纖維增強塑料時，纖維常常發(fā)生取向而引起制品翹曲變形。但在模壓成型中，塑料的流動距離很短，受纖維取向的影響較小，制品的機械性能穩(wěn)定。（４）模壓成型適應性廣，幾乎每種塑料都能適用，對于一些不太適合采用注塑和擠出成型的塑料，可考慮采用模壓成型。（５）原料成本相對低廉。模壓成型可以在保持制品性能變化不大的情況下，大量添加低成本填料，這樣使得原料的整體價格較低。模壓成型工藝的特點優(yōu)點（１）受到壓機噸位和模具尺寸大小的限制，模壓成型一般適合于生產中小型制品。（２）模壓制品易產生飛邊，后期需要修邊，增加了制造成本。（３）模壓制品厚度方向的尺寸控制較難，模壓成型不適合生產對尺寸精度要求很高的制品。（４）模壓成型生產周期長，生產效率低，較難實現(xiàn)自動化生產，勞動強度大。（５）模壓成型只適合制造形狀簡單的制品。盡管模壓成型存在許多不足之處，且模壓成型在塑料生產中所占的比例隨著熱固性塑料注塑的發(fā)展而逐漸減少，但綜合其優(yōu)缺點分析來看，模壓成型目前還是一種不可缺少的塑料成型方法。模壓成型工藝的特點缺點酚醛樹脂的模壓成型酚醛樹脂模塑料主要由酚醛樹脂、填料、纖維增強材料以及固化劑、潤滑劑和增塑劑等組成，其機械強度和耐熱性能因填料和增強材料的種類與用量的不同而存在差異。一般以木粉為填料的酚醛模壓制品使用溫度為100～120℃，而玻璃纖維增強酚醛模壓制品的最高使用溫度可達160～170℃。以木粉為填料的酚醛模壓制品經90～100℃老化1000h后，其拉伸強度降低明顯。而以石棉和玻璃纖維增強的酚醛模壓制品，經150℃高溫老化1000h后