高分子材料的壓制成型

1、高分子材料成型加工,教材與教學參考書,周達飛，高分子材料成型加工（第二版），中國輕工業(yè)出版社，2005 黃銳，塑料成型工藝學，輕工業(yè)出版社，2005 陳耀庭，橡膠加工工藝，化學工業(yè)出版社，1982 王貴恒，高分子材料成型加工原理，化學工業(yè)出版社，1982 王文廣，塑料配方設(shè)計（第二版），化學工業(yè)出版社，2004 林師沛，聚氯乙稀塑料配方設(shè)計指南，化學工業(yè)出版社，2002,引言,壓制成型是高分子材料成型加工技術(shù)中歷史最悠久，也是最為重要的一種工藝。 幾乎所有的高分子材料都可用此方法來成型制品。 考慮到生產(chǎn)效率、制品尺寸、產(chǎn)品使用的特點，目前主要用于：熱固性塑料、橡膠制品、復合材料的成型。,引言,

2、熱固性塑料模壓成型（壓縮模塑） 模壓成型 橡膠的模壓成型（模型硫化） 增強復合材料的模壓成型 復合材料的高壓層壓成型 層壓成型 （不用模具） 復合材料低壓成型（接觸成型）,壓制成型,熱固性塑料的模壓成型,將壓塑料置于金屬模具的型腔內(nèi)，然后閉模在加熱、加壓的情況下，使塑料熔融、流動，充滿型腔，經(jīng)適當?shù)姆艢猓?jīng)保壓后，塑料就充分交聯(lián)固化為制品。因為熱固性塑料經(jīng)交聯(lián)固化后，其分子結(jié)構(gòu)變成三維交聯(lián)的體型結(jié)構(gòu)，所以制品可以趁熱脫模。,熱固性塑料的模壓成型,熱固性塑料的模壓成型,工藝特點： 成型工藝及設(shè)備成熟，是較老的成型工藝，設(shè)備和模具比注射成型簡單。 間歇成型，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，難以

3、自動化。 制品質(zhì)量好，不會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力或分子取向。 能壓制較大面積的制品，但不能壓制形狀復雜及厚度較大的制品。 制品成型后，可趁熱脫模。,熱固性塑料的模壓成型,一、熱固性模塑料的成型工藝性能 1、流動性 熱固性模塑料的流動性是指其在受熱和受壓情況下充滿整個模具型腔的能力。 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(zhì)量。 影響流動性的因素： 壓模塑料的性能和組成（分子量、顆粒形狀、小分子） 模具與成型條件（光潔度、流道形狀、預熱）,熱固性塑料的模壓成型,流動性過大過小的后果： 太大：溢出模外，塑料在型腔內(nèi)填塞不緊，或樹脂與填料分頭聚集。 太?。弘y于在壓

4、力下充滿型腔，造成缺料，不能模壓大型、復雜及厚制品。,熱固性塑料的模壓成型,2、固（硬）化速率 用于衡量熱固性塑料在壓制成型時化學反應(yīng)（交聯(lián)）的速度。 定義：熱固性塑料在一定溫度和壓力下，從熔融、流動到交聯(lián)固化為制品的過程中，單位厚度的制品所需的時間，以s/mm厚度表示，此值越小，固化速度越快。 固化速度依賴于： 塑料的交聯(lián)反應(yīng)性質(zhì)，成型時的具體情況：預壓、預熱、成型溫度和壓力。,熱固性塑料的模壓成型,固化速度太大： 硬化太快，過早硬化，流動性下降，不能很好地充滿型腔，制品缺料，不能壓制薄壁和形狀復雜的制品。 出現(xiàn)：表面先固化，流動性差。 固化速度太?。?生產(chǎn)周期，生產(chǎn)效率。,熱固性塑料的模壓

5、成型,3、成型收縮率 高分子材料的熱膨脹系數(shù)比模具（鋼材）大得多，熱固性塑料成型中發(fā)生交聯(lián)，結(jié)構(gòu)趨于緊密，加上低分子物揮發(fā)，體積必定收縮，尺寸變化很大。 一般高分子材料的SL在13，是模具設(shè)計的重要指標。,熱固性塑料的模壓成型,產(chǎn)生收縮的基本原因： 化學結(jié)構(gòu)的變化（交聯(lián)）、熱收縮、彈性回復、塑性形變。 影響收縮率的因素： 工藝條件、模具和制品的設(shè)計、塑料的性質(zhì)。 產(chǎn)生的后果： 制品翹曲、開裂。 解決的辦法： 預熱、采用不溢式模具、嚴格工藝規(guī)程。,熱固性塑料的模壓成型,4、壓縮率 是粉狀或粒狀的熱固性塑料的表觀比重與制品比重之比。即壓塑料在壓制前后的體積變化。 產(chǎn)生后果： Rp越大，所需的模具裝

6、料室越大，消耗模具鋼材，不利于傳熱，生產(chǎn)效率低，易混入空氣。 解決方法： 預壓。 酚醛壓縮粉經(jīng)預壓：Rp從2.81.25,熱固性塑料的模壓成型,熱固性塑料的模壓成型,5、水份與揮發(fā)物的含量 游離水，以及受熱受壓時所釋放出的氨、甲醛與結(jié)合水。 產(chǎn)生后果： 流動性太大，收縮率大，翹曲，無光澤，波紋。 解決方法： 預熱。 6、細度與均勻度 細度：顆粒直徑大小； 均勻度：顆粒間直徑大小的差距。,熱固性塑料的模壓成型,二、 模壓成型的設(shè)備和模具 1、成型設(shè)備壓機 壓機的作用： 通過模具對塑料傳熱和施加壓力； 提供成型的必要條件：T，P； 開啟模具和頂出制品。 壓機機械加壓、液壓（上壓式、下壓式） 壓機的

7、主要參數(shù)是公稱壓力、柱塞直徑、壓板尺寸和工作行程。,熱固性塑料的模壓成型,熱固性塑料的模壓成型,熱固性塑料的模壓成型,2、模具 模具（鋼制），有多種類型，結(jié)構(gòu)形式通常較簡單。模壓成型用的模具常用的有三種：1）溢式模具；2）不溢式模具；3）半溢式模具,熱固性塑料的模壓成型,溢式模具示意圖 1-上模板；2-組合式陽模；3-導柱；4-陰模；5-氣孔；6-下模板；7-頂桿；8-制品；9-溢料縫,熱固性塑料的模壓成型,不溢式模具示意圖 1-陽模； 2-陰模； 3-制品；4-頂桿；5-定位下模板,熱固性塑料的模壓成型,半溢式模具示意圖 （a）有支撐面（b）無支撐面 1-陽模；2-制品；3-陰模；4-溢料刻

8、槽；5-支撐面 （A段為裝料室，B段為平直段）,熱固性塑料的模壓成型,三、模壓成型工藝,計量,壓縮料,模具清理和嵌件安放,閉模,加料,排氣,保壓固化,脫模,制品后處理,熱固性塑料制品,預壓或預熱,熱固性塑料的模壓成型,1、計量 重量法：按質(zhì)量加料。準確但麻煩； 容量法：按體積加料。方便但不及重量法準確。 記數(shù)法：按預壓坯料計數(shù)。操作最快，但預先有預壓計量操作。 2、預壓 在室溫下，把定量的料預先用冷壓法壓成一定形狀大小的胚料。影響預壓料質(zhì)量的因素主要有模塑料的水分，顆粒大小，壓縮率，預壓溫度和壓力等。,熱固性塑料的模壓成型,預壓的優(yōu)點： 加料快、準確、無粉塵； 降低壓縮率，可減小模具裝料室和模

9、具高度； 預壓料緊密，空氣含量少，傳熱快，又可提高預熱溫度，從而縮短了預熱和固化的時間，制品也不易出現(xiàn)氣泡； 便于成型較大或帶有精細嵌件的制品。 預壓的缺點： 如果預壓生產(chǎn)效率低，則運營成本高； 不適合于松散度大的長纖維塑料； 不適合于結(jié)構(gòu)復雜、混色斑紋制品。,熱固性塑料的模壓成型,3、預熱 熱固性塑料在模壓前的加熱有預熱和干燥雙重意義。 預熱的優(yōu)點： 加快固化速度，縮短成型時間。 提高流動性，增進固化的均勻性。 減小制品的內(nèi)應(yīng)力，提高制品質(zhì)量。 降低模壓壓力。（預熱：1520 MPa，未預熱：2535MPa）,熱固性塑料的模壓成型,熱固性塑料的模壓成型,4、嵌件安放 嵌件通常是制品的導電部分

10、，或使制品與其他物體結(jié)合用的，安放要求：正確，平穩(wěn)。 5、加料 加料量多，則制品毛邊厚，難以脫模；少則制品不緊密，光澤差；所以加料量要準確。 加料工序強調(diào)的是加料準確和合理堆放。一般應(yīng)堆成“中間高，四周低”的形式。原因：有利于排氣；閉模中對模與物料接觸時少沖料,熱固性塑料的模壓成型,6、閉模 應(yīng)先快后慢陽模未接觸物料之前，應(yīng)盡可能使 閉模速度快，而當陽?？煲佑|到 物料時，閉模速度要放慢。 先快的優(yōu)點：有利于縮短非生產(chǎn)時間； 避免塑料在未施壓前即固化； 避免塑料降解。 后慢的優(yōu)點：防止模具損傷和嵌件移位； 有利于充分排除模內(nèi)空氣。,熱固性塑料的模壓成型,7、排氣 排氣的原因：熱固性塑料在加工中

11、因縮聚等化學反應(yīng)會釋放出小分子物質(zhì)，在成型溫度下體積膨脹，形成氣泡。 排氣的作用：趕走氣泡、水份、揮發(fā)物，縮短固化周期，避免制品內(nèi)部出現(xiàn)氣泡或分層現(xiàn)象。 排氣的方式：卸壓，松模，時間很短即可（零點幾秒幾秒），如此連續(xù)幾次（25次）。 排氣的次數(shù)、間隔時間等，決定于所模壓物料的性質(zhì)。 何時排氣：不能過早，也不能過遲。,熱固性塑料的模壓成型,8、固化 在一定的P、T下，經(jīng)過一定的t，使縮聚反應(yīng)達到要求的交聯(lián)程度。 從理論上說，經(jīng)過固化后，原來可溶可熔的線型樹脂變成了不溶不熔的體型結(jié)構(gòu)的材料。 在實際操作中，全部固化過程不一定完全在固化階段完成，而在脫模以后的“后烘”工序完成。 例：酚醛塑料的后烘溫

12、度：90150 時間：幾小時幾十小時。,熱固性塑料的模壓成型,9、脫模 熱固性塑料可趁熱脫模，通?？宽敵鰲U來完成。（問題：熱塑性塑料呢？） 熱脫模須注意兩個問題：1）防止冷卻翹曲；2）防止產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力 10、后處理 熱處理消除內(nèi)應(yīng)力；進一步固化，直至固化完全。（處理溫度比成型溫度高1050。） 整修修邊。,熱固性塑料的模壓成型,四、壓模成型工藝條件及控制 熱固性壓塑料在模腔內(nèi)變化情況： 壓塑料 軟化、熔融 流動 充模 固化 制品 加料閉模 模壓 放氣 保壓 可熔可溶 物理變化 化學變化 不熔不溶,熱固性塑料的模壓成型,熱固性塑料模壓成型時的壓力-溫度-體積關(guān)系,實線：無支承面模具 虛線：有支承面

13、模具,熱固性塑料的模壓成型,1、 模壓壓力 壓機對制品平面垂直方向施加的單位壓力，生產(chǎn)上常用壓機的表壓表示，可以換算。 壓力的作用： 促進物料流動，充滿型腔提高成型效率。 增大制品密度，提高制品的內(nèi)在質(zhì)量。 克服放出的低分子物及塑料中的揮發(fā)物所產(chǎn)生的壓力，從而避免制品出現(xiàn)氣泡、腫脹或脫層。 閉合模具，賦予制品形狀尺寸。 一般，熱固性塑料如PF、UF：Pm 1530 MPa,熱固性塑料的模壓成型,模壓壓力的選擇與壓塑料的工藝性能和制品的成型條件有關(guān)： 流動性 模壓壓力 工藝性能 固化速度 模壓壓力 壓縮率 模壓壓力 經(jīng)過預熱 模壓壓力？ 模壓溫度 模壓壓力？ 成型條件 制品深度 模壓壓力 形狀復

14、雜 模壓壓力 制品密度 模壓壓力 ,熱固性塑料的模壓成型,50MPa,20MPa,10MPa,熱固性塑料的模壓成型,2、模壓溫度 模溫太高的后果：樹脂和有機物分解；硬化速度太快，造成外層先固化，不再流動，氣體難以排出，制品缺料，內(nèi)應(yīng)力，制品質(zhì)量。 模溫太低的后果：硬化不足，質(zhì)量下降；硬化周期長 日用模塑料（PF、UF）的模壓成型溫度：145155,熱固性塑料的模壓成型,3、模壓時間 模壓時間的長短決定于：硬化速度（與樹脂種類有關(guān)）；制品的形狀、厚度；壓模工藝條件（T，P）；是否預壓、預熱。 模壓時間太長：生產(chǎn)效率；長時間高溫將使樹脂降解。 模壓時間太短：硬化不足，外觀無光，性能。 一般，PF、

15、UF的模壓時間為：1min / 1mm制品厚度。,熱固性塑料的模壓成型,30MPa,10MPa,熱固性塑料的模壓成型,橡膠制品的模型硫化,一、橡膠制品及生產(chǎn)工藝 1、橡膠制品品種 輪胎：生膠的5060 膠帶：運輸膠帶、傳動膠帶 膠管：軟管、纖維增強 膠鞋：貼合鞋、模壓鞋、注壓鞋 其他橡膠工業(yè)制品：油封、膠布、膠板、膠輥 橡膠制品：模型制品、非模型制品。,橡膠制品的模型硫化,生膠,塑煉,配合,配合劑,混煉,模壓,注壓,壓出,壓延,成型,硫化,制品,橡膠制品生產(chǎn)工藝過程示意圖,橡膠制品的模型硫化,二、橡膠制品的硫化 1、橡膠在硫化前后結(jié)構(gòu)和性能的變化 硫化前 線形結(jié)構(gòu)，分子間以范德華力相互作用 硫

16、化時 分子被引發(fā)，發(fā)生化學交聯(lián)反應(yīng) 硫化后 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間主要已以化學鍵結(jié)合,橡膠制品的模型硫化,硫化后橡膠的性能變化： 以天然橡膠為例，隨硫化程度的提高： 1）力學性能的變化 彈性 扯斷強度 撕裂強度 提高 定伸強度 硬度 伸長率 疲勞生熱 降低 壓縮永久變形,橡膠制品的模型硫化,橡膠制品的模型硫化,2）物理性能的變化 透氣率、透水率降低 不能溶解，只能溶脹 耐熱性提高 3）化學穩(wěn)定性的變化 化學穩(wěn)定性提高。 原因：a. 交聯(lián)反應(yīng)使化學活性很高的基團或原子不復存 在，使老化反應(yīng)難以進行。 b. 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙了低分子的擴散，導致橡膠老化 的自由基難以擴散。,橡膠制品的模型硫化,2、硫化歷程,

17、橡膠制品的模型硫化,（1）焦燒期硫化起步階段，硫化誘導期 硫化起步硫化時，膠料開始變硬而后不能進行熱塑性流動的那一點時間（焦燒）。 焦燒期的長短：決定了膠料的焦燒性及操作安全性。取決于配方，特別是促進劑?？捎眠t效性促進劑：CZ。 焦燒時間的起點：實際上是從混煉時加入硫磺的那一時刻開始。,橡膠制品的模型硫化,操作焦燒時間混煉，停放，成型 焦燒時間 殘余焦燒時間進入模具后加熱開始到開始 硫化這段時間 若：操作焦燒時間 焦燒時間，就發(fā)生焦燒 防止焦燒： 具有較長的焦燒時間：配方 混煉、停放要低溫，成型時要迅速，即減少操作焦燒時間,橡膠制品的模型硫化,（2）欠硫期預硫階段 誘導期后，開始交聯(lián)，至正硫化

18、。 在此階段，交聯(lián)度低，即使在此階段的后期，性能（主要是拉伸強度、彈性等）尚未達到預期的要求。 但其抗撕性、耐磨性、則優(yōu)于正硫化膠料，若要求這些性能時制品可以輕微欠硫。,橡膠制品的模型硫化,（3）正硫期正硫化階段 制品達到適當?shù)慕宦?lián)度的階段，此時各項力學性能均達到或接近最佳值，其綜合性能最好。 正硫化是一個階段各項性能基本上保持恒定或變化很少，也稱硫化平坦期。 硫化平坦期的寬窄取決于：配方、溫度等。 正硫化時間的選?。豪鞆姸冗_到最高值略前的時間。主要是考慮“后硫化”。,橡膠制品的模型硫化,（4）過硫期 進入過硫化后： 性能下降硫化返原（斷鏈多于交聯(lián)，NR、IIR） 性能恒定甚至上升非返原（交

19、聯(lián)占優(yōu)、環(huán)化） 交聯(lián)和氧化斷鏈兩種反應(yīng)貫穿于橡膠硫化過程的始終。只是在硫化過程的不同階段兩種反應(yīng)優(yōu)勢不同。 進入過硫的早晚，即硫化平坦期的寬窄，主要取決于兩個方面：1）配方（如TMTD）；2）溫度。,橡膠制品的模型硫化,3、正硫化點的確定 （1）物理機械法 （2）化學法 （3）專用儀器法 硫化特性曲線初始粘度、最低粘度、焦燒時間、硫化速度、正硫化時間、活化能。 測定原理：膠料的剪切模量與交聯(lián)密度成正比。,橡膠制品的模型硫化,ML-最小轉(zhuǎn)矩；MH-最大轉(zhuǎn)矩；tL-達到最低粘度對應(yīng)的時間；tH-達到最大粘度對應(yīng)的時間；t10-焦燒時間；t90-正硫化時間,橡膠制品的模型硫化,混煉膠,計量,橡膠半成品,加料,閉模,排氣,保壓硫化,脫模,橡膠制品,三、模型硫化工藝及硫化條件 這一過程基本上與熱固性塑料的模壓成型相同，硫化工藝條件是硫化壓力、硫化溫度和硫化時間。,橡膠