高分子材料加工工艺图文精.docx

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高分子材料加工工艺图文精

高分子材料加工工艺PolymerProcessingEngineering青岛科技大学材料科学与工程学院材料物理教研室

高分子材料加工工艺第六章高分子材料的压制成型2

Contents热固性塑料的模压成型橡胶制品的模型硫化复合材料压制成型3

高分子材料加工工艺第六章压制成型压制成型是高分子材料成型加工技术中历史最久，也是最重要的方法之一，广泛用于热固性塑料和橡胶制品的成型加工。

压制成型是指主要依靠外压的作用，实现成型物料造型的一次成型技术。

几乎所用的高分子材料都可用此方法来成型制品。

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根据成型物料的性状和加工设备及工艺的特点；压制成型可分为模压成型和层压成型（备注：

不用模具）两大类。

模压成型包括：

热固性塑料的模压成型（即压缩模塑、橡胶的模压成型（即模型硫化和增强复合材料的模压成型。

层压成型包括：

复合材料的高压和低压压制成型。

压制成型的主要特点是需要较大的压力，加压的目的是加速热固性塑料和橡胶成型时的物理化学变化，防止制品出现气泡，保证制品的质量。

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但对于有些不饱和聚酯树脂的压制成型,因为没有低分子物析出,一般不用加压或仅需加少量的压力即可,这样的压制为低压成型或接触成型。

考虑到生产效率、制品尺寸、产品使用的特点,

目前压制成型主要用于:

热固性塑料的成型、

橡胶制品的成型、

复合材料的成型。

第一节热固性塑料的模压成型

模压成型是热固性塑料主要成型工艺,通常称压缩模塑。

其工艺过程是将模塑料在已加热到指定温度的模具中加压,使物料熔融流动并均匀地充满模腔,在加热和加压的条件下经过一定的时间,使其发生化学交联反应而变成具有三维体型结构的热固性塑料制品。

因为热固性塑料经交联固化后,其分子结构变成三维交联

的体型结构,所以制品可以趁热脱模。

热塑性塑料模压成型时,必须将模具冷却到塑料固化温度才能定型为制品,为此需交替加热与冷却模具,生产周期长,故生产中很少采用。

目前,对有些熔体粘度较大的热塑性塑料或成型较大平而的制品时,也采用压缩模塑法。

模压成型是间歇操作,工艺成熟,生产控制方便,成型设备和模具较简单,所得制品的内应力小,取向程度低,不易变形,稳定性较好。

但其缺点是生产周期长,生产效率低,较难实现生产自动化,因而劳动强度较大,且由于压力传递和传热与固化的关系等因素,不能成型形状复杂和较厚制品。

适用于模压成型的热固性塑料主要有:

酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、有机硅树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺等。

制品类型很多,主要有电器制品、机器零部件以及日用制品等。

一、热固性模塑料的成型工艺性能

热固性塑料的模压成型过程是一个物理化学变化过程,模塑料的成型工艺性能对成型工艺的控制和制品质量的提高有很重要的意义。

模塑料的主要成型工艺性能有以下几点。

1、流动性

热固性模塑料的流动性是指其在受热和受压作用下充满模具型腔的能力。

流动性首先与模塑料本身的性质有关,包括热固性树脂的性质和模塑料的组成。

♣树脂相对分子质量低,反应程度低,物料颗粒细小而又呈球状,低分子物含量或含水量高则流动性好。

♣其次与模具和成型工艺条件有关,模具型腔表面光滑且呈流线型,则流动性好,在成型前对模塑料进行预热及模压温度高无疑能提高流动性。

不同的模压制品要求有不同的流动件,形状复杂或薄壁制品要求模塑料有较大的流动性。

♣流动性太小,模塑料难以充满模腔,造成缺料。

♣但流动性也不能太大,否则会使模塑料熔融后溢出型腔,而在型腔内填塞不紧,造成分模面发生不必要的粘合,而且还会使树脂与填料分头聚集,制品质量下降。

2、固化速率

这是热固性塑料成型时特有的也是最重要的工艺性能,它是衡量热固性塑料成型时化学反应的速度。

它是以热固性塑料在一定的温度和压力下,压制标难试样时,使制品的物理机械性能达到最佳值所需的时间与试件的厚度的比值（s/mm厚度来表示,此值愈小,固化速率愈大。

固化速率主要由热固性塑料的交联反应性质决定,并受成型前的预压、预热条件以及成型工艺条件如温度和压力等多种因素的影响。

固化速率应当适中,过小则生产周期长,生产效率低,但过大则流动性下降,会发止塑料尚未充满模具型腔就已固化的现象,就不能适于成型薄壁和形状复杂的制品。

3、成型收缩率

热固性塑料在高温下模压成型后脱模冷却至室温,其各向尺寸将会发生收缩,此成型收缩率S

L

定义为:

在常温常压下,模具型腔的单向尺寸L

和制品相应的单

向尺寸L之差与模具型腔的单向尺寸L

之比。

成型收缩率大的制品易发生翘曲变形,甚至开裂。

产生热固性塑料制品收缩的因素很多:

♣首先热固性塑料在成型过程中发生了化学交联,其分子结构由原来的线型或支链型结构变化为体型结构,密度变大,产生收缩;

♣其次是由于塑料和全属的热膨胀系数相差很大,故冷却后塑料的收缩比金属模具大得多;

♣第三是制品脱模后由于压力下降有弹性回复和塑性变形产生使制品的体积发生变化。

一般高分子材料的S

L

在1∼3%,是模具设计的重要指标。

4、压缩率

热固性模塑料一般是粉状或粒状料,其表观相对密度d1与制品的相对密度d

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相差很大,模塑料在模压前后的体积变

化很大,可用压缩率R

p

来表示。

R

p

总是大于1。

模塑料的细度和均匀度影响其表观相对

密度dl,进而影响压缩率Rp。

压缩率大的物料所需要模具的装料室也要大,耗费模具材料,不利于传热,生产效率低,而且装料时容易混入空气。

通常降低压缩率的方法是模压成型前对物科进行预压。

酚醛压塑粉经预压:

Rp从2.8→

1.25

5、水份与挥发物的含量

游离水,以及受热受压时所释放出的氨、甲醛与结合水。

将产生以下后果:

流动性太大,收缩率大,翘曲,无光泽,波纹。

解决方法:

预热。

6、细度与均匀度

细度:

颗粒直径大小;

均匀度:

颗粒间直径大小的差距。

二、模压成型的设备和模具

1、压机

模压成型的主要设备是压机,压机是通过模具对塑料施加压力,在某些场合下压机还可开启模具或顶出制品。

压机的种类很多,有机械式和液压式。

目前常用的是液压机,且多数是油压机。

液压机的结构形式很多,主要的是上压式液压机和下压式液压机。

压板尺寸决定了压机能模压制品的面积大小,而工作行程决定了模具的高度,也决定了能模压制品的厚度。

上压式液压机

l-主油缸2-主油缸柱塞3-上梁4-支柱5-活动板6-上模板7-阳模8-阴模9-下模板10-机台11-顶出缸柱塞

12-顶出油缸

13-机座

下压式液压机

l-固定垫板2-绝热层3-上模板4-拉杆5-柱塞6-压筒7-行程调节套8-下模板9-活动垫板10-机座11-液压管线

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、模具

模压成型用的模具按其结构特点分主要有溢式、不溢式和半溢式模具三种。

溢式模具示意图

l-上模板2-组合式阳模3-导合钉4-阳模5-气口

6-下模板7-推顶杆8-制品9-溢料缝

（1溢式模具

溢式模具是由阴模和阳模两部分组成,阴阳两部分的准确闭合由导合钉来保证,制品的脱模靠顶出杆完成,但小型的溢式模具不一定有导合钉和顶出杆。

这种模具结构比较简单,操作容易,制造成本低,对压制扁平盘状或蝶状制品较为合适,适用于压制各种类型塑料,但因阴模较浅,不宜压制收缩率大的塑料。

在模压时,多余物料可溢出。

由于溢料关系,压制时闭模不能太慢,否则溢料多而形成较厚的毛边,去除毛边费工费时,制品外观也受影响。

闭模也不能太快,否则溅出较多的料,模压压力部分损失在模具的支撑面上,制品密度下降,性能降低。

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22（2

不溢式模具。

这种模具的特点是不让物料从模典型腔中溢出,使模压压力全部施加在物料上,可得高密度制品。

这种模具不但对以适用于流动性较差和压缩率较大的塑料,而且可用来压制牵引度较大的制品。

1-阳模2-阴模3-制品4-脱模杆5-定位下模板

这种模具结构较为复杂,制造成本高,要求阴模和阳模内部分闭合十分准确,为了防止操作不慎而造成压力过大,损坏阴模,要求阴模壁特别强。

为了脱模方便、保证制品质量,阴模必须带有顶出杆,或阴模制造成可拆卸的几个部分。

因此,压制时操作技术要求较高。

由于是不溢式,要求加料量更准确,必须用重量法加料。

此外,模压时不易排气,间化时间较长。

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（3半溢式模具。

结构介于溢式和不溢式之间,分有支承面和无支承面两种形式。

半溢式模具示意图

（a有支承面（b无支承面

1-阳模2-制品3-阴模4-溢料刻槽5-支撑面

（A段为装料室,B段为平直段

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1有支承面:

这种模具除装料室外,与溢式模具相似。

出于有装料室,可以适用于压缩率较大的塑料。

物料的外溢在这种模具中是受到限制的,因为当阳模仲入阴模时,溢料只能从阳模上开设的溢料槽中溢出。

这种模具的特点是制造成本高,模压时物料容易积留在支承面上,从而使型腔内的物料得不到足够的压力。

2无支承面:

与不溢式模具很相似,所不同的是阴模在进口处开设向外倾斜的斜面,因而阴模阳模之间形成一个溢料糟,多余料可从溢料糟溢出,但受到一定限制,这种模具有装料室,加料可略过量,而不必十分准确,所得制品尺寸则很准确,质量均匀密实。

这种模具的制造成本及操作要求均较不溢式模具低。

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三、模压成型工艺

压模成型用的压塑料大多数是由热固性树脂加上粉状或纤维状的填料等配合剂而成。

热固性塑料模压成型工艺过程通常由成型物料的准备、

成型和制品后处理三个阶段组成。

1、计量

计量主要有重量法和容量法。

重量法是按重量计量,较准确,但较麻烦,多用在模压尺寸较准确的制品;

容量法是按体积计量,此法不如重量法准确,但操作方便,一般用在粉料较宜。

2、预压

预压就是在室温下将松散的粉状或纤维状的热固性模塑料压成重量一定、形状规则的型坯的工序。

预压有如下作用和优点:

1加料快、准确、无粉尘;

2降低压缩率,可减小模具装料室和模具高度:

3预压料紧密,空气含量少,传热快,又可提高预热温度,从而缩短了预热和固化的时间,制品也不易出现气泡;4便于成型较大或带有精细嵌件的制品。

一般预压在室温下进行,如果在室温下不易预压也可将预压温度提高到50~90℃;预压物的密度一般要求达到制品密度的80%,故预压时施加的压力一般在40~200MPa。

顶压的主要设备是预压机和压模。

常用的预压机有偏心式和旋转式两种。

3、预热

模压前对塑料进行加热具有预热和干燥两个作用,前者是为了提高料温,便于成型,后者是为了去除水分和其他挥发物。

热固性塑料在模压前进行预热有以下优点:

1能加快塑料成型时的固化速度,缩短成型时间;

2提高塑料流动性,增进同化的均匀性,提高制品质量,降低废品率;

3可降低模压压力,可成型流动性差的塑料或较大制品。

（预热:

15~20MPa,未预热:

25~35MPa

热固性树脂是含有反应活性的,预热温度过高或时间过长,会降低流动性,在既定的预热温度下,预热时间必须控制在获得最大流动件的时间范围以内。

预热的方法有多种,常用的有电热板加热、烘箱加热红外线加热和高频电热等。

4、嵌件安放

模压带嵌件的制品时,嵌件必须在加料前放入模具。

嵌件一股是制品中导电部分或与其他物件结合用的,如轴套、轴帽、螺钉、接线柱等。

嵌件安放要求平稳准确。

5、加料

把已计量的模塑料加入模具内,加料的关键是淮确均勾。

若加入的是顶压物则较容易、按计数法加。

若加粉料或粒科,则应按塑料在模具型腔内的流动情况和各部位所需用量的大致情况合理堆放,以避免局部缺料,这对流动性差的塑料尤应注意。

6、闭模

加料完毕后闭合模具,操作时应先快后慢,即当阳模未触及塑料前应用高速闭模,以缩短成型周期;而在接触塑料时,应降低闭模速度,以免模具中嵌件移位或损坏型腔,有利于模中的空气顺利排除,也避免粉料被空气吹出,造成缺料。

7、排气

在闭模后塑料受热软化、熔融,并开始交联缩聚反应,副产物有水和低分子物,因而要排除这些气体。

排气不但能缩短硬化时间,而且可以避免制品内部出现分层和气泡现象。

排气操作为卸压使模具松开少许时间,排气过早或过迟都不行,过早达不到排气目的,过迟则因塑料表面已固化气体排不出。

排气方式:

卸压,松模,时间很短即可（零点几秒~几秒,如此连续几次（2~5次。

排气的次数和时间应根据具体情况而定。

8.保压固化

排气后以慢速升高压力,在一定的模压压力和温度下保持一段时间,使热固性树脂的缩聚反应推进到所需的程度。

保压固化时间取决于塑料类型、制品的厚度、预热情况、模压温度和压力等,过长或过短固化时间对制品性能都不利。

对固化速率不高的塑料也可在制品能够完整地脱模就告保压结束,然后再用后处理（热烘来完成全部固化过程,以提高设备的利用率。

一般在模内的保压固化时间为数分钟。

例:

酚醛塑料的后烘温度:

90~150℃

时间:

几小时~几十小时。

9、脱模冷却

热固性塑料是经交联而固化定型的,故固化完毕即可控热脱模,以缩短成型周期。

脱模通常是靠顶出杆来完成的,带有嵌件和成型杆的制品应先用专门工具将成型杆等拧脱再行脱;与模型相仿的型面上加压冷却,以防翘曲,有的还应在烘箱中慢冷,以减少因冷热不均而产生内应力。

10、制品后处理

为了提高热固性塑料模压制品的外观和内在质量,脱模后需对制品进行修整和热处理。

♣修整主要是去掉由于模压时溢料产生的毛边;

♣热处理是将制品置于一定温度下加热一段时间,然后缓慢冷却至室温,这样可使其固化更趋完全,同时减少或消除制品的内应力,减少制品中的水分及挥发物,有利于提高制品的耐热性、电性能和强度。

热处理的温度一般比成型温度高l0~50℃,而热处理时间则视塑料的品种、制品的结构和壁厚而定。

热固性塑料模压成型时的压力--温度--体积关系——:

无支承面……:

有支承面

在无支承面的模具中,当模具完全闭合时,物料所承受的压力是不变。

A点为模具处在开启状态下加料时物料的压力、温度和体积情况;B点为模具闭合并施加压力,物料受压而体积减小,温度升高,压力升高;B点之后,当模腔内压力达最大时,体积也压缩到所对应的值,物料温度也达一定值;随后由于物料吸热膨胀,在模腔压力不变的情况下体积胀大;到C点物料温度达到模具相同的温度,体积也膨胀到一定值;随着交联固化反应的进行.因反应放热,物料温度会升高,甚至高于模温,到D点达最高;由于交联以及反应过程中低分子物放出引起物料体积收缩,之后虽然压力和温度均保持不变,但交联固化反应的继续进行使物料体积不断减小;

E点模压完成后卸压,模内压力迅速降至常压,但开模后成型物的体积由于压缩弹性形变的回复而再次胀大,脱模后制品在常压下逐渐冷却,温度下降,体积也随之减小;

F点以后,制品逐渐冷至室温,由于体积收缩的滞后,制品体减小到与室温对应的值需要相当长的时间。

在有支承面的模具中,物料的压力--温度--体积的关系与无支承面的模具情况稍有不同,这是因为有支承面的模具闭合后模腔内的容积保持不变,多余的物料在高压下可经排气槽和分型面少量溢小,所以合模施压之后（B点之后,模腔内的压力上升到最大值之后又很快下降,后因物料吸热但无法膨胀,导致压力有所回升,随后因交联反应的进行,也由于阳模不能下移,物料体积不能减小而使模腔内的压力逐渐下降。

对热固性塑料的实际模压成型过程来说,物料的压力、温度和体积随时间变化的关系是介于上述两种典型情况之间。

三大工艺因素:

模压压力、模压温度和模压时间

模压压力的选择与模塑料的工艺性能和制品的成型条件有关:

压力的作用是促使物料流动,充满模具型腔;增大制品的密度,提高制品的内在质量;克服塑料中的树脂在成型时缩聚反应中放出的低分子物及塑料中其他挥发分所产生的压力,从而避免制品出现肿胀、脱层等现象;使模具闭合,从而使制品具有固定的形状尺寸,防止变形等。

模压压力取决于塑料的工艺性能和成型工艺条件。

通常塑料的流动性愈小,固化速度愈大,压缩率愈大,模温愈高,及压制深度大、形状复杂或薄壁和面积大的制品时所需的模压压力就高。

2、模压温度

模压温度是指成型时所规定的模具温度,对塑料的熔触、流动和树脂的交联反应速度有决定性的影响。

在一定的温度范围内,模温升高、物料流动性提高,充模顺利,交联固化速度增加,模压周期缩短,生产效率高。

但过高的模压温度会使塑料的交联反应过早开始和固化速度太快而使塑料的熔融粘度增加,流动性下降,造成充模不全。

另外一方面,由于塑料是热的不良导体,模温高,固化速度快,会造成模腔内物料内外层固化不一,表层先行硬化,内层固化时交联反应产生的低分子物难以向外挥发,会使制品发生肿胀、开裂和翘曲变形,而且内层固化完成时,制品表面可能已过热,引起树脂和有机填料等分解,会降低制品的机械性能。

因此模压形状复杂、壁薄、深度大的制品,不宜选用高模温,但经过预热的塑料进行模压时,由于内外层温度较均匀,流动性好,可选用较高模温。

模压温度过低时,不仅物料流动性差,而且固化速度慢,交联反应难以充分进行,会造成制品强度低,无光泽,甚至制品表面出现肿胀,这是由于低温下固化不完全的表层承受不住内部低分子物挥发而产生的压力的缘故。

日用模塑料（PF、UF的模压成型温度:

145~155℃。

3、模压时间

模压时间是指塑料从充模加压到完全固化为止的这段时间。

模压时间主要与塑料的固化速度有关,而固化速度决定于塑料的种类。

此外,与制品的形状、厚度、模压温度和压力,以及是否预热和预压等有关。

模压温度升高,塑料的固化速度加快,模压时间减少。

固化时间与制品厚度成正比,所以在一定温度下,厚制品所需的模压时间长。

模压压力增加,模压时间略有减少,但不明显。

合适的预热条件可以加快物料在模腔内充模和升温过程,因而有利于缩短模压时间。

一般地,PF、UF的模压时间为:

1min/1mm制品厚度。

对模压成型的工艺条件:

压力、温度、时间三者要综合考虑。

一般原则:

在保证制品质量的前提下,尽可能地降低压力、温度和缩短时间。

第二节

橡胶制品的模型硫化

模压成型也广泛用于各种橡胶制品的加工,特别是许多橡胶制品的硫化往往是在模压成型过程中完成的。

通常把橡胶的模压称作模型硫化,在橡胶制品生产中,模型硫化在硫化工艺中应用最为广泛。

硫化是橡胶制品生产过程中最重要的工艺过程,在这工艺过程中,橡胶经历了一系列的物理和化学变化,其物理机械性能和化学性能得到了改善,使橡胶初料成为有一定使用价值的材料,因此硫化对橡胶及其制品的应用有十分重要的意义。

硫化是橡胶大分子链发生化学交联反应的过程,这一过程是在一定温度、压力和时间条件下完成的。

一、橡胶制品及生产工艺

橡胶制品品种很多,通常可分为如下几大类。

1轮胎。

轮胎是橡胶制品中主要的产品之一,在橡胶中所占的比例最大,世界上有50%∼60%的生胶用于生产各种轮胎。

2胶带。

按其功能不同可以分为运输物料用的运输胶带和传递动力用的传动胶带。

3胶管。

根据胶管的材料和结构不同,有全胶胶管、夹布胶管、编织胶管、缠绕胶管、针织胶管和吸引胶管。

4胶鞋。

为人们日常生活用品,在橡胶制品所占的比例也很大,胶鞋根据不同的生产方法有贴合鞋、模压鞋和注压鞋。

5橡胶工业制品。

除上述几大品种外的工业用橡胶制品,如密封件、胶辊、胶布、胶板、减震制品等,品种繁多。

橡胶制品种类很多,形状规格各异,但是生产橡胶制品的原材料、工艺过程及设备等有许多共同之处。

橡胶制品的基本工艺过程包括配合、生胶塑炼、胶料混炼、成型、硫化五个基本过程。

在各种橡胶制品生产工艺过程中,配合、塑炼、混炼工序基本相向,模压和注压工序中成型与硫化实际上是同时进行的。