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(xué)參考書(shū)周達(dá)飛，高分子材料成型加工（第二版），中國(guó)輕工業(yè)出版社，2005黃銳，塑料成型工藝學(xué)，輕工業(yè)出版社，2005陳耀庭，橡膠加工工藝，化學(xué)工業(yè)出版社，1982王貴恒，高分子材料成型加工原理，化學(xué)工業(yè)出版社，1982王文廣，塑料配方設(shè)計(jì)（第二版），化學(xué)工業(yè)出版社，2004林師沛，聚氯乙稀塑料配方設(shè)計(jì)指南，化學(xué)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(lái)成型制品。$ 考慮到生產(chǎn)效率、制品尺寸、產(chǎn)品使用的特點(diǎn)，目前主要用于：熱固性塑料、橡膠制品、復(fù)合材料的成型。引言 熱固性塑料模

2、壓成型（壓縮模塑） 模壓成型 橡膠的模壓成型（模型硫化） 增強(qiáng)復(fù)合材料的模壓成型 復(fù)合材料的高壓層壓成型 層壓成型 （不用模具） 復(fù)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(dòng)，充滿型腔，經(jīng)適當(dāng)?shù)姆艢猓?jīng)保壓后，塑料就充分交聯(lián)固化為制品。因?yàn)闊峁绦运芰辖?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(diǎn)：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(jiǎn)單。間歇成型，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，難以自動(dòng)化。制品質(zhì)量好，不會(huì)產(chǎn)

3、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(fù)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(dòng)性 熱固性模塑料的流動(dòng)性是指其在受熱和受壓情況下充滿整個(gè)模具型腔的能力。 流動(dòng)性即可塑性，對(duì)成型加工極為重要，直接影響熱固性塑料成型過(guò)程中的物理化學(xué)行為及制品的質(zhì)量。影響流動(dòng)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(yù)熱）熱固性塑料的模壓成型流動(dòng)性過(guò)大過(guò)小的后果： 太大：溢出模外，塑料在型腔內(nèi)填塞不緊，或樹(shù)脂與填料分頭聚集。 太?。弘y于在壓力下充滿型腔，造成缺料，不能模壓大型、復(fù)雜

4、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(shí)化學(xué)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(dòng)到交聯(lián)固化為制品的過(guò)程中，單位厚度的制品所需的時(shí)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(shí)的具體情況：預(yù)壓、預(yù)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(guò)早硬化，流動(dòng)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(fù)雜的制品。 出現(xiàn)：表面先固化，流動(dòng)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

5、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(jì)的重要指標(biāo)。熱固性塑料的模壓成型產(chǎn)生收縮的基本原因： 化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化（交聯(lián)）、熱收縮、彈性回復(fù)、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(jì)、塑料的性質(zhì)。產(chǎn)生的后果： 制品翹曲、開(kāi)裂。解決的辦法： 預(yù)熱、采用不溢式模具、嚴(yán)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(yù)壓。

6、 酚醛壓縮粉經(jīng)預(yù)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(shí)所釋放出的氨、甲醛與結(jié)合水。產(chǎn)生后果： 流動(dòng)性太大，收縮率大，翹曲，無(wú)光澤，波紋。解決方法： 預(yù)熱。6、細(xì)度與均勻度 細(xì)度：顆粒直徑大?。?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(jī) 壓機(jī)的作用： 通過(guò)模具對(duì)塑料傳熱和施加壓力； 提供成型的必要條件：T，P； 開(kāi)啟模具和頂出制品。 壓機(jī)機(jī)械加壓、液壓（上壓式、下壓式） 壓機(jī)的主要參數(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

7、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(jiǎn)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(yáng)模；3-導(dǎo)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(yáng)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(wú)支撐面1-陽(yáng)模；2-制品；3-陰模；4-溢料刻槽；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(jì)量壓縮料模具清理和嵌件安放閉模加料排氣保壓

8、固化脫模制品后處理熱固性塑料制品預(yù)壓或預(yù)熱熱固性塑料的模壓成型1、計(jì)量重量法：按質(zhì)量加料。準(zhǔn)確但麻煩；容量法：按體積加料。方便但不及重量法準(zhǔn)確。記數(shù)法：按預(yù)壓坯料計(jì)數(shù)。操作最快，但預(yù)先有預(yù)壓計(jì)量操作。2、預(yù)壓 在室溫下，把定量的料預(yù)先用冷壓法壓成一定形狀大小的胚料。影響預(yù)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(yù)壓溫度和壓力等。熱固性塑料的模壓成型預(yù)壓的優(yōu)點(diǎn)： 加料快、準(zhǔn)確、無(wú)粉塵； 降低壓縮率，可減小模具裝料室和模具高度； 預(yù)壓料緊密，空氣含量少，傳熱快，又可提高預(yù)熱溫度，從而縮短了預(yù)熱和固化的時(shí)間，制品也不易出現(xiàn)氣泡； 便于成型較大或帶有精細(xì)嵌件的制品。預(yù)壓的缺點(diǎn)： 如果預(yù)壓生

9、產(chǎn)效率低，則運(yùn)營(yíng)成本高； 不適合于松散度大的長(zhǎng)纖維塑料； 不適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、混色斑紋制品。 熱固性塑料的模壓成型3、預(yù)熱 熱固性塑料在模壓前的加熱有預(yù)熱和干燥雙重意義。預(yù)熱的優(yōu)點(diǎn)：加快固化速度，縮短成型時(shí)間。提高流動(dòng)性，增進(jìn)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(yù)熱：1520 MPa，未預(yù)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(dǎo)電部分，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(zhǔn)確。 加料工序強(qiáng)調(diào)的是加料準(zhǔn)確和合理堆放。一般應(yīng)堆成

10、“中間高，四周低”的形式。原因：有利于排氣；閉模中對(duì)模與物料接觸時(shí)少?zèng)_料熱固性塑料的模壓成型6、閉模應(yīng)先快后慢陽(yáng)模未接觸物料之前，應(yīng)盡可能使 閉模速度快，而當(dāng)陽(yáng)模快要接觸到 物料時(shí)，閉模速度要放慢。 先快的優(yōu)點(diǎn)：有利于縮短非生產(chǎn)時(shí)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(diǎn)：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因縮聚等化學(xué)反應(yīng)會(huì)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(shí)間很短即可（零點(diǎn)幾

11、秒幾秒），如此連續(xù)幾次（25次）。 排氣的次數(shù)、間隔時(shí)間等，決定于所模壓物料的性質(zhì)。 何時(shí)排氣：不能過(guò)早，也不能過(guò)遲。熱固性塑料的模壓成型8、固化在一定的P、T下，經(jīng)過(guò)一定的t，使縮聚反應(yīng)達(dá)到要求的交聯(lián)程度。從理論上說(shuō)，經(jīng)過(guò)固化后，原來(lái)可溶可熔的線型樹(shù)脂變成了不溶不熔的體型結(jié)構(gòu)的材料。在實(shí)際操作中，全部固化過(guò)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：酚醛塑料的后烘溫度：90150 時(shí)間：幾小時(shí)幾十小時(shí)。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(lái)完成。（問(wèn)題：熱塑性塑料呢？）熱脫模須注意兩個(gè)問(wèn)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

12、除內(nèi)應(yīng)力；進(jìn)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(dòng) 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(xué)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(shí)的壓力-溫度-體積關(guān)系實(shí)線：無(wú)支承面模具虛線：有支承面模具熱固性塑料的模壓成型1、 模壓壓力 壓機(jī)對(duì)制品平面垂直方向施加的單位壓力，生產(chǎn)上常用壓機(jī)的表壓表示，可以換算。壓力的作用： 促進(jìn)物料流動(dòng)，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

13、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(dòng)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(guò)預(yù)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(fù)雜 模壓壓力 制品密度 模壓壓力 熱固性塑料的模壓成型50MPa20MPa10MPa熱固性塑料的模壓成型2、模壓溫度模溫太高的后果：樹(shù)脂和有機(jī)物分解；硬化速度太快，造成外層先固化，不再流動(dòng)，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

14、化不足，質(zhì)量下降；硬化周期長(zhǎng) 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(shí)間模壓時(shí)間的長(zhǎng)短決定于：硬化速度（與樹(shù)脂種類有關(guān)）；制品的形狀、厚度；壓模工藝條件（T，P）；是否預(yù)壓、預(yù)熱。模壓時(shí)間太長(zhǎng)：生產(chǎn)效率；長(zhǎng)時(shí)間高溫將使樹(shù)脂降解。模壓時(shí)間太短：硬化不足，外觀無(wú)光，性能。 一般，PF、UF的模壓時(shí)間為：1min / 1mm制品厚度。熱固性塑料的模壓成型30MPa10MPa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(yùn)輸膠帶、傳動(dòng)膠帶 膠管：軟管、纖維增強(qiáng) 膠鞋：貼合鞋、模壓鞋、注壓鞋 其他橡膠工

15、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(guò)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化時(shí) 分子被引發(fā)，發(fā)生化學(xué)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(xué)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(xué)性能的變化 彈性 扯斷強(qiáng)度 撕裂強(qiáng)度 提高 定伸強(qiáng)度 硬度 伸長(zhǎng)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

16、 不能溶解，只能溶脹 耐熱性提高3）化學(xué)穩(wěn)定性的變化 化學(xué)穩(wěn)定性提高。 原因：a. 交聯(lián)反應(yīng)使化學(xué)活性很高的基團(tuán)或原子不復(fù)存 在，使老化反應(yīng)難以進(jìn)行。 b. 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙了低分子的擴(kuò)散，導(dǎo)致橡膠老化 的自由基難以擴(kuò)散。橡膠制品的模型硫化2、硫化歷程橡膠制品的模型硫化（1）焦燒期硫化起步階段，硫化誘導(dǎo)期硫化起步硫化時(shí)，膠料開(kāi)始變硬而后不能進(jìn)行熱塑性流動(dòng)的那一點(diǎn)時(shí)間（焦燒）。焦燒期的長(zhǎng)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(jìn)劑?？捎眠t效性促進(jìn)劑：CZ。焦燒時(shí)間的起點(diǎn)：實(shí)際上是從混煉時(shí)加入硫磺的那一時(shí)刻開(kāi)始。橡膠制品的模型硫化 操作焦燒時(shí)間混煉，停放，成型焦燒時(shí)間 殘余焦燒時(shí)間進(jìn)入

17、模具后加熱開(kāi)始到開(kāi)始 硫化這段時(shí)間若：操作焦燒時(shí)間 焦燒時(shí)間，就發(fā)生焦燒防止焦燒：具有較長(zhǎng)的焦燒時(shí)間：配方混煉、停放要低溫，成型時(shí)要迅速，即減少操作焦燒時(shí)間橡膠制品的模型硫化（2）欠硫期預(yù)硫階段誘導(dǎo)期后，開(kāi)始交聯(lián)，至正硫化。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(qiáng)度、彈性等）尚未達(dá)到預(yù)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(shí)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(dá)到適當(dāng)?shù)慕宦?lián)度的階段，此時(shí)各項(xiàng)力學(xué)性能均達(dá)到或接近最佳值，其綜合性能最好。正硫化是一個(gè)階段各項(xiàng)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

18、方、溫度等。 正硫化時(shí)間的選?。豪鞆?qiáng)度達(dá)到最高值略前的時(shí)間。主要是考慮“后硫化”。橡膠制品的模型硫化（4）過(guò)硫期進(jìn)入過(guò)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(guò)程的始終。只是在硫化過(guò)程的不同階段兩種反應(yīng)優(yōu)勢(shì)不同。 進(jìn)入過(guò)硫的早晚，即硫化平坦期的寬窄，主要取決于兩個(gè)方面：1）配方（如TMTD）；2）溫度。橡膠制品的模型硫化3、正硫化點(diǎn)的確定（1）物理機(jī)械法（2）化學(xué)法（3）專用儀器法硫化特性曲線初始粘度、最低粘度、焦燒時(shí)間、硫化速度、正硫化時(shí)間、活化能。 測(cè)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(dá)到最低粘度對(duì)應(yīng)的時(shí)間；tH-達(dá)到最大粘度對(duì)應(yīng)的時(shí)間；t10-焦燒時(shí)間；t90-正硫化時(shí)間橡膠制品的模型硫化混煉膠計(jì)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(guò)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(shí)間。橡膠制品的模型硫化