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橡塑技术与装备
2001 年第 27 卷
制新产品 或对新的聚合物材料和树脂基复合材料 的制品 采用传递成型更有利
的性能进行研究 以缩短试制周期 (5)特别适于成型不得翘曲的薄壁制品 壁厚小
至 0.6mm 的制品也可模压成型 但通常推荐壁厚
(3)由于一般模压料熔体的粘度很高 要使之完 全充模可能存在问题 为了保证熔体能完全充模 可能必须把模压料置于模腔内的一个最佳位置 有
热塑性塑料模压成型中的充模阶段与热固性 塑料的类似 但由于不发生化学反应 故在熔体充 满模腔后 要冷却模具使制品固化才能开模取出制
品 正因为热塑性塑料模压成型时模具需要交替地 加热和冷却 成型周期长 生产效率低 因此一般 不采用模压方法成型热塑性塑料制品 只有在成型 大型厚壁平板状制品和一些流动性很差的热塑性 塑料时才采用模压成型方法
模压成型中 除模具加热外 另一种热源是合 模过程中产生的摩擦热 这是因为合模会使塑料产 生流动 其局部流动速度会很高 从而转变成摩擦 热 对热固性塑料的模压成型 还有一种热量输入 发生在后固化阶段或称熟化阶段(一般为在 135 下进行 2h 然后在 65 下再进行 2h) 这是因为许 多热固性塑料制品脱模后在一升高的温度下放置 一段时间继续完善交联 可改善其电气性能和机械 性能 不进行后固化 热固性模压成型制品可能要 在很长时间(数月甚至数年)完成最后 5%~10%的交 联 尤其对酚醛模压料 后固化可适当缩短制品在 模腔内的固化时间 从而提高生产效率 1.4 模压成型的优缺点
文献标识码 A
文章编号 1009-797X(2001)02–0001-05
1 过程 原理及优缺点 模压成型(Compression Molding)又称压缩模塑
或压塑 它是最古老的聚合物加工技术之一 是生 产热固性塑料制品最常用的方法之一 也用于部分 热塑性塑料
模压成型中 把一定量通常被预热的塑料(可 以是粉状 粒状或片状等)置于被加热的模具型腔 内 然后合上模具 对塑料施加压力 使之熔融成 为粘流态而充满模腔 成型为制品 制品固化后 开模 取出制品 并清理模具 开始下一成型周期 见图 1
第2期
黄汉雄﹒塑料模压成型技术(一)
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图 2 示出了典型的热固性塑料模压成型中模 板的位置随时间的变化情况 装料后合上模具 在 阳模尚未触及模压料前 应尽量采用高的合模速度 (见 AB 段) 以缩短成型周期和避免热固性模压料 过早固化 阳模触及模压料后 合模速度应降低(见 BC 段) 最后以较快的速度完全合模(见 CD 段) 合模时间由几秒至数十秒不等 热固性塑料模压成 型过程中 在合模加压后 将模具松开少许(见 EF 段)并停留一短时间(见 FG 段) 以排出模腔内的气 体 排气有利于缩短固化时间 提高制品性能
20 世纪 70 年代 模压成型领域重要的进展包 括闭环控制的模压机 螺杆喂料系统和无流道注射
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模压成型(RIC) 20 世纪 80 年代初期 汽车工业对 模压成型增强塑料汽车面板的产量有更高的需求 这导致了新的 快速 短行程的 SMC(片状模塑料) 用模压机的出现 这种模压机带有程序可控的力/ 速度控制(PFVC)系统和模板调平装置 80 年代末 期 SMC 和 GMT(玻璃纤维毡片增强热塑性塑料) 用模压机的微机控制至少与注塑或其他塑料加工 方法那样的先进 采用了远程诊断系统 快速合模 速度可达 1m/s
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黄汉雄﹒塑料模压成型技术(一)
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塑料模压成型技术(一)
黄汉雄
(华南理工大学 广州 510640)
摘要 模压成型是最古老的聚合物加工技术之一 简述了模压成型的发展历程及现状 分析了其成型过程的五个阶段及成
型原理 并与注塑和传递成型等方法相比 分析了模压成型的优缺点
关键词 塑料 模压成型
中图分类号 TQ320.66+1
图 １－２ 典型的热固性塑料模压成型周期中模板的位置 示意图
A-周期始点 A B-高速合模 B C-慢速合模 C D-高速完全合 模 D E-加压 E F-开模 F G-排气 G H-合模 H I-固化
I J-开模 J-周期终点
1.3 模压成型的原理 模压成型热固性塑料(部分聚合)时 置于模具
型腔内的塑料被加热到一定温度后 其中的树脂熔 融成为粘流态 并在压力作用下粘裹着纤维一起流 动直至充满整个模腔而取得模腔所赋予的形状 此 即充模阶段 热量与压力的作用加速了热固性树脂 的聚合或称交联(一种不可逆的化学反应) 随着树 脂交联反应程度的增加 塑料熔体逐渐失去流动性 变成不熔的体型结构而成为致密的固体 此即固化 阶段 聚合过程所需的时间一般与温度有关 适当 提高温度可缩短固化时间 最后打开模具取出制品 (此时制品的温度仍很高) 可见 采用热固性塑料 模压成型制品的过程中 不但塑料的外观发生了变 化 而且结构和性能也发生了质的变化 但发生变 化的主要是树脂 所含增强材料基本保持不变 因 此 可以说热固性塑料的模压成型是利用树脂固化 反应中各阶段的特性来成型制品的
模压成型具有如下所述的优点 (1)由于没有浇注系统 故原料的损失小(通常 为制品质量的 2%~5%) (2)由于模腔内的塑料所受的压力较均匀 在压 力作用下所产生的流动距离较短 形变量较小 且 流动是多方向的 因此 制品的内应力很低 从而 制品的翘曲变形也很小 机械性能较稳定 此外 模压成型中不象在注塑模具浇口或流道处那样存 在很高的剪切应力区 故对含增强纤维的模压料 不会出现注塑中经常会发生的充模过程中纤维被 剪碎的现象 这样 模压料中可加入较多且较长的 增强纤维 模压成型制品中纤维的长度可以较长 从而制品可保持高的机械性能和电气性能 正因为 这样 模压成型技术的不少进展是直接或间接地涉 及到采用树脂基复合材料生产高强轻质的结构制 件 而注塑中仅能加入含量低且长度短(一般小于 3mm)的增强纤维 (3)由于模压料的流动距离短 故模腔的磨损很 小 模具的维护费用也就较低 (4)成型设备的造价较低 其模具结构较简单 制造费用通常比注塑模具或传递成型模具的低 故 适于多品种 小批量制品的生产 制品的成本也就 较低 也正因为这样 不少研究者采用模压成型试
20 世纪 90 年代 由于节能 环保和安全等的 要求 汽车工业等继续推动着模压成型技术的发 展 这主要表现在三个方面 首先 SMC 在汽车 工业中的使用量在增加 且推出了一些新的模压 料 尤其是 SMC(如低压 SMC 高模量 SMC 软 质 SMC 和易于加工的 SMC) BMC(团状模塑料) 以及 GMT 等 因为汽车工业是SMC BMC和 GMT 的最大用户 其次 模压成型机械进一步往高度自 动化 高速和高精度方向发展 第三 不断提高模 压成型制品的表观性能 可不采用模内涂覆即可生 产 A 级表面的汽车配件
图 １ 模压成型的过程
清理模具 加料 合模 固化 开模 取出制品
1.1 模压成型的发展简述 许多世纪前 人们就已采用各种初始的模压成
作者简介 黄汉雄(1963-) 男 博士 教授 博士生导师 系主任 主要从事聚合物加工成型的机理与流变学研究以及聚合物成型设备-性 能研究 获国家霍英东教育基金会 第六届高等院校青年教师奖 等奖 励 在国际著名刊物及国内核心刊物上发表论文 50 余篇 获得中国发明 专利 1 项 编著出版 塑料吹塑技术 参与 机械工程手册 （二版） 等 ４ 本手册的编写工作
1653 年 帕斯卡(Pascal)发现了液压机工作的 基本原理 正是液压机的发明奠定了现代模压成型 方法的基础 不过 直至 1839 年 Goodyear 发现了 硫化橡胶的加工方法后 液压机才在商业模塑中得 到应用 从而揭开了现代模压成型技术的序幕
1907 年 Baekeland 开发成功第一种合成热固 性树脂 可模压成型的酚醛树脂 1910 年左右 酚醛树脂的出现刺激了模压机产量的提高 也导致 了早期半自动模压机的诞生 大约在 1915 年 Burroughs 研制成半自动模压机 这是模压成型技 术的一个重要进展
收稿日期 2000-12-22
型方法 几千年前 中国人已采用一种早期的模压 工艺造纸 中世纪 模压成型技术被用来压制各种 天然树脂 18 世纪 美国人采用动物的角或龟壳 模压成制品 19 世纪初期至中期 人们采用模压 方法压制橡胶零件 由杜仲胶压制刀柄及其他用 品 由虫胶塑料 木质纤维等压制照片框架等
总的来说 20 世纪的前 50 年 由于酚醛树脂 的出现并被大量采用 模压成型是加工塑料的主要 方法 至 20 世纪 40 年代 因热塑性塑料的出现并 可采用挤出和注射方法来成型 情况开始发生变 化 模压成型初期加工的塑料约占塑料总量的 70%(质量分数) 但至 50 年代 该比例降至 25%以 下 目前约为 3% 这种变化并不意味着模压成型 是一种没有发展前景的方法 只不过是模压成型生 产热塑性塑料制品时成本过高 20 世纪初期 95%(质量分数)的树脂为热固性的 至 40 年代中 期 该比例降至约 40% 而目前仅约为 3% 不过 模压成型仍是一种重要的塑料成型方法 尤其在成 型某些低成本 耐热等制品时 随着新的树脂基热 塑性和热固性模压料的出现 以及汽车工业等的发 展 模压成型正焕发出新的活力 1.2 模压成型的全过程
最小取 1.5mm 模压成型还可生产壁厚相差较大的 制品
为明确和方便起见 把模压成型的全过程划分 为以下五个阶段
(1)原材料准备 即制备模压料或预浸料坯 这一阶段可能包括 使树脂混合 使树脂与填料或纤维混合在一起或使
增强织物或纤维与树脂浸渍 原材料准备阶段通常 要控制模压料的流变性能 对增强塑料 还要控制 纤维与树脂之间的粘结
(2)预热 对某些热固性塑料 预热是在模具外采用高频 加热完成的 对 SMC 预热可在模压料置于模腔 内后但在合模与流动开始之前进行 热固性塑料经 预热后进行模压成型 可降低模压压力 缩短成型 周期 提高生产效率 改善模压料固化的均匀性 从而提高制品的性能 (3)熔体充模 这一阶段从塑料开始流动至模腔被完全充满 时为止 模压成型中物料流动的量是较少的 但对 制品的性能影响很大 流动控制着短纤维增强塑料 中增强纤维的取向 从而对制品的机械性能有着直 接的影响 即使对未增强的塑料 流动也对热传递 起着重要的作用 从而控制制品的固化 在某些模 压成型过程中 尤其是包含层压的过程中 初始的 模压料就已充满模腔 基本上没有流动 (4)模内固化 这是紧接熔体充模的一个阶段 即制品在模具 内固化 不过 对热固性模压料 有些固化在充模 过程中就开始发生了 而固化的最后阶段也可以在 制品脱模后的 后固化 加热过程中完成 通常模 内固化要把模压料由粘流态(可以流动以充满模腔) 转变成固态(足够硬以便从模具内取出) 这一阶段 要发生大量的热传导 因此重要的是要弄清热传递 与固化之间的相互作用 根据模压料类型 预热温 度以及制品厚度的不同 热固性塑料的固化时间由 数秒至数分钟不等 (5)制品脱模与冷却 这是模压成型的最后一个阶段 这一阶段对制 品是否发生变形以及残余应力的形成会有影响 产 生残余应力的一个原因是制品不同部位之间的热 膨胀存在差异 因此 即使制品在模压成型的温度 下是无应力的 在冷却至室温的过程中也会形成残 余应力 从而使制品变形 对粘弹性聚合物 在确 定这些应力将如何松弛方面 温度分布与冷却速率 是重要的参数 有时 为了保证制品有较高的尺寸 精度 制品脱模后被置于防缩器或冷压模内进行后 处理