1、復合材料成型加工課程設計 姓 名 專 業(yè) 學 號 指導教師 二一四年十二月復合材料成型加工課程設計任務書一、課程設計的目的復合材料成型加工課程設計是材料學教學計劃的組成部分，是在完成課堂學習、生產(chǎn)實習和其它相關專業(yè)課程學習之后進行的，是對本課程的綜合知識掌握情況的一次全面檢驗。通過課程設計，可以進一步培養(yǎng)學生綜合應用所學知識的能力，使學生能熟悉復合材料工藝設計、生產(chǎn)工藝流程圖制定、合理選擇制材設備的方法，加強自學能力，為今后從事相關工作打下堅實基礎。二、設計任務和設計依據(jù) 設計任務：日產(chǎn)量1500件樹脂基復合材料注塑工藝設計 設計依據(jù)：1. 每天工作班制：三班，8小時/班。2. 每件樣品不超過

2、500g，一模一件。3. 原料自選。三、設計要求 1、查閱文獻資料，了解注塑機結構及操作規(guī)程，按照設計要求合理選用設備，設置生產(chǎn)參數(shù)； 2、根據(jù)生產(chǎn)任務，制作典型生產(chǎn)工藝流程。聚乙烯/碳纖維復合材料注射成型工藝設計一、設計背景以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 樹脂基復合材料是由以有機聚合物為基體的纖維增強材料，通常使用玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維或者芳綸等纖維增強體。 纖維增強樹脂基復合材料常用的樹脂為環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂。目前常用的有：熱固性樹脂、熱塑性樹脂，以及各種各樣改性或共混基體。熱塑性樹脂可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后又變硬。熱固性樹脂只能一次加熱和成型，在加工

3、過程中發(fā)生固化，形成不熔和不溶解的網(wǎng)狀交聯(lián)型高分子化合物，因此不能再生。復合材料的樹脂基體，以熱固性樹脂為主。早在40年代，在戰(zhàn)斗機、轟炸機上就開始采用玻璃纖維增強塑料作雷達罩。60年代美國在F4、F111等軍用飛機上采用了硼纖維增強環(huán)氧樹脂作方向舵、水平安定面、機翼后緣、舵門等。在導彈制造方面，50年代后期美國中程潛地導彈“北極星A2”第二級固體火箭發(fā)動機殼體上就采用了玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂的纏繞制件，較鋼質(zhì)殼體輕27%；后來采用高性能的玻璃纖維代替普通玻璃纖維造“北極星A3”，使殼體重量較鋼制殼體輕50%，從而使“北極星A3”導彈的射程由2700千米增加到4500千米。70年代后采用芳香聚酰

4、胺纖維代替玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂，強度又大幅度提高，而重量減輕。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料在飛機、導彈、衛(wèi)星等結構上得到越來越廣泛的應用。碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性好碳纖維在傳統(tǒng)使用中除用作絕熱保溫材料外。 多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構成復合材料。碳纖維已成為先進復合材料最重要的增強材料。由于碳纖維復合材料具有輕而強、輕而剛、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩(wěn)定性好以

5、及設計性好、可大面積整體成型等特點，已在航空航天、國防軍工和民用工業(yè)的各個領域得到廣泛應用。11 碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。高性能碳纖維是制造先進復合材料最重要的增強材料 。聚乙烯/碳纖維 復合材料是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等熱塑性塑料為原料，熱塑性塑料可采用新塑料或工業(yè)、生活廢棄的各種塑料，而碳纖維可采用因此木塑復合材料的研制和廣泛應用有助于減緩塑料廢棄物的公害污染，也有助于減少農(nóng)業(yè)廢棄物焚燒給環(huán)境帶來的壓力。木塑復合材料的生產(chǎn)和使用不會向周圍環(huán)境散發(fā)危害人類健康的揮發(fā)物，材料本身還可以回收進行二次利用，因此它是一種全新的綠色環(huán)保復合材料。二、聚乙烯/碳纖維復

6、合材料配方（生產(chǎn)原料）2.1 原材料的選擇2.1.1聚乙烯樹脂 作為聚乙烯/碳纖維復合材料擠出發(fā)泡的原料，選擇分子質(zhì)量適當?shù)木垡蚁┓浅Ｖ匾?，因為分子質(zhì)量影響聚合物的流變性，從而對氣泡的生長影響很大。分子質(zhì)量過低，熔體強度較差，熔體對發(fā)泡氣體逃逸的阻礙能力差，很難得到泡孔均勻細密的泡沫塑料；若分子量過高，熔體的拉伸強度很大，抑制泡孑L的生長，致使發(fā)泡不充分，也難以得到高發(fā)泡率的泡沫塑料。故選擇K值為5760的聚乙烯較為合適。2.1.2碳纖維 碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經(jīng)碳化制得，應用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。主要通過纖維紡絲、熱穩(wěn)定化（預氧化）、

7、碳化、石墨化等4個過程制得。2.1.3固化劑 固化劑又名硬化劑、熟化劑或變定劑，是一類增進或控制固化反應的物質(zhì)或混合物。樹脂固化是經(jīng)過縮合、閉環(huán)、加成或催化等化學反應，使熱固性樹脂發(fā)生不可逆的變化過程，固化是通過添加固化（交聯(lián)）劑來完成的。固化劑是必不可少的添加物，無論是作粘接劑、涂料、澆注料都需添加固化劑，否則環(huán)氧樹脂不能固化。 固化劑的品種對固化物的力學性能、耐熱性、耐水性、耐腐蝕性等都有很大影響。固化劑的品種對固化物的力學性能、耐熱性、耐水性、耐腐蝕性等都有很大影響，例如芳香多胺、咪唑、酸酐等固化劑固化環(huán)氧樹脂的耐熱性高于脂肪族多胺、低分子聚酰胺固化劑；芳香族酸酐固化環(huán)氧樹脂的耐水性優(yōu)于

8、芳香二胺和脂肪族多胺固化劑；三亞乙基四胺固化劑耐堿性好，但耐酸性和耐甲醛溶液性較差。脂環(huán)族多胺（如異佛爾酮二胺）固化環(huán)氧樹脂的耐藥品性優(yōu)良。酸酐固化劑固化環(huán)氧樹脂的耐堿性優(yōu)于耐酸性。應根據(jù)不同的用途和性能要求選擇適當?shù)墓袒瘎鉂蓙碚f，芳香族最好，脂肪族最差。此性質(zhì)受固化溫度的影響，隨溫度升高，光澤變好。至于柔軟性，官能基間距離長的聚酰胺更優(yōu)良一些，而交聯(lián)密度高的芳香胺則差。耐熱性與柔軟性正好相反，而粘接性則與柔軟性一致。耐藥品性（耐酸性）受化學結構影響，芳香族比較優(yōu)良，脂肪胺和聚酰胺則易受化學藥品腐蝕。耐水性受官能基質(zhì)量濃度的支配，官能基質(zhì)量濃度低、疏水度高的聚酰胺類更耐水，而官能基質(zhì)量濃

9、度高的芳香族則差一些。2.1.4阻聚劑 為了避免烯類單體在貯藏、運輸?shù)冗^程中發(fā)生聚合，單體中往往加入少量阻聚劑，在使用前再將它除去。一般，阻聚劑為固體物質(zhì)，揮發(fā)性小，在蒸餾單體時即可將它除去。常用的阻聚劑對苯二酚能與氫氧化鈉反應生成可溶于水的鈉鹽,所以可用5%10%的氫氧化鈉溶液洗滌除去。氯化亞銅和三氯化鐵等無機阻聚劑也可用堿洗除去。 阻聚劑分子與鏈自由基反應，形成非自由基物質(zhì)或不能引發(fā)的低活性自由基，從而使聚合終止。2.1.5脫模劑 脫模劑（mold discharging agent）是一種介于模具和成品之間的功能性物質(zhì)。脫模劑有耐化學性，在與不同樹脂的化學成份（特別是苯乙烯和胺類）接觸時

10、不被溶解。脫模劑還具有耐熱及應力性能，不易分解或磨損；脫模劑粘合到模具上而不轉(zhuǎn)移到被加工的制件上，不妨礙噴漆或其他二次加工操作。由于注塑、擠出、壓延、模壓、層壓等工藝的迅速發(fā)展，脫模劑的用量也大幅度地提高按脫模劑的化學成分可分為三類：無機物、有機物和高聚物。無機物脫模劑 如滑石粉、云母粉以及陶土、白黏土等為主要成分配制的復合物。有機物脫模劑 如脂肪酸皂(鉀皂、鈉皂、銨皂等)、脂肪酸、石蠟、甘油及凡士林等。高聚物脫模劑 如硅油、硅酯、聚乙二醇、低分子聚乙烯等。其脫模效果和熱穩(wěn)定性比有機脫模劑好得多。硅油、硅酯是最主要的脫模劑。2.2工藝流程圖 。2.3具體生產(chǎn)原料及配方實驗原料用量/phr備注聚

11、乙烯樹脂100SG 一 8型碳纖維45EVA-g-MAH/POE-g-MAH9接枝率0.8%CaCo315納米級復合穩(wěn)定劑4.5SP-01型改性劑10固化劑3阻聚劑0.3脫模劑0.5因每件樣品質(zhì)量不超過500g，故按照生產(chǎn)配方，取聚乙烯樹脂200g，碳纖維90g,碳酸鈣30g,其它原料依次類推。此樣品質(zhì)量=(200+90+18+30+9+20+6+0.6+1)g=374.6g該課程設計過程中主要實驗儀器和設備，如圖：實驗設備型號用途高速混合機SHR-10A物料預混，分散單螺桿造粒擠出機SJ180X25擠出造粒，以便注塑注射成型機HTF200J/TJ注射成型干燥箱101-5型烘干聚乙烯樹脂等2.

12、4單螺桿擠出造粒機本次課程設計采用的是 SJSH-57C 型雙螺桿擠出造粒機，主要技術參數(shù)，擠出造粒時各段機筒溫度，母粒效果等，下表。單螺桿擠出造粒機主要參數(shù)螺桿直徑/mm轉(zhuǎn)速/rpm長徑比/(L/D)驅(qū)動功率/KW18025-12025:190單螺桿擠出造粒機加熱溫度加料段/熔化段/均化段/機頭體/口模/140-150160-170170-180180-185180-1852.5注塑機結構及操作流程2.5.1注射成型機的結構2.5.2注塑機的基本參數(shù)注 塑 機 的 性 能 通 常 采 用 一 些 參 數(shù) 加 以 表 示 ， 其 基 本 參 數(shù) 有 注射 量 、 注 射 壓 力 、 注射速度、

13、注射時間、塑化能力、鎖模力、移模速度和合模裝置基本尺寸等。這些參數(shù)能較好地反映出注塑件的大小、物料種類和品級范圍，又是注塑模具設計和注塑機選用的依據(jù)。 型號 Unit YT-300T-G射出系統(tǒng)螺桿直徑mm606570理論射出容量Cm8488481154射出量(PS)g/0z788/27.8788/27.81073/37.8射出率Cm2/see288338392射出壓力Kgf/cm2202217231486螺桿轉(zhuǎn)速rpm0-200鎖模系統(tǒng)鎖模力tf300開模行程mm500最小模厚mm400/450最大開模距mm900/950模板尺寸mm1440*1060轉(zhuǎn)盤直徑mm1590模柱間距mm1060

14、*680頂出行程mm150頂出力量tf5.8其它最大液壓壓Kgf/cm175作動油量l720馬達電力kw37.5(50HP)電熱容量kw20機器外形尺寸mm4930*1930*3800機器總重kg13000 要求日產(chǎn)1500件樹脂基復合材料樣品，8h/班，一天24h，每小時的產(chǎn)量為：1500件/24h=62.5件/h，則每分鐘的產(chǎn)量為：62.5/60=1.04件。每件產(chǎn)品的質(zhì)量是381.6g，本課程設計選用的是HTF200J/TJC。2.5.3碳纖維/聚乙烯復合材料制備工藝路線 碳纖維/聚乙烯復合材料注射成型可采用兩步法和一步法兩種工藝路線。兩步法即先造粒后成型，其工藝流程如圖2-1所示。將經(jīng)

15、干燥處理和表面改性的碳纖維與基體樹脂置于高速 混合機中，經(jīng)充分攪拌后由單螺桿或雙螺桿擠出機擠出造粒，再注射成型。該方法可提高碳纖維在樹脂基體中的分散性，且造粒后加料也較容易，但會使整個工藝過程比較復雜。一步法(圖2-2)即采用表面改性后的碳纖維與樹脂經(jīng)高速混合后直接加料注射，可省去造粒這一工序，但這對設備的要求較高。具體的操作流程如下：（1）將碳纖維在恒溫110的干燥箱中烘干3h，其目的在于除去碳纖維中的水分和易揮發(fā)的組分。（2）將干燥好的碳纖維與聚乙烯以及其他輔料按配比稱量好后在高速混合機中混合8-10min，取出后在造粒機中造粒。（3）將所得的母粒放入恒溫的80的干燥箱中烘干12h，取出冷

16、卻后，添加固化劑、阻聚劑、脫模劑等其他助劑，攪拌均勻，加入注塑機進行注塑成型。2.5.4根據(jù)以上設計，確定生產(chǎn)技術路線為：2.6注塑機的操作流程2.6.1 注塑機的動作程序噴嘴前進注射保壓預塑倒縮噴嘴后退冷卻開模頂出退針開門關門合模噴嘴前進。2.6.2 注塑機的操作項目注塑機操作項目包括控制鍵盤操作、電器控制柜操作和液壓系統(tǒng)操作三個方面。 分別進行注射過程動作、加料動作、注射壓力、注射速度、頂出型式的選擇，料筒各段溫度及電流、電壓的監(jiān)控，注射壓力和背壓壓力的調(diào)節(jié)等。2.6.3 注塑機操作的注意事項養(yǎng)成良好的注塑機操作習慣對提高機器壽命和生產(chǎn)安全都大有好處。(1)開機之前檢查電器控制箱內(nèi)是否有水、油進入，若電器受潮，切勿開機。應由維修人員將電器零件吹干后再開機。檢查供電電壓是否符合，一般不應超過±15%。檢查各冷卻管道是否暢通，并對油冷卻器和機筒端部的冷卻水套通入冷卻水。打開電熱控制系統(tǒng)，對機筒各段進行加溫。當各段溫度達到要求時，再保溫一段時間，以使機器溫度趨于穩(wěn)定。保溫時間根據(jù)不同設備和