1、高分子材料成型加工,教材與教學(xué)參考書,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,

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(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

3、自動(dòng)化。 制品質(zhì)量好，不會(huì)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(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。 太小：難于在壓

4、力下充滿型腔，造成缺料，不能模壓大型、復(fù)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(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

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(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

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(yù)壓。 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(jī) 壓機(jī)的作用： 通過模具對(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

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(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）無支撐面 1-陽(yáng)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(jì)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(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、無粉塵； 降低壓縮率，可減小模具裝料室和模

9、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

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(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“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

11、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(dá)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(shí)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(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，通常靠頂出桿來完成。（問題：熱塑性塑料呢？） 熱脫模須注意兩個(gè)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(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(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)

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(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)間高溫將使樹脂降解。 模壓時(shí)間太短：硬化不足，外觀無光，性能。 一般，PF、

15、UF的模壓時(shí)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(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(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 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,

17、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。可用遲效性促進(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)入模具后加熱開始到開始 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(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）過硫期 進(jìn)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(shì)不同。 進(jìn)入過硫的早晚，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