简析模压成型工艺类别及影响工艺优化方向的因素

  • 2019-02-26
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模压成型工艺是利用树脂固化反应中各阶段的特性来实现制品成型的,即模压料塑化、流动并充满模腔,树脂固化。在模压料充满模腔的流动过程中,不仅树脂流动,增强材料也要随之流动,所以模压成型工艺的成型压力较其他工艺方法高,属于高压成型。本文简述了模压成型的原理及反应阶段,并对工艺进行了分类梳理。

       摘要:模压成型工艺是利用树脂固化反应中各阶段的特性来实现制品成型的,即模压料塑化、流动并充满模腔,树脂固化。在模压料充满模腔的流动过程中,不仅树脂流动,增强材料也要随之流动,所以模压成型工艺的成型压力较其他工艺方法高,属于高压成型。本文简述了模压成型的原理及反应阶段,并对工艺进行了分类梳理。

  模压成型工艺开始于1909年,初时主要用于生产酚醛树脂复合材料制品,而随着1960年片状模塑料(SMC)和团装模塑料(BMC)等的出现,工艺进一步优化,复合材料成型工艺中应用比例仅次于手糊、喷射和连续成型,位列第三。

  模压工艺加工制品分粘流和硬固两阶段成型

  模压工艺生产制品时,物料外观形态发生变化的同时,其结构和性能也会发生质的变化,变化的组分主要是树脂,增强材料组分基本保持不变。模压工艺主要是利用树脂固化反应两阶段的不同特性来实现制品成型的。

  (1)“粘流阶段”主要改变树脂的外观形态,结构和性能不发生质变。当模压料在模具内被加热到一定温度时,其基体框架的主材树脂将熔化成为粘流状态,并在压力作用下会包裹玻璃纤维共同填满模腔,该阶段称为工艺的“粘流阶段”。

  (2)“硬固阶段”的树脂发生化学交联,使基体变为带有弹性的不溶不熔结构。模具内温度继续升高,达到一定温度后,树脂分子间开始发生化学交联反应,待分子间产生网状结构后,树脂的流动性将会降低,并且出现弹性性能,随着温度的继续升高,到最后基体失去流动性,变为不溶不熔的体型结构,该阶段称为工艺的“硬固阶段”。

  模压成型工艺共有九种,由简至繁分为三类

  模压成型工艺按照材料组分的不同、排列形态不同,可以分为短纤维预混料、毡料、碎布料、层叠、缠绕、多向织物、定向铺设、吸附预成型坯、片状模塑料(SMC)和团状模塑料(BMC)等模压成型法。其中,前三种工艺较为粗糙、应用较早;第四到七种技术有了一定的进步,结合其他成型工艺或物理性质的应用,形成了复合模压成型工艺;最后两种目前较为常用,由于框架材质更换为不饱和聚酯树脂和玻璃纤维毡,在模压工艺中易出现起泡、褶皱等问题,对模压过程中的压力和温度,以及材料的补充上面要求较高,在所有模压工艺中最为复杂。

  (1)早期工艺粗糙、产品简单,物料主材为酚醛树脂,主要有短纤维预混料模压法等三类工艺。其中,短纤维预混料模压法基体多采用酚醛树脂、环氧树脂、改性环氧树脂等,纤维含量较高(50%~60%),主要用于制备高强度刹车盘、耐腐蚀和耐高温性能高的特殊制品;毡料模压法工艺有一定进步,但制品仍较简单,其基体也多为酚醛树脂,工艺特点是将玻璃纤维毡浸渍后烘干成预浸毡后,裁剪成订制形状压制成型,适用于成型形状较简单、厚度均匀的薄壁大型制品;碎布料模压法主要是作为玻璃纤维布料的延伸工艺而存在的,制品较为简单,该法工艺特点是可将边角料(玻璃纤维布、麻布、有机纤维布等)浸渍树脂胶液后,压制成产品,适用于成型形状简单性能的制品。

  (2)中期采用复合工艺或结合物理特性,产品为特殊制品,主要有层叠模压法等四类工艺。其中,层叠模压法结合层压法和模压法,该法的特点是将预浸树脂的玻璃纤维布裁剪后,叠在一起压制成型,适用于定制的大型薄壁制品或形状简单且特殊要求的制品;缠绕模压法结合缠绕法和模压法,该法主要特点是将预浸的玻璃纤维缠绕在内模型中,浇入树脂液通过外模型压制成型,适用于有特殊要求的管材或回转体截面制品;多向织物模压法特点是预先将玻璃纤维织物织成二或三维,能有效提高层间性能,是制作具有特殊性能要求的模压制品的一种有效途径;定向铺设模压法特点是结合物理特性,将预浸料按主应力方向铺设后模压成型,纤维含量可达70%,制品强度高,适用于成型单向强度要求高的制品;吸附预成型坯模压法则结合吸附法和模压法,特点是用吸附法将玻璃纤维制成制品形状,后置入模具内倒入树脂糊压成制品,适用于成型形状较复杂的制品。

  (3)现期框架主体组分为不饱和聚酯树脂和短切纤维的交联体,主要有片状模塑料(SMC)模压法和团状模塑料(BMC)模压法两类工艺。两类工艺原料类似,而成型形状则不一致,是由不饱和聚酯树脂、短切纤维、填料以及各种添加剂构成的、经充分混合而成的片状或团状预浸料。其中团状模塑料中加入有低收缩添加剂,从而使制品的外观性能更加突出。

  材料组分改性和物理学应用影响工艺优化方向

  从三期工艺来看,早期模压工艺通过改变玻璃纤维的预浸料形状改进工艺;中期则结合层压法、缠绕法,以及当时较为先进的定向排列和吸附法等寻求突破;现期在将主料更换为不饱和聚酯树脂和玻璃纤维毡后,工艺的复杂程度和模具材质进一步提高,产品特性也大为改进,广泛的应用于各工业和人们的日常生活中;未来产品在追求轻量化和增强性能的过程中,组分材料的替换如改性树脂和轻质化填料,将进一步增加工艺的复杂程度。

  结语

  模压成型工艺制品分粘流和硬固两阶段成型,前者主要为形状变化,后者形状变化的同时,伴随化学反应的产生,使树脂分子间交联固化;模压成型工艺分为早期、中期和现期三类,共九种工艺;从三期工艺发展历程来看,材料组分改性和物理学应用影响工艺优化方向。


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