层压成型工艺.doc

层压成型工艺1 层压成型的基本概念及工艺特点1.1 层压成型的基本概念 层压成型系指用成叠的，浸有或涂有树脂片状底材以及塑料片在加热，加压下制成坚实而又近于均匀的板状，管状，棒状或其它简单形状的制品。浸有或涂有树脂的底片也称为附胶材料。常用的底材有纸张，棉布，木材薄片，玻璃布或玻璃毡，石棉毡以及合成纤维的织物以及碳，硼纤维及陶瓷纤维等。所用的树脂绝大部分为热固性的，如酚醛树脂，环氧树脂，布饱和聚酯树脂等。另外为了改善性能及降低成本还可以加入碳酸钙，滑石粉以及氧化铝等填料。1.2 层压成型工艺特点层压成型是将多层附胶材料或塑料片材叠合在一起并送入压机中，在一定温度合压力下经过一段时间压制而成层压塑料制品，这种制品质量好，性能比较稳定，不足之处是间歇式生产。它的基本工艺过程包括叠料，进料（俗称“进缸”），热压，出料（俗称“出缸”）等过程，热压中又分预热，保温，升温，恒温，冷却等五个阶段。该工艺虽然比较简单，但如何控制制品的质量是个较复杂的问题，因此工艺操作上的要求是严格的。此法的不足是只能生产板状材料，而且规格受压机热板尺寸所限，不可能生产大于热板的制品。2 常用树脂的特性2.1 树脂的选择为了保证层压塑料制品具有良好的性能，通常对树脂提出一些要求。这些要求是由树脂的使用及加工性能所决定的，同时根据树脂的性质及其在复合塑料中的作用提出的。就树脂的形态来将，可以将它分为粉状，粒状，片状，有机溶液，水溶液，悬浮液，乳液等，而且液态材料种类不同其粘度也各不相同，树脂的处理方法及应用也不同，所以选用树脂是一个重要的先决条件。2.1.1 树脂的作用树脂的作用如下：（1）把不连续的基材粘结起来，从而使复合材料成为具有一定物理性能的整体。（2）使纤维填料不致发生屈曲变形，如细度68微米玻璃纤维，受压时是不稳定的，由于自重而发生屈曲。但是复合材料中，由于树脂的支撑作用而阻止了纤维的屈曲，使纤维在受压时仍有一定的强度。（3）保护纤维填料不受外界介质的侵蚀合腐蚀，从而有利于发挥纤维的优良性能。2.1.2 对树脂的性能要求对树脂性能的要求如下：（1）树脂对增强填料应有良好的粘附能力合润湿能力。（2）树脂本身要有良好的物理力学性能。（3）树脂固化时的收缩率应小，从而在复合材料中不致引起太多的微裂纹。（4）树脂应具有良好的工艺性能。2.2 常用树脂层压塑料制品常用树脂有：酚醛树脂，环氧树脂，有机硅树脂，氨基树脂，不饱和聚酯树脂等，此外也有少数其他品种树脂，如二苯醚甲醛树脂，芳烷基醚甲醛树脂，糠醛丙酮树脂，聚酰亚胺树脂等。3 底材与填料层压塑料制品除树脂之外的另一种重要组分是底材。目前国内的底材品种很多，但用得最广的是玻璃纤维及其织物，其它有纸张，棉布，石棉，碳纤维等。对底材的主要要求是：有良好的物理力学性能，成型加工性能。同时还需要有较广泛的材料来源，价格低廉，对操作及环境危害小等。3.1 玻璃纤维及织物玻璃纤维的主要成分是铝硼硅酸盐和钙钠硅酸盐两种，前者称为无碱纤维，后者称为有碱纤维，随后还生产了高强度纤维和高弹玻璃纤维等。有碱纤维原料来源广，生产成本低，对性能要求不高的制品可应用此种纤维。无碱纤维对水较稳定，它在吸湿后强度不会下降，只要放置一段时间或前干燥一下便可恢复，故常用于电性能与力学性能有一定要求的产品。3.2 其它底材和粉状填料3.2.1 纸张和纸板纸张和纸板都是由纤维素组成的，并且具有短纤维结构的片状材料。每平方米的重量在250克以下的称为纸张，以上则称为纸板。层压塑料制品常用牛皮纸，a纤维素纸，碎布浆纸等作为增强材料。牛皮纸强度和韧性高；a纤维素纸表面光滑，电绝缘性好，颜色鲜艳。纸对高聚物的增强作用不显著，主要用于绝缘层压复合材料的制造。3.2.2 棉布棉布具有较高的力学强度和均整性，所以可以用它制造质优，结构均匀的增强塑料，其中尤以层压塑料制品为最佳。3.2.3 石棉石棉具有耐酸，耐热，耐磨及吸湿后不变形等特点。它是硅酸盐的纤维物质。其缺点是不易被树脂浸渍，因此不能充分发挥作用制得强度较高的增强塑料，但石棉作增强材料一般表面不进行处理。3.2.4 木材木材价格便宜，又便于机械加工，所以是层压塑料最先采用的增强材料之一。木材的特点是比强度高，加工容易，来源广，价格低。缺点是吸湿，可燃，易腐朽和各向异性。常用酚醛树脂和脲醛树脂浸渍它生产层压塑料和胶合板。3.2.5 粉状填料在生产层压塑料时有时采用粉状填料，加入的目的在于：（1） 改良制品表面性能或赋予制品以某种特定性能（如加入石墨粉改进保温性能）。（2） 填堵空隙。（3） 增进湿强度。（4） 防止压制过程中树脂固化时产生过热现象。（5） 防止制品开裂和收缩率过大。（6） 增进制品受潮时的尺寸稳定性。通常用的粉状填料有：碳酸钙，二氧化硅，石墨粉，滑石粉，石棉粉等。4 附胶材料的制备附胶材料是用纤维填料或棉布，纸张底材等经树脂浸渍或涂拭后而制得的。为了使树脂与纤维填料之间有较强的粘附性，常用有机物偶联剂进行处理。4.1 底材的表面处理为了使玻璃纤维增强的塑料制品性能提高，必须改善它们之间的粘结力，一般需对玻璃纤维进行表面处理，处理的方法有：洗涤法，热处理法和化学法两种。4.1.1 洗涤法此法是用各种有机溶剂洗涤玻璃纤维或其织物表面上的浆料。常用的溶剂有：三氯乙烯，汽油，丙酮，甲苯，二氯乙烷等。洗涤后残留的浆料约在0.4左右，采用此法溶剂回收困难，又不安全，目前使用不多。4.1.2 热处理法此法是利用高温除去玻璃纤维或织物表面上的浆料。处理后的玻璃纤维呈金色或棕色，浆料的残留量约在0.1左右，强度损失约在2040，随着加热温度上升和时间的延长，强度越来越小，残留量也越小。热处理在工业上有两种方法：间歇式和连续式。连续处理时使用连续热处理炉，温度为350450，时间为35分。间歇式处理时，温度偏低而时间则延长，一般是280300，加热1525分，虽然玻璃纤维强度有部分损失，但因改善了树脂与玻璃纤维的粘接性，从而使制品的强度有所提高。4.1.3 化学处理法化学处理法即偶联剂处理法，一般有三种，即后处理法，前处理法和迁移法。（1） 后处理法先将玻璃纤维经热处理，使残留浆料小于1，再经偶联剂溶液处理，水洗和烘干，使玻璃纤维表面上涂上一层偶联剂，此法效果好，质量稳定，也较成熟，但需热处理，浸渍，水洗，热烘等多种设备，因此成本高。（2） 前处理法这种方法是将偶联剂加入浆料中，以便偶联剂在抽丝过程中粘附在玻璃纤维表面上，此称为增强浆料，常用的有聚酯酸乙烯酯型偶联剂。与后处理法比较可省去复杂的工艺设备，玻璃纤维轻度损失少，所以此法比较理想。但是很难找到一种偶联剂同时满足纺织物和制造增强塑料两方面的要求，因此有待进一步研究。（3） 迁移法迁移法又称整体渗和法，此法是将偶联剂直接加到树脂中去，再经过浸渍，涂胶与玻璃纤维或织物发生作用，这种方法简单，不要庞大设备，效果较前两种稍差，适用于缠绕和模压成型。4.2 底材的浸清渍涂拭除木材厚片材外，其它底材的浸渍或涂拭基本相同。无论哪一种方法涂胶都应达到如下三个目的：（1） 底材得到预定量的树脂溶液；（2） 树脂要均匀地涂拭在底材的各部位；（3） 尽可能使底材附胶材料少含空气。对品质有影响的因素是：树脂溶液的浓度（即固体含量），树脂粘度，挤压辊（或刮刀）对底材施加的压力，底材运行的速度和吸收树脂液的能力等。底材一般吸收树脂量约为2080，如果树脂量要求高时，需经二次或三次浸渍才能达到需要的树脂厚度。4.3 附胶底材的干燥用液状树脂浸渍或涂拭的底材必须经过干燥，才能制成附胶材料。干燥目的是：（1） 除去水分或溶剂；（2） 促进热固性树脂的化学反应，使之达到适当的流动性而便于成型。为了达到以上两个目的，对干燥温度，时间和附胶材料的运行速度及通入干燥室内的空气必须严格控制。4.3.1 加热方法（1）蒸汽加热通过换热器使热空气在底材周围形成对流。这种方法干燥速度慢，效率低。(2) 加热空气循环式(3) 红外线干燥机使用方便，但是运转费用高，除特殊品种外，一般不用。4.3.2 干燥形式通常干燥是连续进行的，设备分为两种，一种是卧式干燥机，另一种式立式的干燥机。卧式干燥机底材从一端进，另一端出。采用热空气干燥，并有冷风冷却，占地面积大。立式干燥机底材从底部进，底部出，占地面积小，干燥室的温度可调节，气流为自然流向式，热效率高，而且溶剂可以回收，但结构复杂，投资大。4.4 附胶材料的树脂含量与测定底材上树脂的多少直接影响到底层塑料的性能。所以在生产中控制树脂含量是十分重要的。对于树脂含量的测定通常用射线测厚仪进行，根据涂拭前与涂拭后的密度不同测出树脂的含量，并调节涂拭或浸渍树脂的含量大小。5 层压制品的成型层压成型是将多层附胶底材叠合并送入到多层热压机中，在一定温度和压力下，经过一定的时间压制成塑料制品。这种方法是比较成熟的，得到的制品质量好，性能比较稳定，缺点是间歇式生产作业，且产品尺寸受热板规格所限制。层压热固性塑料的成型介绍如下。板材成型工艺过程分为叠料，进模，热压，出模，加工和热处理等。5.1 叠料叠料时首先对所用附胶材料进行选择，选用的附胶材料应是浸渍均匀，无杂质，树脂含量复合要求，而且树脂的固化程度也应达到规定的范围。接着是剪裁与叠层，即将附胶底材按制品的预定尺寸（长度均比制品要求的尺寸大出7080毫米），裁成片并按预定的方向叠成板坯所用附胶材料的张数，但是由于附胶材料质量的变化，往往不容易准确，因此一般采用张数和重量相结合的方法来确定制品的厚度。为了改善制品的表观质量，也有在板坯两面专加专用附胶底材，每面约加23张。表面胶布专用材料俗称为“面子”，不同于一般附胶材料，它含有脱模剂，如硬脂酸锌，而且含胶量也较大，这样制成的板材不但外观美观，而且防潮性能也好。将附胶材料叠成片时，其排列方向可按同一方向排列，也可以按互相垂直排列。用前一种排列方向，制品性能各向异性，用后一种排列，制品性能各向同性。叠好的板坯应按下列顺序集合合成压制单元：金属板衬纸单面钢板板坯双面钢板板坯双面钢板板坯单面钢板衬纸金属板。金属板为普通钢板，也有用合金铝板的，但表面应力求平整。单面和双面钢板是不锈钢板制成，凡与钢坯接触面应十分光滑（一般经磨光或抛光过），否则制品表面就不十分光滑，也不易脱模。放置板坯前，钢板上要均匀地涂上脱模剂。施放纸张的目的是使板坯均匀受热受压。5.2 进料将多层下动式压机的下压板放在最低位置，而后将装好的叠合本单元分层推入多层层压机的热板中去，再检查一下板坯在热板中的位置是否合适，然后闭合压机，开始升温升压进行压制。5.3 热压开始热压时，温度与压力均不适宜太高，否则树脂易流失，在压制玻璃布层压板时有时会出现滑缸现象。压制时，聚集在板坯边缘的树脂如已不能被拉成丝，即可按照工艺参数要求提高温度与压力。温度和压力丝根据树脂的特性用实验方法确定的，压制温度控制一般分为五个阶段。（1） 预热阶段温度丝指从室温到固化反应开始的温度。预热阶段中，树脂发生熔化，并进一步浸透底材，同时还排除了一部分挥发物。施加的压力为全压的1/3-1/2。（2） 保温阶段使树脂在较低的反应速度下进行固化反应，直到板坯边缘流出的树脂不能拉成丝时为止。（3） 升温阶段这一阶段是自固化开始的温度升到压制规定的最高温度，升温不宜太快，否则会使固化反应速度加快而引起成品分层或产生裂纹。（4） 恒温阶段当温度升到规定的最高温度后保持恒定的阶段。这一阶段的作用使保证树脂充分固化，而使制品性能达到最佳值。保温时间取决于树脂的类型，品种和制品的厚度。（5） 冷却阶段即当板坯中树脂已充分固化后进行降温准备脱模的阶段。降温可以在热板中通过冷却水，也可以自然冷却。降温冷却应在保持压力的情况下直到冷却完毕为止。五个阶段中温度与时间的变化情况如下图所示：五个产品中施加的压力随所用树脂的类型而定。例如酚醛层压塑料板层压压力为121兆帕，聚邻苯二甲酸二丙酯树脂层压板选用压力为7兆帕左右。压力的作用使除去挥发物，增加树脂的流动性，使玻璃布进一步压缩，防止玻璃布增强塑料在冷却过程中变形等。5.4 产品的取出当压制好的板材温度已降到60时，即可依次推出压制单元，并取出产品。5.5 加工加工的目的时去除压制板材的毛边，一般在3毫米以下的板材用剪裁机，大于3毫米以上的板材用锯板机进行。5.6 热处理热处理是使树脂充分固化的补加措施，目的是提高制品的力学