聚合物成型加工-(4).ppt

1 2020 4 20 第四章压缩模塑 4 1概述4 2成型前的准备工作4 3压缩模塑用的设备4 4模压过程与操作方法4 5模压成型的控制因素4 6冷压烧结成型 2 2020 4 20 4 1概述一 简介压缩模塑又称压制成型 模压成型 是目前四大成型方法之一 它不但可以成型热固性塑料制品 还可以成型热塑性制品 主要用来制造热固性塑料和一些流动性较差的或熔体粘度较大的热塑性塑料 3 2020 4 20 4 2020 4 20 5 2020 4 20 成型热固性塑料 加热加压 熔融流动 充模 交联固化 开模取出制品 成型热塑性塑料 加热加压 熔融流动 充模 冷却 硬化定型 6 2020 4 20 二 压缩模塑的优点 1 相对于其它成型方法来说 工艺成熟 过程简单 容易掌握 2 可模塑较大平面的制品和利用多腔模生产大批量的小制品 3 制品各向同性 制品密实度高 4 制模费用低 较经济 7 2020 4 20 三 缺点 1 生产周期长 效率低 2 尺寸准确性差 每次生产的制品尺寸都有差异 公差大 不适宜制造尺寸准确性要求高的制品 3 制品内应力大 物料内部温度分布不均匀 不太适合用于较厚制品生产 4 自动化程度较差 工人劳动强度大 8 2020 4 20 4 2成型前的准备工作一 塑料的贮存应注意吸湿性 贮存温度和贮存时间等问题 1 吸湿性要求有严密的包装 贮存库房的相对湿度最好不超过70 对脲甲醛等易吸湿的塑料则更需要严加控制 9 2020 4 20 2 贮存温度贮存温度一般不超过25 特别是热固性酚醛树脂基塑料 尿甲醛塑料等 温度过高会使其化学反应继续推进 从而使其性能下降 10 2020 4 20 3 贮存时间贮存时间不宜过长 否则树脂的化学反应也可能继续推进 使原料变质 其中尿甲醛树脂贮存最好不超过三个月 热固性酚醛树脂基塑料应不超过六个月 热塑性酚醛基塑料 如包装良好 放置在阴凉干燥处 三年后尚可使用 但其流动性下降 故不宜贮存太久 11 2020 4 20 二 预压1 定义 将松散的粉状或纤维状塑料预先用冷压法压成重量一定 形状规整的密实体的操作成为预压 所压的物料称为预压物 12 2020 4 20 2 要求 a 形状 无严格的限制 一般以能用整数而又能十分紧密的配入模具中为最好 通常是圆片形 扁球形或与制品形状相仿等 b 密度 达到制品密度的80 因为这种密度的预压物传热好 并有一定的强度 经得起运转 3 预压原因 主要是针对压缩模塑周期长 效率低的特点而采取的措施 13 2020 4 20 4 好处 a 加料快 准确简单 b 降低了塑料的压缩率 从而减少了模具的装料室 简化了模具的结构 压缩率 制品的比重 塑料的表观比重 1 3 粉的体积 制品的体积c 避免粉尘飞扬 d 预压物中的空气含量少 使传热加快 缩短加热和固化时间 e 便于运输 f 改善预热规程 g 便于成型较大或带有精细嵌件的制品 14 2020 4 20 5 缺点 需要相应的工艺和设备 在压制复杂或混色斑纹的制品时还不如直接用粉状物料好 6 常用的预压设备 偏心式预压机 旋转式预压机和液压式预压机 15 2020 4 20 7 预压的选择 所谓预压性是指塑料的压缩能力 它依赖于它的水分 颗粒的均匀度 倾倒性 压缩率 润滑剂含量以及预压的温度与压力 a 水分的影响 水分含量很少时不利于预压 很大时对模压不利 使制品质量变差 含量一般要求3 4 5 左右 16 2020 4 20 b 颗粒均匀度的影响 预压时希望压缩粉的颗粒最好大小相间 大小颗粒分布要适中 各占一半最好 如果出现过多的大颗粒 会使预压物中含有很多空隙 强度不高 如果细颗粒过多 容易使加料装置发生阻塞 或使空气封入预压物中 17 2020 4 20 c 倾倒性 以120克压缩粉通过标准漏斗的时间来表示的 这一性能是保证重力流动将料斗中压缩粉准确的送到预压模中的先决条件 用作预压的压缩粉 其倾倒性应为20 30秒 倾倒性差 加料不便 18 2020 4 20 d 压缩率压缩率太大 压缩料比重小 含有大量空气 在预压时排气困难 形成气垫 给预压造成麻烦 太小 无需预压 故应控制在3 0左右 19 2020 4 20 e 润滑剂润滑剂的存在有利于预压物的脱模 且外形美观 但含量过多会使制品性能降低 f 预压的温度 一般预压是在不加热的情况下进行的 但对室温下不易预压时 可将温度提高到50 90 20 2020 4 20 g 预压压力 一般39 196MPa 其大小取决于压缩粉的性质和预压的形状与尺寸 21 2020 4 20 22 2020 4 20 三 预热与干燥1 作用 干燥 除去水分和挥发物 预热 提供热量便于模压 热塑性塑料 干燥 热固性塑料 预热和干燥 且以预热为主 23 2020 4 20 预热是针对模压周期长 制品质量差而采取的措施 制品质量差是指物料在模腔中受热不均匀 固化速率不一 制品内应力大 性能不均一 所以预热是预先给物料加热以提高物料的整体温度 24 2020 4 20 预热的好处 a 缩短模塑时间 加快固化速率 b 增加制品固化的均匀性 提高制品的物理机械性能 c 提高塑料的流动性 降低模塑损耗和废品率 d 可以用较低的压力进行模压 因此可以用较小吨位的液压机模压较大的制品 25 2020 4 20 2 预热和干燥的设备和操作常用方法有 热板加热 烘箱加热 红外线加热 高频加热等 红外线加热 缺点 物料传热不均匀易烧伤表面 优点 使用方便 设备简单 成本低 温度控制比较灵活 远红外加热的优点是 不受物料厚度 形状限制 26 2020 4 20 高频加热是利用被预热物作为电容器介质原理 对塑料进行加热 它只适用于极性分子 优点 不受物料厚度 形状的限制 加热均匀 容易调节 能自动化 能显著的缩短预热时间 缺点 电热效率不高 水分不易驱尽 27 2020 4 20 4 3压缩模塑用的设备一 压机模压成型通常是在油压机上进行的 作用是对塑料进行加热 加压 起闭模具和顶出制品 液压机的主要参数 1 公称吨位 表示压机的总压力 G D2 4 P 1000 P 油泵最大输出压力D 主机柱塞直径油压机的实际吨位一般是公称吨位的80 90 原因是柱塞运动要克服阻力 消耗能量 压机的密封性差也消耗能量 28 2020 4 20 2 压板尺寸 确定压模外形尺寸 长 宽 3 工作行程 柱塞上下运动距离 决定压模的厚度 高 4 电热功率 确定成型加工最高温度 液压机的分类 a 上动式液压机b 下动式液压机 29 2020 4 20 1 从液压结构上分 上压式 下压式 特种液压机 特种液压机包括 角式液压机 层压机 压铸机等 2 从机架结构上分 柱式 框式 3 从操作方式上分 手动 半自动 全自动 4 从传动方式上分 机械液压式 液压式 30 2020 4 20 31 2020 4 20 32 2020 4 20 二 塑模1 作用 赋予制品形状的工具 又是热固性塑料由线形结构转变为体形结构的场所 33 2020 4 20 2 分类 a 溢式模 特点 没有专用的加料室 模具的型腔就是加料室 模具有支承面适用 压缩率小的物料或预压物料 而不适用于强度要求很高的制品 只能适合于扁平的或碟状的制品 另外制品带有毛边外观较差 优点 操作容易 结构简单 造价低 34 2020 4 20 2 不溢式模特点 无溢料缝 有装料室 无支承面 因此 要求加料量要准确 由于没有支承面 制品的密实度高 而且还适合于成型流动性差的物料或压缩率比较大的塑料 优点 没有溢料痕迹 制品的外观较好 缺点 a 模具结构复杂 要求尺寸准确 造价高 b 易磨损 阴阳模之间有一定配合 影响模具寿命 35 2020 4 20 3 半溢料式模半溢模 有些溢料 但溢料上可从模具结构加以限制 它可以克服上述两种模具部分缺点 分类 a 无支承面 这种模具和不溢料式相似 不同是型腔上部有一定锥度 能够进行溢料 因此加料量要求过量一些 且压机压力全施加在制品上 因此制品尺寸较准确 制品的质量比较均匀密实 36 2020 4 20 b 有支承面 这种模具与溢料式模相同 但设有加料室 因此可压制压缩率大的物料 由于有支承面 仍然不适合压制抗冲击性 强度要求高的制品 而且产品带有毛边 优点 模具不易损伤 37 2020 4 20 38 2020 4 20 4 4模压过程与操作方法模压工序可分为加料 闭模 排气 固化 脱模 模具洗理等 一 嵌件安放制品若带有嵌件 则第一个工序就是嵌件的安放 嵌件通常是作为制品中的导电元件或是制品与其它物体相互连接的部件 嵌件安放要求准确 平稳 39 2020 4 20 二 加料要求定量加料 若加多了 制品的毛边厚 尺寸准确性差 难以脱模 并可能损坏模具 若加少了 制品不稳定 光泽差 甚至造成缺料而产生废品 40 2020 4 20 方法 a 重量法 比较准确 但比较麻烦 当制品尺寸要求准确或采用碎屑状 纤维状物料时 需要用重量法定量加料 b 容量法 不如重量法准确 但操作方便 一般用于粉料计量 在加粉料时 应在型腔中部堆得高一些 以便于排气 c 计数法 只适用于预压物的加料 41 2020 4 20 三 闭模合模时先用快速 待阴阳模快要接触时改为慢速 若此时仍用快速 则可能出现两种不良现象 a 由于快速合模 空气迅速排出 可能使一些粉状物料冲击型腔 b 合模过快 空气不能充分排出 形成不正当的高压 使模具中的嵌件发生位移 严重时甚至损坏成型拉杆或型腔 42 2020 4 20 四 排气1 定义 模压热固性塑料 常有水分和低分子放出 为了排出这些低分子物和挥发物以及模内的空气 在模压到适当时候 可以卸压松动模具 将低分子挥发物排出 这种操作称为排气 2 原因 能缩短固化时间 提高制品的物理机械性能 避免制品内部出现分层和气泡 3 排气的时间与机会要根据需要而定 通常1 2次 时间为几秒到十几秒 43 2020 4 20 五 固化1 对热塑性塑料 只需要把模具温度冷却下来 使塑料转变为玻璃态或脱模时不发生形变即可 2 对热固性塑料 在模压温度下 保持一段时间 使树脂充分交联 经过一段时间保压 保温 使制品固化变硬 3 固化时间称为保温保压时间 其长短取决于塑料种类 制品厚度 预热情况和模压温度 以及模压压力 一般需实验确定 44 2020 4 20 六 脱模借助于液压机顶出杆来推动压模的顶出机构 将制品从模具中顶出 若压机没有顶出杆 则需要专用脱模装置 七 模具清理脱模后 通常用压缩空气吹洗模腔和模具模面 若有残留物 还需要用铜刷 铜铲进行清理 绝不可用铁制的 45 2020 4 20 模压生产的工艺流程 46 2020 4 20 压缩模塑工艺条件的设定 1 了解原料 机械 模具 2 设定工艺流程参数 3 上机实验 4 修订工艺流程和参数 原料 性能参数 配方 机械 种类 特点 模具 形式 材料 加热方式 47 2020 4 20 4 5模压成型的控制因素主要是模压压力 模压温度和模压时间以及加料量的控制 一 模压压力1 作用 a 使塑料在塑模中加速流动 b 增加塑料的密实度 c 克服树脂在交联反应之中放出的低分子物以及其它挥发物所产生的压力 避免出现肿胀和脱层缺陷 d 紧密闭合模具 使制品具有固定的尺寸 形状和最小毛边 e 防止制品在冷却时发生变形 48 2020 4 20 2 模压压力的确定取决于塑料种类 模温 制品形状和尺寸以及其它工艺条件 a 塑料的流动性越小 硬化速率与快 压缩率越大 需施加的压力越大 b 制品形状越复杂 深度越大 面积越大时 需施加的压力越大 c 预热的塑料比未经预热的需施加的压力小 因前者流动性大 d 在一定范围内 提高模具温度可有利于模压压力的降低 但模温过高 靠近模壁的塑料会过早固化而使它对降低模压压力没有作用 49 2020 4 20 注意 一般 增大压力 除有利于增大物料的流动性外 还使制品更紧密 成型收缩率低 力学性能好 但模具压力过大 对模具使用寿命有影响 并增大设备功率消耗 也会降低制品的质量 若压力过小 不能克服交联反应中放出低分子量的压力 也会降低制品性能 50 2020 4 20 3 各压力间关系压机的吨位 G有 APmn 1000 0 8 0 9 GG有 压机有效吨位 A 制品的最大压制面积 Pm 模压压力n 模具内加料室的个数 51 2020 4 20 例 若采用单型腔不溢式压模 用酚醛压缩粉模压如下图所示的制品时 应采用多大吨位的液压机 解 A 62 113cm2n 1 Pm 275kgf cm2G有 113 275 1 1000 31吨31 0 8 38吨根据计算 可选用45吨的液压机因为压机规格是系列化的 254565100 52 2020 4 20 如果压机选定了 而且模压时使用的液压又没有达到压机规定的最高压力 这时可通过模压压力来计算油压机的表压 Pg Pm Am R2 4Am D2Pg 油缸的油压 即表压R D 分别是主油缸柱塞的半径和直径Am 模具型腔在受力方向上投影面积 53 2020 4 20 4 模压压力的变化以有支承面半溢式模为例 讨论压力和体积变化情况 54 2020 4 20 a 第一阶段施压阳模接触到塑料后 塑料所受的压力逐渐上升 而当溢料发生后 压力开始回落 直到阳模闭至支撑面时 压力的回落停止 这时塑料所受压力可能地低于计算值 因为压机所施的总压是型腔中塑料和支承面共同承担的 在这一阶段内 疏松的塑料逐渐变密实 体积缩小 55 2020 4 20 b 第二阶段 塑料受热塑料受热发生膨胀 但由于有支承面 型腔体积不变 所以物料的热膨胀只能反映为压力的增加 56 2020 4 20 c 第三阶段固化由于物料发生交联固化反应 物料发生收缩 压力又开始下降 下降的大小取决于收缩的程度 甚至压力完全会消失 虚线表示 57 2020 4 20 d 第四阶段卸压压力下降后 制品的体积因弹性回复而有所增加 如果收缩过大 体积不发生变化 58 2020 4 20 e 第五阶段制品冷却制品体积因冷却而下降 59 2020 4 20 二 模压温度由于模压温度和时间关系密切 因此放在一起讨论 1 模温的作用 a 使塑料熔融 变成流体 b 提供足够热量 使热固性塑料发生交联反应 60 2020 4 20 温度对流动性的影响 当合模后 模内的塑料温度是逐渐上升的 在上升过程中 塑料主要由固体转变为熔体 粘度逐渐由大变小 流动性由小变大 然后 塑料交联反应逐渐开始 而且随料温的升高交联反应迅速增大 这时聚合物的粘度有小变大 最后失去流动性 因此在流动性 温度曲线上有峰值出现 根据流动性与温度的关系 在闭模后 必须迅速增大成型压力 使物料在温度不很高 流动性又比较大的情况下迅速充模 61 2020 4 20 2 料温的变化料温是随时间增大的 并且在固化开始后 料温将超过模具温度 这是由于塑料固化放热效应引起的 然后随固化反应的完全 料温开始下降 最终等于模具温度 62 2020 4 20 3 模温与模压时间的关系模压时间 一般指从升温加压开始到固化完全为止的时间 实践证明 模压温度越高 固化速率越快 模塑周期越短 但过高的温度会因固化速率过快 使得塑料的流动性迅速降低 并引起充模不满 特别是形状复杂 薄壁 深度大的制品 这种现象更加明显 63 2020 4 20 模温高固化不均匀 在模压厚度较大的制品时 常不采用提高温度而是采用降低模温延长模压时间的方法保证产品质量 模温低 固化慢 模压时间长 而且效果差 也会发生肿胀 固化不完全 制品外层受不住内部挥发物产生的压力 64 2020 4 20 4 模温 时间的确定模温主要取决于塑料的种类以及制品的形状 厚度 其它工艺条件 主要指模压压力 预热 预压 模温也可以由物料DSC曲线上固化放热峰作个参考 根据实践经验 在选择模压成型的工艺条件时 可以从模压压力 温度和时间三者中先固定一个条件 如按经验选定成型压力 然后再变化成型的温度和时间 从实验中找出合理的条件来 65 2020 4 20 模压成型不正常现象分析 66 2020 4 20 4 6冷压烧结成型冷压烧结成型又称模压烧结成型 它主要用于PTFE的成型 方法是 先将一定量的氟塑料放入常温下的模具中 然后加压 使其变成密实的型坯 接着送进烘箱内进行烧结 冷却后即成制品 67 2020 4 20 一 树脂的选择悬浮法PTFE 颗粒直径为35 500 m 主要用模压烧结法成型制备尺寸 形状较大的制品和定向薄膜 分散法树脂 生产薄壁制品或用于喷涂 流涎 浸渍 两者区别 分散法比悬浮法树脂颗粒小 热稳定性差 68 2020 4 20 二 粉碎过筛氟塑料在贮存 运输中很容易结团 成型前必须进行粉碎 过筛 否则会造成 a 成型时团与团间有明显界面 制品在界面处容易开裂 b 加料不均 69 2020 4 20 三 加料 冷压成型称取一定量树脂 均匀的加入模槽内 然后闭模加压 为了避免制品产生夹层和气泡 在升压过程中要进行放气 最后还要保压一段时间 使压力传递均匀 一般冷压压力为25 50MPa 保压时间为3 5min 大而长的制品10 15min 保压完后缓缓卸压 取出制品 卸压不能过快 防止强烈回弹 引起制品的破裂 70 2020 4 20 加料予成型中应注意的问题 a 加压 卸压不能过快 加压速度过快 制品各处受压不均匀 密度不一致 烧结时内应力大 容易产生夹层和气泡 直径大而长的型坯升压速度应慢 反之则快 慢 5 10mm min 快 10 20mm minb 加料要一次性加完 否则界面容易开裂 71 2020 4 20 四 烧结烧结是将强度很低的型坯 缓慢加热到327 以上 并保持一段时间 使分散的颗粒相互扩散 并熔结成一个密实整体 此过程是相变过程 乳白向弹性透明体 烧结过程分为两个阶段 72 2020 4 20 a 升温阶段 将型坯由室温加热到烧结温度的过程 由于四氟传热性差 因此升温不能太快 否则会造成 i 型坯各部分膨胀不均 易使制品产生内应力 出现裂纹 ii 可能造成内生外熟现象 但升温太慢会使生产周期延长 73 2020 4 20 升温速度 对大型制件 30 40 h 直到380 39