材料化学 课件 10-2.聚合物基复合材料制备

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聚合物基复合材料制备2模压成型工艺(CompressionMolding)(1)工艺特点及基本过程概念：将模塑料(粉料、纤维预浸料等)置于阴模型腔内，合上阳模，借助压力和热量作用，使物料熔化充满型腔，形成与型腔形状相同的制品，再经加热使其固化，冷却后脱模。该技术是热固性树脂基复合材料和某些热塑性树脂基复合材料的主要成型方法特点：优点

重复性好、成型时间短，效率高；

制品的内应力很低，且翘曲变形也很小，机械性能较稳定；

可成

型较大的平板状制品；

制品致密，质量高，收缩率低，尺寸稳定性较好；

生产效率高

缺点

不适合对存在凹陷、侧面斜度或小孔等的复杂制品采用模压成型；

模具制造复杂，投资较大，适合于

批量生产中小型复合材料制品基本过程：1）预压，主要目的是改善制品质量、提高模塑效率等。是将模塑粉或纤维预浸料等预先压制成一定形状的

操作过程；

2）预热，主要是改进模塑料的加工性能，缩短成型周期等。是把模塑料在成型前先进行加热的操作过程；

3）模压，将计量的物料加入模具型腔内，闭合模具，排出气体，在规定的模塑温度和压力下保持一段时间，

然后脱模，取出制品，清理模具11.2聚合物基复合材料制备(2)模压成型工艺a)模具准备通常为金属模具。脱模剂的涂刷，在模具型腔内、外涂刷脱模剂，常用脱模剂有油酸、石蜡、有机硅油等b)加料加料量严格定量。定量加料法有重量法、计数法和容量法。重量法准确，一般用于尺寸要求精确；容量法不如重量法准确，一般用于粉料计算；计数法只用于预压物料加料图11.5

模压成型工艺流程图c)合模合模分为两步：阳模未接触物料前，需低压(1.5~3MPa)、快速；当接触物料后，应开始放慢闭模速度，改用高压(15~30MPa)、慢速，以免损坏嵌件，并使模内空气排出d)排气将物料中残余的挥发物、物料带入的空气和水汽排除过程。其目的是为了保证制品的密实性，避免制品产生气泡和分层e)固化固化速度的快慢取决于树脂的分子结构。一般相对分子量低、支链少，固化剂容易与活泼基团反应，固化速度就快；反之，相对分子质量高，粘度大，不利于活泼基团缩合，固化速度就慢f)保压时间保压时间的长短决定制品的质量。过短，会导致树脂固化不完全，过长，则会产生内应力。通常保压时间在30秒到几分钟不等g)脱模脱模通常是靠顶杆来完成h)清理模具模压后将模具清理干净，清理后涂上脱模剂以便下次使用I)后处理保证树脂制品固化完全；减少制品水份及挥发物；消除制品的内应力等(3)模压成型工艺的应用模压成型工艺应用于制造卫星天线罩、车辆的外壳、保险杠、传动轴油盘、轮毂、弹簧片、全塑汽车车体、水箱、整体浴室、居室门、座椅等3缠绕成型工艺(FilamentWinding

)(1)概念及工艺特点概念：是一种将浸渍了树脂的纱或丝束缠绕在回转芯模上，常压下在室温或较高温度下固化成型的一种复合材料制造工

艺，是一种制备各种尺寸回转体的简单方法特点：优点

①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②比强度高；③可靠性高；④生产效率高；⑤成本低

缺点

①缠绕成型适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品；②制品强度方向性比较明

显，层间剪切强度低，对加工设备性能要求较高

(2)缠绕成型工艺（1）干法缠绕：采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。干法缠绕能够准确地控制产品质量。优点：生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min；工作环境较清洁，产品质量高。缺点：缠绕设备贵，需要增加预浸纱制造设备，投资较大；干法缠绕制品的层间剪切强度较低（2）湿法缠绕：将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。优点：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好；③纤维排列平行度好；④纤维上的树脂胶液可减少纤维磨损；⑤生产效率高。缺点：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③可供湿法缠绕的树脂品种较少（3）半干法缠绕：纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省去了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域图11.6

缠绕成型工艺流程图芯模缠绕控制胶槽及缠绕小车纤维图11.7

缠绕成型工艺设备示意图(3)缠绕成型设备芯模成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出芯模设计的基本要求要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；④制造简单，造价便宜，取材方便缠绕成型芯模材料分两类熔、溶性材料：是指石蜡、水溶性聚乙烯醇型砂和低熔点金属等，这类材料可用浇铸法制成空心或实心芯模，制品缠绕成型后，从开口处通入热水或高压蒸汽，使其溶、熔，从制品中流出，流出的溶体，冷却后重复使用组装式芯模材料：常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等，还有内衬材料。内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等缠绕机缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备，对缠绕机的要求是：①能够实现制品设计的缠绕规律和排纱准确；②操作简便；③生产效率高；④设备成本低(4)缠绕成型工艺应用缠绕成型工艺主要适合成型大型旋转体制品。如压力容器（气瓶、鱼雷壳体）、输送石油、水、天然气的化工管道及大型储罐；火箭发动机放热壳体等4拉挤成型工艺(Pultrusion)(1)概念及特点概念：将浸渍过树脂胶液的连续纤维束或带状织物在牵引装置作用下通过成型模定型，在模中或固化炉中固化，制成具有特定横截面形状和长度不受限制的复合材料型材方法。一般只将预制品在成型模中加热到预固化程度，最后固化在加热箱中完成。该工艺适于生产各种断面形状的型材，如棒、管、实体型材(工字形、槽形、方形型材)等特点：是连续成型，制品长度不受限制，力学性能尤其是纵向力学性能突出，结构效率高，制造成本较低，自动化程度高，制品性能稳定。与其他纤维复合材料成型方式相比，拉挤成型技术属于性能优异且经济的型材生产方式，非常适合大批量生产高质量的纤维复合材料型材(2)拉挤成型工艺典型的拉挤成型工艺：送纱、浸胶、预成型、固化成型、牵引和切割工序组成图11.8

拉挤成型工艺示意图(3)分类按工艺过程连续性，分为间断拉挤成型和连续拉挤成型。现代拉挤成型复合材料95%以上是采用连续拉挤成型(4)应用主要用作工字型、角型、异型截面管材，实芯棒以及上述断面构成的组合截面型材。主要用于电气、电子、化工防腐、文体用品、土木工程和陆上运输等5喷射成型工艺(Spray-up

Molding

)(1)概念及特点概念：将含有固化剂的树脂体系和含有引发剂的树脂体系分别从喷枪的两个喷嘴中喷涂到型腔内，与此同时，也运用喷枪上的切割器将连续纤维切成短纤维(25mm),待喷涂到规定的厚度，利用辊筒滚压，将其压实，固化成型制品，其中制品纤维的质量分数控制在30~40%左右为宜特点：优点

1)生产效率比手糊提高2~4倍(15kg/min);2)可用较少设备投资实现中批量生产；3)用玻璃纤维无捻初纱代

替织物，材料成本低；4)产品整体性好无接缝；5)可自由调变产品壁厚、纤维与树脂比例

缺点

1)现场污染大；2)制品树脂含量高；3)制品强度较低(2)喷射成型工艺玻璃纤维无捻粗纱聚酯树脂引发剂促进剂加热静态混合切割喷枪喷射成型模具辊压固化脱模图11.9

喷射成型工艺流程图(3)喷射成型工艺参数纤维：专用无捻初纱，含量控制在25~45%，长度一般为25~50mm;树脂含量和粘度：含胶量约为60%左右，含胶量过低，纤维浸润不均，粘结不牢；粘度在0.3~0.8Pa.s，触变度以1.5~4为宜，在此范围内胶液易于喷射雾化喷射量：应始终保持胶液喷射量与纤维切割量的比例适宜且稳定。喷射量与喷射压力和喷嘴直径有关，喷嘴直径在1.2~3.5mm之间选定，可使喷胶量在8~60g/s之间调变喷枪夹角：对树脂与引发剂在枪外混合均匀度影响极大，选用20

夹角为宜，喷枪口与成型表面距离350~400mm喷雾压力：要能保证两组分树脂均匀混合。适宜的压力同胶液粘度有关，若粘度在0.2Pa.s时，雾化压力为0.3~0.35MPa(4)应用喷射成型工艺适合于大型船体、机器外罩、汽车车身、浴盆、整体卫生间及大型浮雕产品等6树脂传递模塑成型工艺(ResinTransferMolding,RTM

)(1)概念及特点概念：是一种采用对模方法制备树脂基复合材料制品方法。该方法是通过压力将树脂注入密闭的模腔，浸润已排铺好的纤维织物坯件，然后固化成型。是一种不采用预浸渍料的成型方法特点：①可以制造两面光的制品；②成型效率高，适合于中等规模的玻璃钢产品生产（20000件/年以内）；③RTM为闭模操作，不污染环境，不损害工人健康；④增强材料可以任意方向铺放，容易实现按制品受力状况铺放增强材料；⑤原材料及能源消耗少；⑥建厂投资少，上马快。(2)RTM工艺预成型坯制造

将增强纤维按要求制成一定形状，然后放入模具中，一般是整体织物结构或三维编织结构充模

在模具闭合锁紧后，在一定条件下将树脂注入模具，树脂在浸渍纤维增强体的同时将空气赶出。当多余树脂从模具溢胶口开始流出时，停止树脂注入固化

在模具充满后，通过加热使树脂发生反应、交联固化，理想的固化反应开始时间是在模具刚刚充满时。固化应在一定的压力下进行开模

当固化反应进行完全后，打开模具取出制件，为使制件固化完全可进行后处理图11.10RTM成型工艺示意图(3)RTM成型控制主要工艺参数(a)注胶压力：在较低的压力下完成树脂压注。措施：降低树脂粘度、采用适当的模具注胶口和排气口设计、采用适当的纤维排布设计、降低注胶速率(b)注胶速率：高的注胶速率，有利于气泡的排除，提高生产效率，但伴随着压力的升高(c)注胶温度：高的注胶温度能缩短树脂的工作期；过低温度会使树脂粘度增大，使压力升高，阻碍树脂正常浸渗纤维的能力；较高的温度还有利于体系气泡的排出(4)RTM成型工艺对树脂工艺性的要求室温或较低温度下具有低粘度和一定的适用期(48h);树脂对增强材料具有良好的浸润性、匹配性；树脂不含溶剂或挥发物、固化无小分子物体放出；