武理工复合材料工艺与设备教案04 FRP模压成型工艺及设备

第四章FRP模压成型工艺及设备教学参考资料武汉理工大学精品课程1.复合材料模压成型工艺优缺点优：①高温高压成型，强度高；②产品质量稳定、性能好；③能生产结构外形复杂的产品，一次成型，无须二次加工，主要用于GRP产品形制品的成型；④生产效率高，可实现机械化、自动化，适合大批量生产；⑤制品尺寸精确，表面光洁。缺：①产品规格易受设备限制，一般适于制备中、小型GRP制品或GFRP制品的适中；②设备投资较大；③模具设计与加工较困难。3、目前我国在模压、工业中存在的问题：①没有定型产品，定型产品不多；②模压料的生产工艺落后；③产品的设计。4、GRP模压成型，按目前模压料材料的物理形态，可分为六种类型：①纤维料模压法：预混料，预浸料；②铝料模压法；③碎布料模压法；④层压模压法；⑤缠绕模压法；⑥织物模压法。4.2模压料的制备模压料是模压成型中的原材料或半成品。在模压工艺中，所用的模压法，是有的同形式二模压料。我们主要介绍纤维料模压法中的纤维模压制。一、模压料的组成（纤维+树脂+辅助剂）1、树脂主要酚醛、环氧、环氧-酚醛、聚酯树脂等。（模压成型对树脂的成本要求加了点）2、增强材料纤维型增强材料有开刀丝，无捻粗纱，加捻沙，高硅氧纤维、CF等。2、辅助剂包括稀释剂、GF表面处理剂、填料、脱模剂剂及颜料等。4、模压料典型配方举例：配方1、2、3、4、5。二、模压料的制备工艺纤维模压料的制备一般有两种方法，即预混法和预浸法，相应得到的是预混料和预浸料。预混料先是将GF尺寸切成15~30mm长度，然后与一定量的树脂搅拌混匀，再经烘干后制的。这种模压料的特点是纤维松散且无定向，比容大，流动性好，但制备过程中纤维强度损失较大，该法产品最大。预浸法：现将GF来的经过浸，烘干，切面小而制备，其特点：纤维成束状，比较紧密，在制备过程中纤维强度损失较小，但模压料的流动性及料束之间的互溶性稍差。1、预混法制备工艺预混法工艺流程（方块图）P213分为手工和机械制备两种下面分别举一例说明。P2132、预浸法制备工艺工艺流程分别举手工制备和机械制备各一例说明。P2233、模压料的质量控制模压料的质量控制指标：树脂含量，挥发物含量，可溶性树脂（1）几种典型模压制的质量指标（表8-1）（2）模压料质量指标的测定方法（3）影响模压料质量的几个重要因素4、模压料的存放（1）启用期（2）存放期三、模压料的工艺性包括具流动性、收缩率和压缩比1、模压料的流动性①概念②模压料的流动性与产品质量的关系③影响其流动性的因素2、模压料的取放①概念②影响因素3、模压料的压缩比①概念②影响模压料压缩比的因素4.3SMC成型工艺引文：前言所学的模压料均采用酚醛树脂和环氧树脂，这是模压工艺的基本要求（即树脂应有较快的融化速度，以及较小的收缩率）。在解决了不饱和酚醛树脂的增稠反应和降低收缩率的有效方法后，采用综合性能好的不饱和酚醛作为模压料的基体将有助于模压工艺的改善及模压产品性能的提高。4.3.1SMC的概念、特点与种类一、SMC的基本概念片状模型料（SheetMoldingCompond）P82。二、SMC的特点1、采用不饱和聚酚树脂作为模压料基体，因此制品具有优良的综合性能。2、由于增稠作用，属于干法成型，操作方便，成型周期短，生产效率高。3、模压料（电材）质量均匀，容易控制，制品性能重现性好。4、填料用量较高20~30%，降低成本。5、模压温度、压力要求的不高，可变范围较大。三、SMC的种类1、结构SMCSMC-R（纤维不规则分布）SMC-C（连续纤维单向分布）SMC-D（不连续纤维定向分布）2、高强SMC：HMC、XMC3、LS-SMC（低收缩SMC）LTP-SMC（渗透增强5MC）4、BMC（固状模型料）5、TMC（厚片状模型料）4.3.2SMC的组分及其性能一、不饱和聚酯树脂不饱和聚酯是SMC的主要组份，适宜SMC用的不饱和聚酯树脂应应满足下列要求：①低粘度，便于浸渍GF；②不同增稠剂反应，满足增稠要求；③可降低收缩性；④溶化迅速，提高生产效率；⑤应具备较高的强度和足够的韧性，在制品脱模时，不发生损坏或开裂。目前，SMC常用顺酐型不饱和聚酯树脂。新型树脂体系（尚处研制阶段）评见“三校教材”。P219二、交联制、引发剂、阻聚剂1、交联剂SMC常用的交联剂有苯乙烯，氯化苯乙烯，甲苯丙烯酸甲酯，乙烯基甲苯，邻苯二甲酸二丙烯酯（DAP）等。其中的甲苯乙烯，氯化苯乙烯可降低制品的脆性及树脂粘度；用DHP可提高制品的耐热性。2、引发剂SMC中引发剂应满足：制得的SMC贮存期长，贮存稳定性好；②高温下不分解，达到某一温度时，分解速度快；③交联效率高。表4-1几种常用引发剂的特性引发剂性能过氧化苯甲酰BPO过氧化苯甲酸丁酯TBP过氧化二异丙苯DCP过氯化氢异丙苯CHP物态糊状粉液体晶形粉末液体固化温度（℃）107-149121-149125-149130-149用量（%）2121贮存期（室温）1周2个月>3个月>3个月3、阻聚剂为防止聚酯树脂的过早聚合，延长贮存期，SMC中应加入适量的阻聚剂。常见阻聚剂有对苯琨（PBQ），氢琨（HQ）等，用量0.02%~0.05%。三、增稠剂1、增稠剂的选用原剂：①制备初期，要求粘度很低，保证GF和填料的充分浸渍；②充分浸渍后，要求体系粘度迅速增高；③增稠后的体系粘度应该稳定，在模压温度下迅速充模，并使GF与树脂的离折；④增稠作用应有稳定的重现性。2、增稠剂的种类：①IIA族（碱土）金属氧化物及氢氧化物、MgO、Mg(OH)2、CaO、Ca(OH)2、BaO、Ba(OH)2等，常用量3%；②卤代锂、LiCl、Li2Br；③有机类增稠剂，醋酸、丁烯酸、苯乙酸等。3、影响增稠效果的因素①增稠剂的不同类型和用量；②聚酯树脂的酸值；③微量水份；④温度。4、增稠机理（详见教材P86）四、低收缩添加剂1、作为SMC低收缩添加剂的物质主要是一些热宿性聚合物：PVC、PS、PE、PVAC、PMMA、PB、PET、PCL等。低收缩添加剂虽能有效低降聚酯树脂的收缩率，但由于其降低了固化放热率，从而延长了固化时间；同时对不饱和聚酯起增塑作用，从而降低了体系的强度，因此低剂的添加量应严格控制在5%（质量比）左右，其粒径小于30um。2、低收缩机理（详见教材P87）。五、无机填料在SMC组份中，填料用量较大，其主要作用为降低制品成本，同时改善制工的某些物理及化学性能。表4-2SMC常用填料及性能填料形态颗粒度吸油量（%）轻质碳酸钙粒状≤3mm92%55~58重质碳酸钙粒状200目99%325目95%12滑石粉片状晶粒/30钛白粉粒状100目95.5%25~28硫酸钡粒状100目95.5%18氢氧化铝粒状100目95.5%10各项填料对SMC制品物理性能及化学性能的影响评价“FRP用填料”专题讲座。六、内脱模剂内脱模机理内脱模剂的种类、性能、用量硬酯酸锌大容量133℃用量1~3%硬酯酸钙大容量150℃用量1~3%硬酯酸镁大容量145℃用量1~3%七、增强纤维1、增强纤维的种类、长度、含量SMC主要采用GF，其类型为短切GF和GF毡。纤维长度一般为40~50mm。纤维含量正常在25~35%（质量比）之间。2、GF应满足下列要求①良好的切割性，分散性；②易浸性；③纤维中的水分及浸润剂的含量。附，SMC常用配方三校教材P231。表8-18表8-194.4GRP模压制品成型工艺模压料制备生产之后，还需经过模压成型工艺制得模压制品，模压工艺也是热压过。但由于在热压过程中，模压料充模时，不权树脂流动，而且GF也随树脂流动，如何使树脂与纤维产生同时流动，这一特点使得模压工艺复杂性，如模压工艺的成型压力比其他工艺方法要高，树脂的粘度是模压成型的重要要求等等。模压工艺流程图：模具预模具预热涂脱模剂料的称量模压料预成型装模压制脱模修饰及辅助检验成品后处理压制成成品压制前准备图4-1模压工艺流程图一、压制前准备1、成型压力的计算根据产品设计所要成型压力P及制品水平投影面积上计算压机表压P表。2、装料量的估计3、脱模制的使用和涂覆4、料的强热、预成型二、压制及成品1、装模2、压制压制工艺中的压制制度包括压力制度和温度制度。压制制度的选定和掌握、随模压料的类型、产品结构、尺寸及条件不同而异。（1）压力制度压力制度包括成型压力的大小，加压时机和卸压放气三个方面。①成型压力：i、作用a、克服物料流动时的摩擦力，使物料充模；b、克服物料的的挥发蒸汽物；c提高制品的致密性。ii、成型压力的大小主要取决于模压料的品种，制品结构及尺寸酚醛型模压料300~500kg/cm2环氧酚酯型50~300kg/cm2聚酯型7~100kg/cm2制品结构复杂，所需成型压力愈大。②加压时机i、加压时机的选择要求：主要在树脂（在增稠剂作用下）达到一定程度后进行加压，加压过早，树脂反应程度较低，分子质量小，树脂在压制过程中极易自身流动，加压过迟，粘度过大（树脂反应程度高、分子量过大），反而物料的流动性迅速下降，较难充模。ii、加压时机的选样：主要取决于模压料的品种，物料质量结构及装模温度，几种常用模压流动的加压时机。a、镁酚醛模压料；b、616酚酯模压料；c、环氧酚醛模压料。③卸压放气主要对快速加压法而言，加压过程中（压力上升后），必须反复几次卸压放气，有效地排除模压物及反应付产物等，这些挥发物以及附产物如保留在物料（或成品）内，极易产生气泡，分层等现象。（2）温度制度详见教材P98。①装模温度；②升温速度；③最高模压温度；④保温时间；⑤后固化处理三、几种GRP复材模压料成型工艺分快速成型和慢速成型工艺两种。下面详细介绍快、慢速成型的两种小型工艺的典型例子。（详见教材P8-39）四、GRP复材模压制品的常见缺陷及其解决。（见新教材P105，表4-19）五、片状模型料的压制成型工艺SMC压制成型工艺过程比较简单，压制时所需温度和压力均较慢，成型速成快，其工艺缩水如下：校正成平压制前准备加料成型校正成平压制前准备加料成型脱模修订1、成型工艺参数的选定①成型温度a、成型温度必须保证树脂固化反应充分进行，温度过低，固化不易完全且工艺期过长，极易产生粘模；b、温度过高极易引起低收缩剂的热分解，如苯乙烯的蒸发；c、制品形状复杂，厚度愈大，成型温度应较低；d、为了便于脱模，上、下模应保持5~10℃的温差；e、S2510片状模塑料的成型温度一般为120~②成型压力a、片状模压料由于其增稠效应，成型压力比聚酯料要稍高；b、制品形状愈复杂，尺寸过大或过小，均需适当提高成型压力；c、SMC的成型压力通常为30~150kg/cm2。③保温时间0.5~1分/min通常情况下。④加料面积SMC的加料面积通常为40~70%⑤合模条件（加压时机）合模40~60S后一项性加全压。2、（详例）S2510的成型工艺参数成型温度：140±3℃，（上、下模温差5~10℃）成型压力：（30~150kg/cm2）100kg/cm2保温时间：1分/mm加料面积：40~70%合模条件：40~60s（注：S2510配方见教材P232，表8-19）3、SMC的技术指标（以S2510为例）牌号S2510通用等级单位面积质量3±0.4kg/m2纤维含量20~25%纤维长度25.4mm宽度1m厚度2±0.3mm纤维取向任意贮存期三个月以上（25℃以下）价格5~7元/kg4、SMC制品的基本性能（S2510为例）机制S2510片状模塑料的常数力学、热、电性能见老教材P245表8-233、填料作用：降低材料成本，吸收固化放热。种类：CaCO3，Al(OH)3，云母，粘土，表皮助微球等用量：20~40%（质量比）三、RTM成型用设备1、RTM成型机树脂泵和引发剂泵清洗装置其他辅助设备2、压机（RTM专用压机）3、模具四、RTM成型制品的性能教材P50表2-23PTM成型，SMC模压成型，开模成型的GFRP制品的性能比较表2-24，国内外RTM成型的GFRP制品的物理性能。五、RTM的应用及现状

表4-3模压制品常见缺陷及解决方法制品缺陷可能产生的原因解决方法起泡（表面有圆形突起）1、物料含挥发物太大2、模压料固化不完全3、模温过高，使物料中某种成分气化或分解4、固化反应有易挥发物生成或装料时裹入空气，加上模具设计不合理或操作不当5、排气操作慢，使表面固化，或者压力太低，气体释放不出来1、充分预热物料或坯料，提高预成型温度2、提高模温或延长保温时间3、降低模温4、模具应设有排气孔，操作时要排气，慢慢合模，然后施高压排气5、用适当的速度放气，降低模温，提高压差缺料（材料没全充满模腔，制品多孔不密实）1、料重不见2、物料流动性差或工艺条件掌握不好3、模具配合间隙过大或溢料孔太大4、脱模剂用量太多5、装料不当。有的一部分料未装入模腔，有的装料不正6、操作太慢或太快。若模温较高，操作又慢，使部分料早硬；若合模速度太快，在部分材料未塑化均匀时就溢料也会产生缺料现象1、适当增加料重2、改变物料品种或重新处理物料；通过试热、提高成型压力和降低模温的办法3、调整模具配合公差和溢料孔尺寸4、使用脱模剂涂敷模具要均匀适量5、精心装料6、调节适当的合模速度裂纹（制品表面或里面有微细裂纹）1、树脂集中，使应力分布不均匀而产生裂纹2、热应力产生裂纹。树脂体系反应活性太高，升温太快产生热应力3、流动性裂纹。一般使用聚酯料团易发生这种现象4、模压压力过大1、材料要均匀，不应有自丝。加压速度要均匀适当，使树脂浸透玻璃纤维2、采用有适当活性的树脂体系。降低模温3、修改设计，避免1/8R到3/8R的半径4、适当降低压力裂缝（材料本身破坏）1、粘膜，使制品脱模时破坏2、模具设计或加工不合适造成卡模现象（如陷槽、倒拔梢或出模斜度太小）3、金属嵌件和模压料收缩系数不同，产生应力破坏4、嵌件预热温度过高或太低5、制品固化不完全6、材料出模时发软7、固化过头使材料收缩率增大8、顶出9、薄壁细长产品设计不合理（如斜度太小，孔的周围厚度太薄等）10、流动线（熔接痕）处强度过低11、部分料老化，影响树脂的粘结性能12、整形器尺寸与产品尺寸不一致1、参看《粘模》一栏2、修改模具设计3、选择适当的嵌件材料。适当加厚玻璃钢，分的厚度4、控制嵌件预热温度在合适的范围内5、提高模温或延长保温时间6、降低温度后出模7、降低模温或缩短保温时间8、调整顶出杆尺寸和位置9、改变产品设计10、改变装料方法和装料室设计，消除流动11、选用合适的原材料，操作中避免部分料硬12、调整整形器尺寸烧焦（部分塑料受热分解变色）1、坯料中夹入空气，经压缩后升温，使树脂分解2、预热操作不当，局部过热或预热温度太高，时间太长3、模温不均匀，局部温度过高4、压铸成型时柱塞移动速度过快或过慢1、采用有效的放气操作。延长闭模时间，适当降低模温2、改进预热操作3、调整加热方式，使模温均匀一致4、调整柱塞移动速度，一般使合模时间介于5~12秒为宜白丝（制品表面有玻璃纤维裸露）1、浸胶不均匀2、成型温度不合适3、老料或预热过度，影响了树脂的浸透能力1、改进浸胶或混合工艺。若强度允许，可适当进行挤出混合2、调整温度。上模温度一般高于下模温度，可差3~10℃3、选用不过期的原材料；预热要适当缺胶（制品表面树脂分布不均匀，部分表面含树脂太少）1、树脂的流动性差2、树脂过早胶凝3、树脂太嫩，加上闭模速度太快，使树脂流失，造成纤维浸胶不好4、模具配合间隙太大1、调整树脂温度。控制不溶性树脂含量2、降低模温。操作快一些，适当预热3、可以通过预热、预压，慢闭模等操作以改进缺胶现象4、调整模具配合间隙树脂集中（制品中局部树脂过多）1、材料流动性较差，树脂与纤维在压力下流动不同步2、产品设计不合理（如制件壁太薄，高度较大，角度太锐等）1、改用流动好的模压料，若强度允许，选用较短纤维或用挤出机多次挤出坯料。改进成型工艺；预热、低温入模等2、适当修改设计翘曲（产品变形，与设计尺寸有偏差）1、粘膜2、固化不安全3、模温分布不均匀4、出模工艺不当5、树脂集中处强度太低，收缩率改变致使产品翘曲6、产品设计不合理，如各处壁厚极不均匀，相差过大7、材料出模时太软8、材料收缩率太大1、参阅《粘模》一栏2、改善固化条件3、改进加热条件4、重新设计模具，使顶出装置合理。尽量在均匀冷却后出模。使用收缩固定器（整形器）5、参看《树脂集中》一栏6、改进产品设计7、使用高温下刚性材料或加压下冷却出模8、使用低收缩率原材料或改进工艺方法毛边过厚（一般发生在压制成形品）1、料量过多2、材料流动性较差3、模温太高，部分料早硬4、压力不足5、上下模配合间隙太大6、溢科孔堵塞1、适当减少料量2、改进流动性3、降低模温4、适当提高压力。低压合模后迅速施加高压5、调整模具配合尺寸6、精心清理模具起鳞（制作表面呈鳞片状）1、模温低2、材料固化不完全1、提高模温2、通过预热等办法使之固化完全表面凹凸不平1、模具上有机械损伤，或附着残液2、树脂集中3、料量较少4、材料不均匀且收缩率较大5、坯料形状与产品开关相差太大1、修理模具。精心清理模具，保证模具定位良好2、参看“树脂集中”一栏3、调整料量4、降低模温，提高压力。调整预热条件5、使两者开关尽量一致表面无光泽1、模温过高或过低2、闭模速度太快3、固化不完全4、粘模5、模具表面