1、,高分子材料加工工艺学,第四章,模压成型,第页,目 录,模压成型设备,模压成型工艺过程,模压成型的特点,一,二,三,产品实例,四,模压成型是高分子材料成型加工技术中历史最悠久，也是最为重要的一种工艺。模压成型的主要设备压机，可分为上压式和下压式。模具可分为溢式、不溢式以及半溢式。模塑料加工性能参数主要有流动性、固化速率、成型收缩率和压缩率等。模压成型的工艺流程通常由成型前的准备、成型、后处理三个阶段组成。成型前的准备包括预热和预压；热固性塑料模压成型过程包括加料、合模、排气、固化和脱模等几个阶段；而后处理包括模具清理、产物后烘和修边。,模压成型,模压成型设备,01,压机,上压式液压机下压式液压
2、机,02,模具,溢式压缩模 不溢式压缩模 半溢式压缩模,模压成型的主要设备是压机，压机是通过模具对塑料施加压力，在某些场合下压机还可开启模具或顶出制品。压机有机械式和液压式，目前常用的是液压机。 液压机是应用帕斯卡定律进行工作的压力机械，由小柱塞泵、工作油缸、上压板和管路构成的一个密闭系统。小柱塞油泵给油施力F1，油液产生压力P，根据帕斯卡定律，P将等值地传递到活塞上，由于活塞面积比小柱塞面积大得多，故所产生的力F2很大，利用F2给加热模具加压而成型制品。,压 机,图1 液压机的工作原理 1.小柱塞 2.活塞 3.上压板 4.模具 5.工作台典型的液压机主要由机身（包括上、下横梁 及立柱）、活
3、动横梁、顶出机构、工作油缸、 液压传动及电气控制系统等组成。液压机的结构形式也很多，主要可分为上压 式液压机和下压式液压机。,如图2所示，压机的工作油缸置于压机的上方，油缸活塞由上向下移动，下模板是固定的。模具的阳模和阴模可以分别固定在上、下模板上，靠上模板的升降来实现对模具的启闭。由于油缸置于压机的上方，工作台是固定的，装料可在工作台上进行，操作方便，容易实现快速下行。上压式液压机应用较为广泛，我国生产塑料液压机基本是这种类型的。,上压式液压机,1.主油缸 2.主油缸活塞 3.上梁 4.立柱 5.活动板 6.上模板 7.阳模 8.阴模 9.下模板 10.机台 11.顶出 12.顶出油缸 13
4、.机座,如图3所示，压机的工作油缸置于压机的下方，油缸活塞推动活动横梁上升，实现对模具的加压。下压式液压机的重心较低，稳定性好，油缸置于机身下部，制品可避免漏油的污染。层压塑料一般采用下压式液压机。,下压式液压机,1.固定垫板 2.绝热层 3.上模板 4.拉杆 5.活塞 6.压筒 7.行程调节套 8.下模板 9.活动横梁 10.机座 11.液压管线,压机的主要参数是公称压力、柱塞直径、压板尺寸和工作行程。液压机的公称压力是表示压机压制能力的主要参数，一般用来表示压机的规格。公称压力p可按下式计算：式中D油压柱塞直径，cm；PL压机能承受的最高压力，MPa。模压制品的面积大小取决于压机的压板尺寸
5、，安放的模具高度取决于压机的工作行程，这也决定了模压制品的最大厚度。,半溢式模具,溢式模具,不溢式模具,结构特点,模 具,溢式压缩模，又称为敞开式压缩模，结构如图4所示，是由阴模和阳模两部分组成。导合钉可以保证阴、阳模的准确闭合，推顶杆用来使制品脱模。但小型的溢式压缩模不一定有导合钉和推顶杆。在压制过程中，多余的塑料很容易顺着挤压边溢出，极易出现制品的水平飞边且很难去除。溢式压缩模结构简单，使用寿命长，操作容易，制造成本低，适合压制扁平盘状或碟状制品。此类模具适应性较好，一般可用于压制各种形状简单，厚度不大，对尺寸及强度方面要求不高的普通制品。对于薄壁或壁厚的均匀性有严格要求的、带片状或纤维填
6、料的塑料制品不适合采用这类模具。因阴模较浅，也不宜压制收缩率很大的塑料。,溢式压缩模,溢式压缩模,1上模板； 2组合式阳模； 3导合钉； 4阴模； 5气口； 6下模板； 7推顶杆； 8制品； 9溢料缝,图4 溢式压缩模示意图,使用溢式压缩模压制产品，每次加料量不必十分准确，但必须稍稍过量。多余的物料在模具闭合时，可从溢料缝溢出。溢料缝中积留的物料与模具内部的物料仍有连接，脱模后附在制品上成为毛边，后期必须去除。为避免溢料过多造成浪费，过量的物料不要超过制品重量的5 %。由于溢料关系，压制时闭模不能太慢，否则溢料多而形成较厚的毛边，去除毛边增加生产成本，制品外观也会受影响。闭模也不能太快，否则溅
7、出的物料较多，模压压力部分损失在模具的支撑面上，制品密度下降，性能受损。再者，每次加料量可能存在差别，成批生产时，制品的厚度和强度很难保证完全一致。,溢式压缩模,半溢式压缩模，又称为半封闭式压缩模，兼具以上两类模具的结构特点。这类模具加料腔位于型腔上部，截面尺寸比型腔大，加料腔和型腔的交界处有环形挤压面。压制出的塑料制品密度和强度比溢式压模高，高度和尺寸容易得到保证。和溢式压缩模一样，使用寿命长。其加料腔截面的尺寸大使得塑料制品表面在顶出时不易被划伤。该类模具对加料量的控制也不必十分严格。,半溢式压缩模,（1）有支承面。这种模具除装料室外，与溢式压缩模相似。由于具备装料室，该模具可适用于压缩率
8、较大的塑料。压制时，当阳模伸入阴模，溢料只能从阳模上开设的溢料槽中溢出。所以，物料的外溢在这种模具中是受到一定限制的。这种模具的特点是制造成本高，压制时物料容易积留在支承面上，从而导致型腔内的物料不能得到足够的压力。,半溢式压缩模,1.阳模 2.制品 3.阴模 4.溢料刻槽 5.支承面 A段为装料室,（2）无支承面。这种模具与不溢式压缩模很相似，所不同的是阴模在B段以上略向外倾斜，在阴、阳模之间形成一条溢料槽，多余物料可从溢料槽溢出。B段的长度一般为1.53.0 mm。压制时，当阳模伸入阴模而未达到B段之前，物料仍可从溢料槽溢出，但会受到一定限制。阳模到达B段以后，情况与不溢式压缩模完全相同。
9、这种模具有装料室，加料可稍微过量，而不必十分准确。这种模具压制的产品尺寸精确，均匀密实。模具的制造成本以及操作要求均较不溢式压缩模低。,半溢式压缩模,1.阳模 2.制品 3.阴模 4.溢料刻槽 5.支承面 B段为平直段,不溢式压缩模，又称为封闭式压缩模，结构如图5所示。这类模具具有加料腔，是型腔向上的延续。跟溢式压缩模不同的是它不具有挤压边，阳模与加料腔有高度很低的间隙配合。压制的时候多余塑料沿着配合间隙溢出导致制品产生垂直的飞边，但是易于去除。这类模具的特点是原料的溢出量极少，使模压压力全部施加在物料上，可压制高密度产品。此类模具适合压制形状复杂、壁薄、流程长且型腔较深的制品，也适用于压制流
10、动性特别小、单位比压高、比容大的塑料（如酚醛布基填料的塑料）。而一些流动性好、可以以体积计量的塑料一般不采用这类模具。,不溢式压缩模,不溢式压缩模结构较复杂，制造成本高，要求阴模和阳模能够精确闭合。此类模具一般对阴模壁强度有较高要求，这是为了防止操作不慎而造成压力过大，损坏阴模。为了脱模方便，保证制品质量，阴模还必须有推出装置，或阴模制造成可拆卸的几个部分，否则制品很难取出。这类模具的阳模与加料腔内壁的摩擦会擦伤加料腔内部，由于加料腔的截面和型腔截面尺寸相同，在顶出时有可能划伤塑料制品表面。由于是不溢式，若加料过量，多余的物料将无法溢出。因此，对加料量的控制要求较高，必须用重量法 加料。,不溢
11、式压缩模,对加料量的控制要求较高，必须用重量法 加料。此外，使用不溢式压缩模压制产品时，不易排气，固化时间较长。不溢式压缩模一般不设计成多腔模具，因为若加料稍不均衡就会造成各型腔压力不等，从而引起一些制品欠压。,不溢式压缩模,图5 不溢式压缩模示意图1.阳模 2.阴模 3.制品 4.推顶杆 5.定位下模板,热固性塑料的模压成型过程是一个物理化学变化过程，模塑料的成型加工性能对成型工艺的控制和制品质量的提高具有重要意义。模塑料的主要成型加工性能参数有以下几个方面。,模压成型工艺过程,成型收缩率,压缩率,固化速率,流动性,模塑料性能参数,热固性模塑料的流动性是指其在温度和压力作用下充满模具型腔的能
12、力。流动性即可塑性，对成型加工极为重要，直接影响热固性塑料成型过程中的物理化学行为及制品的质量。流动性首先与模塑料自身的性质有关，包括热固性树脂的性质和模塑料的配方组成。一般来说，树脂相对分子质量低，交联程度低，填料颗粒细小且呈球状，低分子化合物含量高，含水量高，则流动性好。其次，流动性与模具及成型工艺有关，模具型腔表面光滑且设计合理，则流动性好。另外，在模压前对模塑料进行预热，升高模压温度皆能提高流动性。 不同的产品对模塑料的流动性有不同的要求，形状复杂和薄壁制品要求模塑料有较大的流动性。如果流动性太小，模塑料难以充满模腔，造成某些位置缺料，不能成型大型、复杂的制品。但流动性也不能太大，否则
13、会使较多模塑料熔融后溢出模具型腔，而造成制品不密实，或树脂与填料分头聚集，产品质量下降。,流 动 性,这是热固性塑料成型时特有的工艺性能，它是衡量热固性塑料成型时发生交联反应的速度。它是以热固性塑料在一定的温度和压力下，压制标准试样时，使制品的物理力学性能达到最佳值所需的时间与试件的厚度的比值（s/mm）来表示，此比值越小，固化速率越大。 固化速率主要由热固性塑料的交联反应性质决定，并受成型前的预压、预热条件以及成型温度、成型压力等多种因素的影响。固化速率不宜过小，否则生产周期长，生产效率低。固化速率也不宜但过大，否则硬化太早，物料流动性下降，在物料尚未充满模具型腔前就已固化，造成物料不能很好
14、地充满模腔，这对于成型薄壁和形状复杂的制品尤为重要。,固 化 速 率,热固性塑料在高温下模压成型后脱模冷却至室温，其各向尺寸将会发生收缩。成型收缩率SL定义为：在常温常压下，模具型腔的单向尺寸L0和制品相应的单向尺寸L之差与模具型腔的单向尺寸L0之比：收缩率大的制品成型时易发生翘曲变形，甚至开裂。造成热固性塑料制品收缩的原因很多，首先，热固性塑料在模压过程中发生了交联反应，其分子结构由原来的线型或支链型结构变为三维网状结构，结构趋于紧密，加上低分子物挥发，体积必定收缩；其次，由于塑料和金属的热膨胀系数差异很大，故冷却后塑料制品的收缩比金属模具大得多；第三，制品脱模后，由于压力下降，有弹性回复或
15、塑性变形产生，使制品的外形发生变化。,成型收缩率,影响成型收缩率的因素主要有物料自身固有的性质、模压成型工艺条件、模具和制品的设计等。一般可以通过预热、采用不溢式模具、严格工艺规程等方法控制收缩率。表1为常见热固性塑料的成型收缩率数据。,成型收缩率,热固性模塑料一般呈粉状或颗粒状，其表观相对密度d1与模压后制品的相对密度d2差异很大，物料在模压前后的体积会发生很大变化。这一性质可用压缩率Rp来表示，等于热固性塑料制品的密度d2与粉状或粒状的热固性模塑料的表观密度d1之比，即压塑料在压制前后的体积变化。模塑料的粒径大小和粒径分布影响其表观相对密度d1，进而影响压缩率Rp，压缩率大的物料所需要模具
16、的装料室也大，耗费模具材料，不利于传热，生产效率低，而且装料时容易混入空气。一般可以通过在模压成型前对物料进行预压来降低压缩率。,压 缩 率,不溢式压缩模结构较复杂，制造成本高，要求阴模和阳模能够精确闭合。此类模具一般对阴模壁强度有较高要求，这是为了防止操作不慎而造成压力过大，损坏阴模。为了脱模方便，保证制品质量，阴模还必须有推出装置，或阴模制造成可拆卸的几个部分，否则制品很难取出。这类模具的阳模与加料腔内壁的摩擦会擦伤加料腔内部，由于加料腔的截面和型腔截面尺寸相同，在顶出时有可能划伤塑料制品表面。由于是不溢式，若加料过量，多余的物料将无法溢出。因此，对加料量的控制要求较高，必须用重量法 加料
17、。,不溢式压缩模,模压成型 原理,B,将松散状（粉状、粒状或纤维状等）或预压坯的塑料放入成型温度下的模具型腔中,C,塑料中的高分子与固化剂作用发生交联反应，逐步转变为具有一定形状的不熔的硬化制品，最后经保压一段时间使制品完全定型并达到最佳性能时，开模，脱模并取出制品,A,然后以一定的速度合模，接着加热加压，使塑料在热和压力作用下逐渐变成黏流态，在压力作用下使物料充满型腔,模压成型原理,通常由成型前的准备、成型、后处理三个阶段组成。,模压成型工艺流程,热固性塑料的比容较大，长期储存容易受潮。通常应预先对物料进行预热、预压处理，以保证成型过程顺利进行，得到质量合格的模压制品。 预热是在模压成型前，
18、对热固性塑料加热，除去其中的水分和其它挥发物，同时提高物料温度。这样，可以提高物料成型时的固化速度，缩短模压成型时间；可增加物料的流动性，降低模压压力，增进固化的均匀性，减小制品的内应力，提高制品质量，降低废品率。预热常用的设备为烘箱、真空干燥箱、远红外加热器或高频加热器等。由于热固性塑料的配方中含固化剂，预热温度过高或预热时间过长，会使物料在模压前发生部分交联反应，降低其流动性，所以在预热温度确定后，预热时间应控制在获得最大流动性的时间tmax的极小范围内为佳。,成型前的准备,预压是将松散的热固性塑料置于预压模中，在压机上压制成一定重量、一定形状大小的坯料。预压一般在室温下完成，不需加热。坯
19、料的形状以能十分紧凑地置于模具中预热为宜，多为圆片状或长条状等。一般控制在使预压物的密度达到制品最大密度的80%为宜，预压压力的范围：40200 MPa。预压后，可以提高加料操作速度、准确性、便利性。预压工艺可以降低压缩率、减小模具装料室、降低模具高度；有利于提高加热时的传热速度，从而缩短预热和固化时间，减小制品出现气泡的可能性。但预压操作增加了一道工序，提高了成本。,成型前的准备,热固性塑料模压成型过程包括加料、合模、排气、固化和脱模等几个阶段，在成型带有嵌件的制品时，加料前应预热嵌件并将其安放在模具内。此外，模具在加料前要先进行预热。 （1）嵌件的安放 嵌件是指在制品中与制品一起进行压制的
20、金属零件。嵌件的安放要求位置准确、平稳，否则可能造成废品或模具损坏。一般可用手将嵌件安放在模具的固定位置，某些嵌件位置特殊，还需要用专门工具安放。模压成型时为防止嵌件周围的塑料出现裂纹，还需用浸胶布做垫圈。,成 型,（2）加料 加料是指根据需要往模具中加入一定量已预热的物料。加料量的多少直接影响着制品的质量好坏。加料量过多，则制品容易产生毛边，尺寸稳定性差，脱模困难，甚至可能损坏模具；加料量过少，则制品不密实，甚至缺料，光泽度差。加料的计量方法有重量法、容积法和计数法三种。重量法最准确，但操作比较麻烦；容积法不及重量法准确，但操作简便，一般适用于粉状物料计量；计数法只适用于预压物加料。对于粉状
21、或粒状物料，可用勺子加料，一般堆成“中间高，四周低”的形式，这样有利于排气，避免闭模时产生冲料；当型腔数低于6个且加入的是预压物时，可用手加料；当型腔数多于6个时应使用专用加料工具。,成 型,（3）合模 加料完成后即可合模。合模的时间一般由几秒至几十秒不等。合模操作宜采用“先快后慢”的方法。在阳模尚未接触物料时，合模速度要快，以缩短非生产时间，避免物料过早固化和过多降解；当阳模触及物料后宜采用慢速，以避免模具中的嵌件位置发生偏移，甚至损伤模具。另外，放慢速度还可以使模腔中的气体充分排除。待模具闭合后即可增大压力对物料进行加压。,成 型,（4）排气 模压固化的过程中，常有水分和因缩聚反应产生的小
22、分子物质放出，在模腔内的固化反应进行一段时间后，可将压机的压力卸去一段时间，使模腔中的气体释放出来。排气操作能避免制品内部出现气泡甚至分层现象，提高制品的机械性能。需要注意的是，排气的时机要掌握好，不宜过早或过迟。排气过早达不到排气目的；排气过迟，物料表面已固化，气体不能排出。排气的次数一般为25次，每次时间通常由零点几秒至几秒，具体排气的次数、间隔时间等操作工艺要根据塑料配方以及制品形状来调整。,成 型,（5）固化 热固性塑料的固化是指在模压温度与压力下保持一段时间，使树脂发生物理、化学变化，由原来可溶可熔的线型树脂变成不溶不熔的体型结构的材料，具有一定的交联程度，达到所规定的机械强度。对于
23、某些固化速率不高的塑料配方，可以不必让整个固化过程都放在模具内完成，只要制品能够完整地脱模即可先将制品取出，再将其置于烘箱内继续加热，用这种“后烘”的方法来完成对制品的最后固化，这样可提高模压设备的利用率。模内固化时间取决于塑料种类、制品厚度和形状以及预热、成型温度等。“后烘”过长或过短对制品的性能都是有影响的。酚醛树酯模压塑件的后烘温度范围通常为90150 ，时间视制品的厚度，从几小时至几十小时不等。,成 型,（6）脱模 固化完毕后，应进行脱模取出制品。通常用推顶杆将制品推出模具，当制品带有侧型芯或嵌件时，应先用专门工具将它们拧脱，然后再进行脱模。严禁用敲击、捶打模具的方式脱模。对于形状较复
24、杂或薄壁制品，需待其完全冷却后才可进行脱模，以防翘曲变形。对于热塑性塑料，一定要等到其完全冷却后方可脱模。,成 型,制品脱模后，应对模具进行清理。通常用压缩空气吹洗模腔和模具表面，如果模具上固着物粘附较紧，还可用软质铜刀或铜刷小心清理。 为了进一步提高产品的质量，热固性塑料制品脱模后，通常还要将其置于较高的温度下进行后处理。后处理能使塑料固化更加完全；同时消除制品的内应力，减少制品中的水分及挥发物含量等，有利于提高制品的性能。后处理的温度一般比模压温度高1050 ，而后处理的时间则根据物料配方、制品的结构和厚度等而定。 对于有些容易产生毛边的制品，还需进行修边操作。例如，量大的小型制品可采用喷
25、射式冷冻修边机进行处理，生产效率和修边精度相对于手工操作可大幅提高。,后 处 理,（）压机构造简单，制造成本及后期维护费用低。投资少，项目上马快。为发展多品种、小批量生产提供了有利条件。 （）模压用模具的结构较为简单，制造成本低，维修方便。 （）使用注塑或挤出成型的方法生产纤维增强塑料时，纤维常常发生取向而引起制品翘曲变形。但在模压成型中，塑料的流动距离很短，受纤维取向的影响较小，制品的机械性能稳定。 （）模压成型适应性广，几乎每种塑料都能适用，对于一些不太适合采用注塑和挤出成型的塑料，可考虑采用模压成型。 （）原料成本相对低廉。模压成型可以在保持制品性能变化不大的情况下，大量添加低成本填料，
26、这样使得原料的整体价格较低。,模压成型工艺的特点,优点,（）受到压机吨位和模具尺寸大小的限制，模压成型一般适合于生产中小型制品。 （）模压制品易产生飞边，后期需要修边，增加了制造成本。 （）模压制品厚度方向的尺寸控制较难，模压成型不适合生产对尺寸精度要求很高的制品。 （）模压成型生产周期长，生产效率低，较难实现自动化生产，劳动强度大。 （）模压成型只适合制造形状简单的制品。 尽管模压成型存在许多不足之处，且模压成型在塑料生产中所占的比例随着热固性塑料注塑的发展而逐渐减少，但综合其优缺点分析来看，模压成型目前还是一种不可缺少的塑料成型方法。,模压成型工艺的特点,缺点,酚醛树脂的模压成型 酚醛树脂
27、模塑料主要由酚醛树脂、填料、纤维增强材料以及固化剂、润滑剂和增塑剂等组成，其机械强度和耐热性能因填料和增强材料的种类与用量的不同而存在差异。一般以木粉为填料的酚醛模压制品使用温度为100120 ，而玻璃纤维增强酚醛模压制品的最高使用温度可达160170 。以木粉为填料的酚醛模压制品经90100 老化1000 h后，其拉伸强度降低明显。而以石棉和玻璃纤维增强的酚醛模压制品，经150 高温老化1000 h后仍能保持稳定的机械性能。酚醛模压制品的尺寸稳定性好，抗蠕变性强。酚醛模压制品的缺点是脆性较大，抗冲击性能不高。酚醛树脂中的羟基对水的亲和性强，容易吸潮，随着含水量增加，抗冲击强度逐渐提高，而拉伸
28、强度和弯曲强度降低较为明显。酚醛模压制品的电性能随树脂和填料种类的不同而不同。另外，湿度和温度对制品电性能的影响很大。酚醛模压制品耐弱酸和弱碱，也不溶于大部分有机溶剂，如丙酮、乙醇等。但遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。,模压成型工艺的应用,酚醛树脂模塑料的型号一般由四部分组成,聚四氟乙烯的模压成型聚四氟乙烯（PTFE），是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，具有良好的化学稳定性、热稳定性、介电性能、非粘附性、耐候性、低吸湿性和低表面能 以及不燃性，摩擦系数在塑料中最低，使用温度范围非常广（可达-190250 ）。聚四氟乙烯在化工、
29、医疗、食品、机械、电气、电子以及军事领域中均有广泛的应用。,模压成型工艺的应用,虽然聚四氟乙烯是热塑性塑料，但熔体在成型温度下具有很高的熔融黏度，380时可达10泊，这使得其不能采用通常的热塑性塑料的成型方法加工，而一般采用模压成型工艺。模压成型大多采用PTFE悬浮树脂，当制造厚度小于1.5 mm薄板时，则要采用分散树脂。其工艺流程为：粉料过筛预成型模压烧结冷却成品。具体的工艺方法为：悬浮树脂经捣碎、松动，并经20目筛孔过筛，将粉料放入模具中，冷模压成密实的预成型品。模压压力一般为2035 MPa，保压时间通常为35 min，对壁厚或直径较大制品的保压时间可适当延长510 min。然后，将预成型品加热到高于其熔点以上，使树脂颗粒相互熔结，形成密实的连续整体，最后冷却至室温，脱模得到产品。,模压成型工艺的应用,本章介绍了模压成型的发展历史，模压成型设备，模压成型工艺过程以及模压成型的优缺点。详细介绍了酚醛树脂和聚四氟乙烯的模压成型工艺参数。思考题 （1）热塑性塑料的模压成型工艺和热固性塑料的模压成型有什么不同之处？ （2）溢式模具、不溢式模具以及半溢式模具有何异同？ （3）模压成型过程中为何要进行排气操作？,本章小结,？,
