模压成型工艺

(Compression Molding Process)

4.1 概述

4.2 模压料

4.3 SMC成型工艺

4.4 模压工艺

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4.1 概述

模压成型工艺是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的方法。

模压成型工艺是利用树脂固化反应中各阶段特性来实现制品成型的，即模压料塑化、流动并充满模腔，树脂固化。在模压料充满模腔的流动过程中，不仅树脂流动，增强材料也要随之流动，所以模压成型工艺的成型压力较其他工艺方法高，属于高压成型。因此，它既需要能对压力进行控制的液压机，又需要高强度、高精度、耐高温的金属模具。

用模压工艺生产制品时，模具在模压料充满模腔之前处于非闭合状态。用模压料压制制品的过程中，不仅物料的外观形态发生了变化，而且结构和性能也发生了质的变化。但增强材料机恩保持不变，发生变化的主要是树脂。因此，可以说模压工艺是利用树脂固化反应中各阶段的特性来实现制品成型的过程。当模压料在模具内被加热到一定温度时，其中树脂受热熔化成为粘流状态，在压力作用下粘裹纤维一道流动直至填满模腔，此时称为树脂的“粘流阶段”。继续提高温度，树脂发生化学交联，分子量增大。当分子交联形成网状结构时，流动性很快降低直至表现一定弹性。再继续受热，树脂交联反应继续进行，交联密度进一步增加，最后失去流动性，树脂变为不溶不熔的体型结构，到达了“硬固阶段”。模压工艺中上述各阶段是连续出现的，其间无明显界限，并且整个反应是不可逆的。

模压成型始于1909年，当时主要用于生产酚醛树脂复合材料制品。随着SMC、BMC和新型塑料的出现，模压成型工艺发展较快，所占比例仅次于手糊、喷射和连续成型，居第三位。

优点：

模压成型工艺的主要优点：

①生产效率高，便于实现专业化和自动化生产；

②产品尺寸精度高，重复性好；

③表面光洁，无需二次修饰；

④能一次成型结构复杂的制品；

⑤因为批量生产，价格相对低廉。 

模压成型的缺点：

模具制造复杂，投资较大，制品尺寸受设备。

最适合于生产批量大的中小型复合材料制品。

应用：

主要用作结构件、连接件、防护件和电气绝缘件。广泛应用于工业、农业、交通运输、电气、化工、建筑、机械等领域。由于模压制品质量可靠，在兵器、飞机、导弹、卫星上也都得到了应用。

二、模压成型工艺分类

模压成型工艺按增强材料物态和模压料品种可分为如下几种：

①纤维料模压法： 是将经预混或预浸的纤维状模压料，投入到金属模具内，在一定的温度和压力下成型复合材料制品的方法。

②织物模压法: 将预先织成所需形状的两维或三维织物浸渍树脂胶液，然后放入金属模具中加热加压成型为复合材料制品。 

③层压模压法 ：将预浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，裁剪成所需的形状，然后在金属模具中经加温或加压成型复合材料制品。 

④碎布料模压法： 将浸过树脂胶液的玻璃纤维布或其它织物，如麻布、有机纤维布、石棉布或棉布等的边角料切成碎块，然后在金属模具中加温加压成型复合材料制品。 

⑤缠绕模压法: 将预浸过树脂胶液的连续纤维或布（带），通过专用缠绕机提供一定的张力和温度，缠在芯模上，再放入模具中进行加温加压成型复合材料制品 。

⑥片状塑料（SMC）模压法 将SMC片材按制品尺寸、形状、厚度等要求裁剪下料，然后将多层片材叠合后放入金属模具中加热加压成型制品 。

⑦预成型坯料模压法: 先将短切纤维制成品形状和尺寸相似的预成型坯料，将其放入金属模具中，然后向模具中注入配制好的粘结剂（树脂混合物），在一定的温度和压力下成型。 

⑧定向铺设模压: 将单向预浸料沿制品主应力方向取向铺设，然后模压成型。制品中纤维含量可达70％，适用于成型单向强度要求高的制品。

4.2 模压料

•原料

•短纤维模压料的制备与质量控制

•模压料的工艺性及其影响因素

4.2.1 原料

短纤维模压料基本组成：增强材料、树脂基体和辅助材料。

1.树脂基体方面最常用的有酚醛树脂和环氧树脂。酚醛树脂又氨酚醛、镁酚醛、钡酚醛、硼酚醛以及由聚乙烯醇缩丁醛改性的酚醛树脂等。环氧树脂有双酚A型、酚醛环氧型及其它改性型。

2.模压料中常用的增强材料主要有玻璃纤维开刀丝、无捻粗纱、有捻粗纱、连续玻璃纤维束、玻璃纤维布、玻璃纤维毡等 。纤维长度为30-50mm，含量一般在50wt％-60wt％范围内.

为了减少玻璃纤维的强度损失和提高合成树脂对增强材料的粘结效果，最好采用用增强型浸润剂所制得的玻璃纤维制品。

3. 辅助材料

一般包括固化剂(引发剂)、促进剂、稀释剂、表面处理剂、低收缩添加剂、脱模剂、着色剂(颜料)和填料等辅助材料。

4.2.2 短纤维模压料的制备与质量控制

作为模压料的优点：模压料呈散乱状态，纤维无一定方向。模压时流动性好，适宜制造形状复杂的小型制品。

缺点：制备过程中纤维强度损失大。比容大，模压时装模困难，模具需设计较大的装料室并需要采用多次预压程序合模，劳动条件欠佳。

1. 短纤维模压料制备

其生产工艺可分为预混法和预浸法两种。

预混法：先将玻璃纤维切割成30～50mm的短切纤维，经蓬松后在捏合机中与树脂胶液充分捏合至树脂完全浸润玻璃纤维，再经烘干（晾干）至适当粘度即可。

其特点是纤维松散无定向，生产量大，用此法生产的模压料比容大，流动性好，但在制备过程中纤维强度损失较大。

预浸法 纤维预浸法是将整束连续玻璃纤维（或布）经过浸胶、烘干、切短而成。

其特点是纤维成束状，比较紧密，制备模压料的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相容性稍差。 

预混法可分为手工预混法和机械预混法。

以玻璃纤维/镁酚醛树脂模压料为例，说明机械预混法生产步骤：

(1) 将玻璃纤维在180℃下干燥处理40-60min。

(2) 将烘干后的纤维切成30-50mm长度并使之疏松。

(3) 按树脂配方配成胶液，用工业酒精调配胶液密度在1.0g/cm3左右。

(4) 按纤维：树脂＝55:45（质量比）的比例将树脂溶液和短切纤维充分混合。此步在捏合机内进行。

(5) 捏合后的预混料，逐渐加入撕松机中撕松。

(6) 将撕松后的预混料均匀铺放在网格中晾置。

(7) 预混料经自然晾置后，再在80℃烘房中烘20-30min，进一步驱除水分和挥发物。

(8) 将烘干后的预混料装入塑料袋中封闭待用。

机械混合法：

所用设备有纤维切割机、捏合机和撕松机。

常用纤维切割机为三辊式切割器。改换切割辊刀片间距可改变切割纤维长度，连续自动切割连续纤维。

捏合机的作用是将树脂与纤维混合均匀。

结构主要有可翻转出料的捏合锅，双Z桨式捏合桨和动力传动装置。捏合过程主要控制捏合时间和树脂粘度。捏合时间愈长，纤维强度损失愈大。时间过短，树脂与纤维混合不均匀。树脂粘度控制不当，既影响树脂对纤维的均匀浸渍和浸透速度，也会对纤维强度带来影响。此外，加料量也要适当，最大加料量约为捏合锅内容积的60-70％，过多过少都不能有效捏合。

撕松机的作用：是将捏合成团的物料进行蓬松。撕散和蓬松的物料便于晾干和烘烤。

2. 模压料的质量控制

模压料的质量指标有三项：树脂含量、挥发物含量及不溶性树脂含量。几种有代表性的模压料质量指标见表4-2。模压料质量对其模塑特性及模压制品性能有极大影响，因此，必须在生产过程中对原材料及各工艺的工艺条件严格控制，主要控制下列各项：

影响模压料质量的因素：

(1)树脂溶液粘度

降低树脂胶液粘度有利于树脂对纤维的浸透和减少纤维强度损失。但若粘度过低，在预混过程中会导致纤维离析，影响树脂对纤维的粘附。在树脂中加入适量溶剂（稀释剂）可粘度。由于粘度与密度有一定关系，而粘度测定又不如密度测定简单易行，因此，通常用密度作为粘度控制指标。如酚醛预混料树脂胶液密度控制在1-1.025g/cm3范围内。

(2)纤维短切长度：纤维过长易相互纠缠产生料团。机械预混，纤维长度一般不超过20-40mm；手工预混，纤维长度不超过30-50mm。 

(3)浸渍时间：在确保纤维均匀浸透情况下应尽可能缩短时间。捏合时间过长既损失纤维强度，又会使溶剂挥发过多增加撕松困难。

(4)烘干条件：烘干温度和时间是控制挥发物含量与不溶性树脂含量的主要因素。此外还应注意料层的厚度和均匀性。一般快速固化酚醛型预混料（如镁酚醛）的烘干条件为80℃，烘干50-70min。环氧酚醛型预混料的烘干条件为80℃，烘干20-40min。

(5)其他：合理的设备设计如捏合机浆叶型式、浆叶与捏合锅内壁的间隙，以及撕松机的结构、速度等，也都是影响模压料质量的重要因素。

4.2.3 模压料的工艺性及其影响因素

模压料的工艺性主要为模压料的流动性、收缩性和压缩性。

1.模压料的流动性

模压料的流动性是指模压料在一定的温度和压力下充满模腔的能力。

在确定模压工艺条件和模具设计中必须充分注意模压料的流动性。流动性好，则可选定较低的成型温度和压力，也比较容易压制复杂的制品。流动性差，则必须相应提高温度和压力，成型较复杂的制品也比较困难。在实际生产中，模压料能否压成一定形状的制品主要取决于流动，而流动的难易取决于模压料的粘度。热固性聚合物的流变过程与热塑性聚合物有很大不同，这是两种塑料的微观结构不同所决定的。对热塑性聚合物，通过加热使之达到粘流状态，并在压力作用下流动充满模腔成型，再冷却使制品定型。但对热固性聚合物，加热一方面使物料熔融粘度降低，在压力作用下产生流动，并充满模腔获得所需形状；另一方面，加热使活性基团发生交联反应，粘度计升高直至达到无限大。加压一方面使物料流动产生剪切变形，大分子链发生局部取向及触变效应等导致聚合物粘度降低；另一方面，剪切作用又增加了活性分子间的碰撞机会，降低了反应活化能使交联反应速度增快，因而熔体粘度随之增大。同时由于大多数交联反应是放热反应，系统温度的升高加速了交联固化过程，从而导致粘度更迅速增大。热固性聚合物熔体粘度η可以用剪切速率γ、温度T和固化度α的函数式定性表示，即：

η＝f(γ,T,α)

由于热固性聚合物加工过程中化学反应的复杂性以及由于这种反应进一步引起一系列复杂的物理和化学变化，使得要用定量关系来描述热固性聚合物熔体的流变行为非常困难，至今仍只能定性的认识这些过程。Gibson认为，由于热聚合反应的影响，热固性聚合物在某一温度范围内的流动度φ（粘度的倒数）随时间增长而降低的关系可用下式表示：

虽然分子质量大的高聚物力学性能好，但粘度大对加工不利，所以生产中常采用加入低分子物质（溶剂或增塑剂）方法来降低分子质量大的聚合物粘度。

高分子链段愈短，愈易流动。刚性分析由于链段很长，甚至整个链是个链段，则流动困难，需要很高温度。

当分子质量相同时，分子支链越多、越短，流动性越好。支链越多、越短，流动的空间位阻越小，粘度越低，易流动。

分子质量相同时，当剪切速率小时，分子质量分布宽的熔体粘度比分子质量分布窄的高，反之亦然，即当剪切速率高时，分子质量分布宽的熔体粘度比分子质量分布窄的小。

②模压料质量指标与组分对流动性有很大影响：

含胶量或可溶性树脂含量高，流动性大。

挥发分含量愈多，则物料流动性增加。挥发分含量对流动性影响更显著，挥发分含量增加，物料流动性增加。但当挥发分含量过高，易使成型时树脂大量流失，严重影响制品质量。当挥发分含量过低时，物料流动性显著下降，成型困难。

模压料中增强材料的形态、含量对流动性影响很大。

常用的增强材料有纤维、带、布、毡等。纤维流动性差，而带、布、毡成型时几乎不流动。同是纤维模压料，短纤维比长纤维流动性好，但长纤维制品强度高。对于形状复杂制品，可混合使用不同形态的模压料以兼顾制品强度和成型的要求。

模压工艺制度和模具等对流动性影响很大。合理的压制制度（温度制度和压力制度）能改善模压料的流动性。模具的结构、形状及模腔表面光洁度等都会影响模压料熔体的流动。

注：模压料熔体的流动性过大对压制成型并不有利。这不仅是合模时产生溢料，浪费原料。更严重的是使纤维和树脂离析（纤维和树脂不能同时流动），导致制品的不同部位产生聚胶、贫胶和纤维分布不均等缺陷。因此，应根据模压料的理化特性、制品结构形状和尺寸等来确定和控制模压料的流动性。

4.3 SMC成型工艺

•SMC的特点与种类

•SMC的组分及其性能

•SMC生产工艺

4.3.1 SMC的特点与种类

1.特点

SMC 是Sheet molding compound的缩写，即片状模塑料。主要原料由SMC专用纱、不饱和树脂、低收缩添加剂，填料及各种助剂组成。1953年美国（Rubber）首先发明不饱和聚酯树脂的化学增稠，1960年西德（Bayer公司）实现了SMC工业化生产，在1965年左右，美、日相继发展了这种工艺。1970年开始在全世界迅速发展。（它在二十世纪六十年代初首先出现在欧洲，）我国于80年代末，引进了国外先进的SMC生产线和生产工艺。SMC具有优越的电气性能，耐腐蚀性能，质轻及工程设计容易、灵活等优点，其机械性能可以与部分金属材料相媲美，因而广泛应用于运输车辆、建筑、电子/电气等行业中。 

SMC的特点

片状模压料（Sheet Molding Compound, SMC）是用不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、交联剂、低收缩添加剂、填料、内脱模剂和着色剂等混合成树脂糊浸渍短切纤维粗纱或玻璃纤维毡，并在两面用聚乙烯或聚丙烯薄膜包覆起来形成的片状模压料。 

SMC是干发生产FRP制品的一种中间材料（模压料），它与其他模压料的根本区别在于其自增稠作用，即树脂胶液在浸渍玻纤时体系粘度较低，浸渍过程完毕后，体系粘度迅速上升，达到并稳定在适合于模压作业的粘度。

SMC作为一种发展迅猛的新型模压料，具有许多特点：

①重现性好；

②操作处理方便；

③操作环境清洁、卫生，改善了劳动条件；

④所得制品表面光洁度高；

⑤ 生产效率高，成型周期短。

　 1悬架零件，前、后保险杠，仪表板等；　 车身及车身部件，硬壳车顶，防滑地板，阻流板，遮阳罩，发动机罩；　 发动机盖下部件，导风罩，进气管盖，风扇导片圈，发动机隔音板；　 车内装饰部件：车门把手，仪表盘，转向杆部件。座椅、茶几台面；　2 铁路车辆窗框，车厢壁板与顶板，铁路信号应答器。3.电器罩壳：电器开关盒，电器配线盒，电缆分配箱外壳，终端分配器；　 电子工程应用：天线反射罩、雷达罩、印刷电路板；　 电器元件：绝缘子、绝缘操作工具、电机换向器；　 通信设备应用：电话机外壳、电缆分配箱、电话亭。

4.高层屋顶水箱、净化槽；　 淋浴用品：如浴缸、洗池、防水盘、坐便器；　 建筑模板、储存间构件：如壁板、顶蓬、门框。

2. SMC的种类

①团状模压料（Bulk Molding Compound, BMC）

其组成与SMC极为相似，是一种改进型的预混团状模压料，可用于模压和挤出成型。两者的区别仅在于材料形态和制作方法上。BMC中纤维含量较低，纤维长度较短，约6～18mm，填料含料较大，因而BMC制品的强度比SMC制品的强度低，BMC比较适合于压制小型制品，而SMC适合于大型薄壁制品 。

②厚片状模压料（Thick Molding Compound, TMC） 

其组成和制作与SMC相似，厚达50mm。由于TMC厚度大，玻璃纤维能随机分布，从而增强了物料混合效果，流动性提高了，改善了树脂对玻璃纤维的浸润性。此外，该材料还可以采用注射和传递成型。另外，由于聚乙烯薄膜用量的减少，从而降低了模塑料成本。自1976年TMC出现依赖，已成为比SMC和BMC应用范围更广的的模塑料。

③高强度模压料（Hight Molding Compound, HMC） 和高强度片状模压料XMC主要用于制造汽车部件。是美国PPG公司最先发展的高强模塑料。HMC中不加或少加填料，采用短切玻璃纤维，纤维含量为65%左右，玻璃纤维定向分布，具有极好的流动性和成型表面，其制品强度约是SMC制品强度的3倍。XMC用定向连续纤维，纤维含量达70%～80%，不含填料 。XMC的制造是在普通缠绕机上进行。达到所需厚度后，就在芯轴上切割开取下来，加上一层保护薄膜，其制品在一定方向的强度为钢材的4倍，而质量仅为钢材的1/2.

④结构SMC ：按纤维形态与分布不同可分为SMC-R（纤维不规则分布）、SMC-C（连续纤维单向分布）、SMC-D（不连续纤维单向分布）等。她们纤维含量较高，多在50%以上。由于纤维含量增加及纤维定向分布使这种SMC 的强度得到很大提高。

结构SMC和高强SMC不仅因为其强度高可取代钢材做结构件，而且成本低。对于同样性能的制品，国外采用高强片状模塑料比采用铝材和钢材的成本要低。这是因为铝价贵，钢材虽然便宜，但由于密度大、用量大，且生产设备投资页较大，因而产品成本较高。

⑤ ZMC ZMC是一种模塑成型技术，ZMC三个字母并无实际含义，而是包含模塑料、注射模塑机械和模具三种含义。ZMC制品既保持了较高的强度指标，又具有优良的外观和很高的生产效率，综合了SMC和BMC的优点，获得了较快的发展。 

LS-SMC即低收缩SMC。采用低收缩树脂或加入热塑性低收缩添加剂制造，成品收缩可趋于零。适于制造尺寸精度高和表面光洁度高的制品。

ITP－SMC即渗透增稠片状模塑料。它不需要普通SMC所需的专门熟化室，而且具有在诗文下24h达到不粘手的特点。制品具有高度刚性、耐冲击性、尺寸稳定性的特点。

此外，还有高弹SMC、低密度SMC、耐热SMC和耐燃SMC等。

二、 SMC的组分及其性能

SMC由树脂糊（基体材料）和玻璃纤维（增强材料）组成。其中树脂糊由不饱和聚酯树脂及辅助剂（引发剂、交联剂及阻燃剂）、增稠剂、低收缩添加剂、填料、颜料、内脱模剂等祖坟构成。不饱和聚酯树脂、玻璃纤维和填料在通用SMC中占95％以上，被人们称为SMC的“三大员”。原材料由合成树脂、增强材料和辅助材料三大类组成。 

1.合成树脂

不饱和聚酯树脂为SMC的主要组分。不同原材料制成的不饱和聚酯树脂对树脂糊的增稠效果、工艺特性以及质性能、收缩率、表面光洁度等都有直接影响。SMC对不饱和聚酯树脂有以下要求：

①粘度低，对玻璃纤维浸润性能好；

②同增稠剂具有足够的反应性，满足增稠要求；

③固化迅速，生产周期短，效率高；

④固化物有足够的热态强度，便于制品的热脱模；

⑤固化物有足够的韧性，制品发生某些变形时不开裂；

⑥较低的收缩率。 

⑤模压工艺对温度和压力要求不高，可变范围大，可大幅度降低设备和模具费用；

⑥纤维长度40～50mm，质量均匀性好，适宜于压制截面变化不大的大型薄壁制品；

⑦所得制品表面光洁度高，采用低收缩添加剂后，表面质量更为理想；

⑧生产效率高，成型周期短，易于实现全自动机械化操作，生产成本相对较低。

2. 交联剂、引发剂、阻聚剂

（1） 交联剂:不饱和聚酯树脂分子虽然也可交联固化，但其质脆性大，耐化学腐蚀性不好。交联剂可与聚酯发生共聚反应，使聚酯大分子间通过交联单体自聚的“链桥”而交联固化，从而改善了树脂固化后的性能。交联剂用量增加，会使树脂糊初始粘度降低。常用的交联剂有苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等。

（2）引发剂：在SMC树脂糊系统中，不饱和聚酯树脂需加入引发剂，活化树脂与交联单体（如苯乙烯）中的双键发生共聚反应，从而使SMC在模腔内固化成型。SMC所用的引发剂为过氧化物， 在适宜的温度条件下，引发剂的氢键产生离解而生成自由基，自由基对不饱和聚酯树枝分子链上的不饱和键和交联剂分子的不饱和键产生作用，使其火花，由此引起不饱和双键之间的加成反应，最终导致线性不饱和聚酯树脂分子和交联剂分子之间发生共聚和反应，生成三位网状结构。

SMC中引发剂应满足：贮存、操作安全；室温下不分解；制得的SMC贮存期长；达到某一温度时，分解速度快，交联效率高；价格低。

引发剂的正确使用对树脂糊适用期、流动性和模制周期有决定意义。引发剂用量过多，会生成分子质量较低，力学性能差的产物，同时，使反应速度加快，导致树脂因急剧固化收缩而使制品产生裂纹。引发剂用量过少，会使制品固化不足，

（3）阻聚剂：不饱和聚酯在诗文下会交联聚合使粘度上升。阻聚剂就是为了防止过早聚合，延长贮存期而加入的。阻聚剂必须在引发剂和所用树脂的临界温度内不失效，又不能极大影响交联固化和成型周期。

在SMC配方中加入自由基捕捉剂（即阻聚剂），则可以调节其贮存期，在一定时期内阻止聚合反应的发生。用于不饱和聚酯树脂的阻聚剂通常为苯醌类和多价苯酚类化合物。（能阻止不饱和聚酯树脂产生聚合反应的一类物质，是用来阻止不希望发生的聚合反应的。

3。 增稠剂

是指能使不饱和聚酯树脂糊的粘度迅速升高，直到满足工艺要求以后又相对稳定的物质。SMC在制备时要求树脂的粘度低，以利于树脂对玻璃纤维及填料的浸渍。而在贮运和模压成型时，又要求坯料粘度较高，以满足模压要求和使制品的收缩率降低至最低。通过加入增稠剂可以控制从SMC生产到模压制品全过程中各阶段的粘度变化。SMC的特性取决于增稠，树脂糊的增稠程度直接关系到制品的成型工艺和质量。此外，增稠剂对贮存稳定性也有显著影响。

（1）增稠剂的选用原则

SMC的粘度是制备、模压加工和贮存的主要因素，加入增稠剂后所产生的增稠效应，对整个过程影响极大。

（2）增稠剂的品种及使用

（3）影响增稠剂效果的因素

①聚酯树脂酸值的影响

②增稠剂活性的影响