玻璃钢模压成型工艺的研究进展

玻璃钢模压成型工艺的研究进展

在制备塑料薄膜产品时，应具备两个最基本的条件。一是需要一套成型模具,二是成型时需施加一定的压力。但并非所有使用模具和压力成型玻璃钢制品的工艺都属于模压成型工艺。如在手糊工艺中,也要用到木质或石膏等材料制成的模具,间或也需对成型制品施以一定的低压。因此,根据国际上分类的习惯和我国的具体情况,我们所介绍的玻璃钢模压成型工艺仅局限在以下几种类型的范围内:(1)吸附预成型坯模压法(Pref--ormMatcheddieMolding);(2)预混料或散(团)状模塑料模压法(PremixorB--MCMolding);(3)片状模塑料模压法(SMCMolding);(4)高强度短纤维料模压法;(5)预浸料定向铺设模压法。前三类是国外十分流行的工艺,后两类是国内比较普遍采用的工艺。一、中压设备的定义、特点以及中压设备的地位1、非闭合状态所谓玻璃钢模压成型工艺,是指模压料在金属对模中,受高温、高压作用,成型异型玻璃钢制品的工艺过程,并且在成型时,模具在模压料完全充满模腔之前,一直处于非闭合状态。这个定义不仅表述了前述工艺类型的基本特点,而且也将几种与其有许多共同点,而又不属于本文要介绍的一些工艺,如真空注射模压法(VacuumInjectionMolding)、压铸成型法(TransferMolding)、注射成型法(InjectionMolding)、冷模压法(ColdPr--essMolding)和树脂注射成型法(ResinI-njectionMolding)等区分了开来。2、次成型,一次成型表1列出了各种玻璃钢成型法的一般性比较。从表中可见,与其它工艺相比,模压成型法具有这样一些特点,即生产效率高,适于大批量生产,多数结构复杂的制品可一次成型,制品尺寸精确,可有两个精制表面,价格低廉,过程易于实现机械化和自动化等。但是,由于压机、模具设计和制造比较复杂,因此初次投资较高,而且制品尺寸受设备所限,一般仅适于中、小型玻璃钢制品的大批量生产。3、模压成型法从美、英、日、法、意、西德等国近年来各种玻璃钢工艺所占的比例来看,模压成型法是仅次于手糊成型法的第二大工艺方法。一般说来,模压成型工艺在一些主要国家的玻璃钢工艺中每年都占到20～30%的比例。对工业发达的美国和西德来说,这一点尤其明显。二、填料、粘结剂和树脂一般说来,模压玻璃钢由增强材料(玻璃纤维及其制品)、填料和粘结剂(树脂)组成。根据工艺及性能要求,粘结剂中可加入固化剂、增稠剂、内脱模剂、溶剂等各种添加剂组份。1、无捻粗纱及圈状毛纱增强材料主要是玻璃纤维及其制品。有时也使用石棉纤维,高硅氧纤维,剑麻,木质纤维,有机纤维,碳纤维等或其复合形式作增强材料。玻璃纤维中,主要使用无捻粗纱、短切纤维、增强型玻璃纤维毡和表面毡。其玻璃组成多为无碱玻璃或中碱玻璃,有时也使用高强型或高弹型玻璃。纤维的单丝直径多在11～13μ范围内。无捻粗纱及圈状毛纱是吸附预成型、片状模塑料及预混料等工艺中的主要玻璃纤维制品。短切纤维是生产厂按用户要求用无捻粗纱或圈状毛纱短切而成的纤维制品。长度一般为3～12mm。主要用于预混料和吸附预成型的湿浆工艺中。玻璃纤维毡分短切原纱毡、连续纤维毡、面毡和覆盖毡。短切原纱毡的规格一般为150～900g/m2,常用300、100、600g/m2的品种。连续纤维毡由原纱以螺旋形分布并绞合而成,用它可以成型多种复杂形状的制品,而不至产生撕裂的现象。毡重一般为225～900g/m2。面毡和覆盖毡都是非增强型毡,用以改善制品外观和保护制品表面免受浸蚀。面毡重30～32g/m2,厚度为0.35mm。覆盖毡重21～26g/m2,厚度为0.3mm。2、制备制品的性能要求填料是模压玻璃钢的一个重要组份。它的主要作用是:(1)降低制品成型时的收缩率和热膨胀率;(2)使制品具有良好的外观,(3)改善树脂的粘度和成型工艺性;(4)增强着色情况下的颜料效果;(5)改善制品的各种性能;(6)降低成本。但填料的加入往往会增大制品的比重,而且使制品变得不透明。在模压成型中所用的填料有天然的无机粉状填料,有机填料,有时也使用金属粉。一般以无机填料为主。有选择地复合使用多种填料,往往可获得较好的使用效果。在填料使用过程中,吸油值(或吸树脂量)是一项十分重要的工艺参数。它的大小与填料的粒度、粒度分布、粒子形状、表面多孔性及有无吸着性有关。吸油值越低,在树脂系统中的可容许加入量越大。3、模具的性能要求模压成型用树脂应满足以下的基本要求:(1)在成型前及成型过程中,树脂的粘度及其增长速度要便于人为控制;(2)在成型温度下,固化速度要快,以缩短成型周期;(3)在成型条件下,固化程度要高,以缩短或消除制品后固化操作;(4)应有较高的热强度,以免在高温脱模时损坏制品;(5)尺寸稳定性好,尽量减小制品的翘曲变形;(6)对模具附着力小,易脱模;(7)坚韧,不易产生微裂纹;(8)着色性好,对纤维的复盖力强。常用的树脂类型有不饱和聚酯树脂,酚醛(或其改性)树脂,环氧树脂,环氧-酚醛树脂。其中,以聚酯树脂的应用占有较-大比重。三、各种压缩工艺的原理和特点1、纤维原料的制备这是用于生产大型、高强异形制品的一种工艺方法,尤其适用于深度较大、壁厚均一的制品。其工艺过程是,先将增强材料——短切玻璃纤维用吸附法制成与制品结构、形状、尺寸相似的预成型坯,然后再把预成型坯放入金属模具内,并于其上倒入全配方的树脂,最后在一定温度、压力下成型制品。一般成型压力为17.5～18kg/cm2,成型周期为1～20min。预成型坯的制备方法一般有三种,即开式(玻璃纤维直接喷射吸附预成型)、闭式(压力通风室预成型)和湿浆预成型。现分述如下:1直接喷射吸附法原理如图1所示。连续无捻粗纱经切割器切成25～50mm的长度后,通过操作者的手持软管将其喷射在旋转的筛模上,由于筛模背面抽风机的作用,短切纤维被吸附在筛模上。在此同时,通过操作者另一手持喷枪,向吸附在筛模上的短切纤维喷洒粘结剂。当纤维在筛模上沉积到预定的厚度后,即停止沉积过程。然后将“预成型坯-筛模”一起放入烘干器内干燥或固化粘结剂。最后从筛模上取下已定型的预成型坯待用。本工艺中所用的粘结剂多属聚酯型和丙烯酸型,纤维为无捻粗纱和圈状毛纱。采用这种工艺方法时,更换制品品种比较方便。由于该方法不受设备尺寸的限制,故可用于成型大型制品。据报导,采用直接喷射吸附预成型设备每小时可生产5m的船壳五个。当生产小型制品,如安全帽时,每小时可生产120个。该方法的主要问题是制品质量对操作者个人技能的依赖性较大。2筛模喷枪和喷枪自动基层胶结剂管理工艺成型原理见图2所示。玻璃纤维的沉积是在一密闭的压力通风室内进行的。连续无捻纱经位于通风室顶部的切割器切成25～50mm长后,在分散器和空气流的作用下,短切纤维分散并均匀沉降于旋转的筛模上,与此同时,安装在通风室侧壁上的喷枪自动对沉降于筛模上的短切纤维喷洒粘结剂。当纤维沉积到预定的厚度后,与筛模一起进入烘干-固化区,随后在脱模区从筛模上取下预成型坯待用。本工艺所用的原材料与上法相同。其主要优点是自动化程度比较高,很少需要人工操作。但设备费用较高,且制品首次投产前工艺参数的摸索比较复杂,不便于频繁更换制品类型。因设备所限,该方法仅限于生产中、小型的制品。3预成型坯模压法湿浆预成型法原理见图3。在本工艺中,短切纤维的沉降是在水成室内进行的,而且短切纤维的输送介质是水而不是空气。湿浆预成型机近似一台造纸机,它先使短切纤维、纤维素纤维(粘结剂)、颜料等组份和水一同制成湿浆,然后使水经过筛模排出,与此同时,短切纤维与纤维素纤维同时沉积在筛模上。当纤维沉积达预定厚度后,将湿的预成型坯连同筛模一起从水成室内升起,并放入烘干室内干燥,最后从筛模上取下已定型的预成型坯待用。本工艺所用的原材料除粘结剂外,与前两种方法相同。该工艺的主要优点是过程可实现自动化,且制成的预成型坯十分清洁,纤维分布也均匀,设备费用较低,但应用范围较窄。吸附预成型坯模压法的特点是:(1)玻璃纤维长度可达2时,在工艺过程中损伤小,而且在制品中含量可高达30～50%,纤维伸展情况也良好,因此制品强度较高。很适于制备高强度模压制品;(2)与其它模压工艺相比,用于制备强度高、尺寸较大制品时,材料成本较低,比较经济;(3)具有中等的生产效率;(4)成型时可使用表面毡和热胶衣涂层,因此制品外观较好。但是,也有一些不足之处妨碍了它的应用。例如:(1)成型时增强材料不流动,因而对厚度变化较大,结构复杂(有狭小流道)的制品不太适用;(2)因属湿法成型,故作业环境较差;(3)制备预成型坯时,对操作者技能依赖性较大;(4)全过程的设备(尤其是机械化设备)造价较高。2、压模压模模压法关于这种工艺,在国际上常有几种称呼。如DMC、BMC和Premix。DMC是英国叫法,是英文DoughMoldingCompound的字头缩写,它是一种团状模塑料。由于DMC所用的树脂以聚酯树脂为主,所以有时也可称为聚酯料团。BMC是英文BulkMoldingCompound的字头缩写,随制法不同可称为块状或散状模塑料,它是一种改进型的DMC。Premix是美国叫法,它是预混模塑料的意思,它可以包括DMC和BMC。Premix或DMC通常是由不饱和聚酯、短切纤维、固化剂、填料和颜料等组份混炼而成的一种纤维增强热固性模塑料。BMC实质上就是一种化学增稠的低收缩DMC。与DMC的主要区别是BMC有较高的纤维含量(从小于15%增加到20%左右)、较长的纤维短切长度(从1/8～1/4时增加到1/2时),并使用了低收缩和化学增稠的树脂系统,因而BMC具有如下一些优点:(1)较高的物理、力学性能;(2)良好的成型工艺性;(3)改善了作业环境;(4)制品具有优良的外观(表面无收缩波纹、无缩孔,且表面平滑,不易产生翘曲)。在国外,BMC已逐步取代了DMC。预混料模压法的工艺过程,首先将树脂、短切纤维和各种填料、添加剂等按比例放入混合器(又称捏合机)内,经充分混合后,预混料可制成油灰状或经挤压设备制成一定重量的棒、条状或丸状、雪片状。在成型阶段,称取一定重量的预混料,放入热压模内,迅速闭合压模,最后在温度、压力作用下成型制品。预混料除可压制成型外,也可用压铸法和注射法成型。采用本工艺成型玻璃钢制品时,制品尺寸、截面形状限制小,可成型带嵌件、连接件、孔洞和螺纹等的制品,而且材料价格便宜,生产效率高。但因纤维的含量和长度不高,备料过程纤维易受损伤等原因,制品强度比预成型法和SMC法低。但由于大量填料的使用,其成本比上述两种工艺的低,且成型工艺性比预成型法好。通用型预混料的成型压力为35～70kg/cm2,温度为132～137℃,BMC的成型压力与上相同,成型温度为149～177℃。3、小型模塑机smc的压力法六十年代初,西德拜耳公司首先研制成SMC,我国自75年以来也发展了这种新技术,目前已建成稳定班产量为3吨的SMC生产作业线。1smc模压法的特点SMC是一种“夹芯”材料。“芯材”部分由经树脂糊充分浸渍的短切玻璃纤维(或玻璃纤维毡)组成,上、下两面由聚乙烯薄膜覆盖。树脂糊含有聚酯树脂、化学增稠剂、低收缩添加剂、填料、固化剂等组份。这种片状成型材料的制备原理见图4。由图4可见,无捻粗纱经短切后,均匀地沉降在刮有树脂糊的下聚乙烯承载膜上,在其进入浸渍区前与刮有同量树脂糊的上聚乙烯薄膜复合,复合后之夹层材料经位于浸渍区的各种结构辊的揉捏作用,最后在机器尾部收卷,得SMC卷状材料。成卷的SMC材料经稠化后,即可用于模压成型。SMC的模压成型属干法成型,成型时只需按制品尺寸、形状、厚度等结构特点,用样板剪裁成一定规格的毡片(毡片质量均匀性好时,可不进行称量操作),直到压制前才揭去两面的聚乙烯薄膜,把多层毡片按一定方式叠合后,放入热压模内,迅速闭合压模,经一定温度和压力作用后,即可成型制品。SMC模压法的主要特点是:(1)材料呈片状,不粘手,操作方便,效率高,且生产过程和成型过程均可实现自动化;(2)具有BMC的成型工艺性,制品也能实现变厚度、带嵌件、孔洞、凸台、筋、螺纹等设计要求,尤其适于大面积制品的成型;(3)制品外观质量好,尺寸稳定性佳,表面平滑、光泽好,纤维裸露少,从而大大简化了制品表面的精加工工序;(4)增强材料在整个工艺过程中损伤小,纤维长度可达1～2时,且含量也高,所以制品的强度性能比较理想;(5)作业环境好,没有湿法成型时由液体树脂所带来的环境污染和玻璃纤维飞扬等问题;(6)成型时材料的损耗小。但在本工艺中,设备造价较高,设备操作及过程控制比较复杂,此外对产品设计,尤其是筋的设计要求较高。2增稠剂的使用机理严密监视和控制树脂糊体系粘度在SMC生产、成型全过程中的变化即增稠特性,是片状模塑料的生产技术关键之一。树脂糊体系的粘度变化应满足以下要求:(1)在浸渍阶段,为保证玻璃纤维的良好浸渍,树脂糊的增稠过程要足够缓慢;(2)浸渍后,为使片状模塑料尽快投入使用和减少库存量,树脂糊的增稠速度要足够快;(3)当片状模塑料的粘度达到可成型的模压粘度后,增稠过程应立即停止、稳定,以获得尽可能长的贮存寿命;(4)增稠了的片状模塑料在成型温度下之粘度,要既有利于料流在压力下迅速充满模腔,同时又能使增强材料可随树脂糊一起均匀流动;(5)增稠作用在每批生产的片状模塑料之间,应有良好的重现性。为满足上述要求,必须选用理想的化学增稠剂,严格控制影响增稠的各种物理、化学因素。常用的化学增稠剂系统有:(1)Ca、Mg的氧化物和氢氧化物;(2)MgO和环状酸、酐的组合系统;(3)LiC1和MgO的组合系统。近年来,也有用聚胺酯作增稠剂的例子。MgO是应用最广、最有代表性的增稠剂,它的增稠机理,一般认为分两阶段,第一阶段MgO和聚酯的端羧基反应产生碱性盐;第二阶段,碱性盐与不饱和聚酯分子中的酯基生成络盐。最终形成高粘度,不粘手的树脂糊体系。影响树脂糊增稠的因素很多,大致可分成物理因素和化学因素两方面。物理因素包括:混合时体系受剪切之程度、温度、环境气氛、湿度(水分)、时间、填料和增稠剂的表面积等。化学因素包括:树脂的类型、化学结构、增稠剂的类型、各种添加剂或杂质的存在等。这些因素的影响及相互作用是相当复杂的,因此在SMC生产过程中要有相当高的质量控制与管理水平。SMC在成型制品时需控制的主要工艺参数是:加料方式、加料面积(制品厚25～32mm时,加料面积为40～80%)、成型温度(135～171℃)、成型压力(简单形状时为25～30kg/cm2,复杂形状时为140～200kg/cm2),保温时间(40～60sec/mm)。4、高强长丝模压法的特点高强度短纤维料模压法是我国广泛使用的一种模压成型法,它主要用于高强度异形制品的制备,也用于制造一些有特殊性能要求的制品,如耐腐蚀、耐热制品等。工艺过程原理及特点按模压料制备方法的不同，本工艺可分为预混法和预浸法。预混法的工艺过程是将玻璃纤维短切成一定的长度后,与一定量的树脂一起在捏合机中捏合均匀,再经撕松,烘干处理后待用。用此法制成的模压料蓬松,且排列无序,浸透性、流动性好,料间互溶性好。此种料宜于制备小型及结构复杂的制品。但强度性能不如预浸料,而且料的比容大,装模比较困难,劳动条件也欠佳。预浸法的工艺过程是将玻璃纤维整束经浸渍、烘干、短切等工序后,即可制得预浸料待用。这种方法设备简单,适于连续生产。制成的模塑料体积小,质量均匀性好,可得到较高的纤维含量,且易于按制品要求定向铺设,因而制品强度高。但由于物料流动性较差,料间互溶性也不好,因而不适于制备具有狭小流道的制品,同时成型时还需注意预防树脂的集聚。与其它模压法相比,高强度短纤维料模压法有叁个主要的特征,即:(1)增强材料使用的品种比较广,除了常用的玻璃纤维外,还可使用高硅氧纤维、碳纤维等高性能材料。而且在这种模压料中,具有较高的增强材料含量(一般的重量含量在50～60%的范围内)、较长的纤维短切长度(一般在30～50mm左右),因而制品强度高,并兼具良好的流动充模能力。(2)所用的树脂系统一般都为酚醛、环氧、改性环氧等树脂。通常不用无机填料。为利于树脂对纤维的浸渍,常使用非活性溶剂(如酒精、丙酮等),以调节树脂的浸渍粘度。但这些溶剂在浸渍后期大部分需除去。(3)在成型时,需要较高的成型温度和成型压力。成型温度一般为160～170℃,成型压力一般为200～300kg/cm2。5、定向铺设模压成型所谓定向铺设是指玻璃钢制品成型前,使增强材料沿制品主应力方向取向的铺设过程。如果把这种经定向铺设后的预定型坯进行模压,成型制品,则称此工艺过程为定向铺设模压成型。由于这种工艺比较复杂,在此仅介绍其简要过程及特点。1预浸渍制品的铺设(1)制品应力分析根据制品结构及实际使用状态,通过分析和计算,寻找主应力方向及其数值大小,从而确定各方向所需增强材料的理论密度和实际用量。(2)预浸渍制品的制备根据制品结构,应力分析结果及工艺铺设方案,确定预浸渍制品的形状、规格、数量,并分别备之。(3)定向铺设预定型坯的制作本步骤实质上是实施第一步结果的工艺过程。对于一般形状比较复杂的制品,通常都在一简易定型模上进行。铺设程序安排按特定制品的工艺方法进行。(4)预定型坯的模压成型将经第三步所制成的预定型坯放入金属模具内,闭合模具,在一定温度、压力下成型制品。2增强材料在制品成型工艺中的应用(1)能充分发挥增强材料的强度、刚度特性;(2)通过纤维的较精确的排列与控制,可预测制品各向的强度及在各种应力条件下的可信度;(3)制品性能重复性好,对操作者的技能依赖小;(4)制品中增强材料的重量含量可达70%左右;(5)对模具的要求较低;(6)成型材料的制备与成型过程可以截然分开,有利于过程的质量控制。但是,这种工艺也存在如下一些不足之处:(1)由于增强材料在成型过程中几乎不发生长程流动,因而该工艺不适于制备具有狭小流道的制品;(2)工艺过程的设计,以及操作都比较复杂,生产效率也不高,仅适于生产批量不大,而性能要求高的制品;(3)当制品受力状态比较复杂时,工艺设计比较困难。除了上述五种模压法外,尚有缠绕模压法、层压模压法等工艺,在此就不一一介绍了。四、制备工艺过程中使用系列越加近几年来,模压成型工艺出现了许多工艺上的革新,老工艺不断得到改良,新工艺,尤其是介于不同模压法之间的边缘工艺不断涌现。产品系列越加丰富,性能愈加完善,应用愈加广泛。综观近几年来国外在该领域的发展,其目标大致为;1、降低成型压力;2、降低成型温度;3、缩短固化周期;4、采用廉价模具和压机;5、改善作业环境;6、使过程连续化、自动化;7、提高和完善制品的质量和各项性能。总之,随着应用领域的扩大,在设法满足来自不同方面性能要求的同时,降低制品成本,简化工艺过程。下面介绍几种比较重要的发展。1、生产设备及工艺SMC工艺目前在几个发达国家中已上升为一种主要的模压成型工艺。以美国塑料工业学会论文集为例,每年有关SMC的论文数量都占20%左右。综合起来看,主要发展有以下几个方面。1)混料设备自动化和快速增稠系统都已获成功。据报导,已建立从备料到成型整个过程自动化的生产