4 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。
智慧珠拼盘模压成型的缺点：
模具制造复杂，投资较大，制品尺寸受设备限制。
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: r22压焓图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。
电渣重熔
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。
酒精增稠剂预浸法 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。
超声波焊接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）可调控粘度。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汽车除霜器范围内。
(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：
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