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模壓料的成型工藝特性

 

    熱固性塑料的模壓成型過程是一個兼有物理和化學(xué)的變化過程(熱塑性塑料只有物理變化過程),模壓料的成型工藝性能對成型工藝條件的控制和制品質(zhì)量的提高有很重要的意義。模塑料的成型工藝性能主要指流動性、固化速率、收縮率和壓縮比。
一、流動性    
    流動性是指模塑料在一定溫度和壓力作用下的流動能力。它反映了模塑料在指定溫度和壓力下能夠充滿模具型腔的能力,并且保證得到均勻致密的制品。在模壓成型中,模塑料能否模壓成一定形狀的制品,主要取決于物料的流動性。
    在模壓成型過程中熱塑性樹脂和熱固性塑料的流動性有較大差異。熱塑性塑料通過熱達到黏流態(tài)后開始流動,并在壓力作用下充滿型腔,成型過程中流動性不發(fā)生實質(zhì)性的變化。對于熱固性塑料,通過加熱可以使物料熔融降低黏度,在壓力作用下發(fā)生流動,充模成型。但是與此同時會使塑料分子上的活性基因發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致黏度升高而影響流動性。交聯(lián)反應(yīng)放出的熱量導(dǎo)致物料溫度升高并加速交聯(lián)固化,從而引起物料黏度急劇增加,流動性迅速下降。
    在確定模壓成型工藝條件和模具設(shè)計中必須充分注意模塑料的流動性。不同模壓制品驛流動性有不同的要求,流動性適當(dāng)?shù)奈锪峡梢栽谳^低的成型溫度和壓力下制出復(fù)雜的制品。物料流動性不宜過小,否則會導(dǎo)致物料溢出模腔大量流失,不僅浪費原材料,而且制件上會出現(xiàn)凹痕,物料在型腔內(nèi)填塞不緊等缺陷。而流動性差的物料則必須相應(yīng)提高成型溫度、增加成型壓力,成型較復(fù)雜的制品也比較困難。所以形狀復(fù)雜或大型制品要求模塑料應(yīng)有較好的流動性。
影響物料流動性的因素有很多,主要有以下幾方面。
   (1)樹脂的相對分子質(zhì)量及其分布在相同溫度下,相對分子質(zhì)量愈大,大分子鏈重心相對移動愈困難,黏度愈大,流動性差,對加工成型不利,所以生產(chǎn)中常采用加入低分子物質(zhì)(增塑劑)的方法來降低相對分子質(zhì)量大的聚合物黏度,改善其加工性能。
    剛性高分子由于鏈段很長,甚至整個鏈?zhǔn)且粋€鏈段,因此流動困難,需要很高溫度。分子鏈剛性越大,其黏度對溫度的變化就越敏感。
    支鏈型大分子相對于線型高分子來講,分子間距離增大,相互作用力減小。如果其支鏈愈多、愈短,流動的空間位阻愈小,黏度就低,容易流動。
    分子量相同,但分子量分布不同的高聚物,其黏度隨剪切速率變化的幅度是不同的。當(dāng)剪切速率變化的幅度是沒的。當(dāng)剪切速率小時,分子量分布寬的融體黏度比分子量分布窄的高。但在剪切速率高時,分子量分布寬的反而比分子量分布窄的小。黏度對溫度的敏感性,也隨高聚物分子量分布不同而變化。
    模塑料中的樹脂和纖維應(yīng)在壓力和溫度作用下一起流動以充滿模腔。模塑料制備初期,希望其中樹脂的結(jié)構(gòu)特點是支化程度小,分子量也要求盡量小。經(jīng)過烘干以后,制成的模塑料便已經(jīng)開始了固化歷程,分子量已經(jīng)有所提高,不溶性樹脂含量增加。但是在成型時,樹脂在模塑料中只能是處于固化階段的初期,只有當(dāng)大部分村脂都處在這一階段才能保證模塑料有很好的流動性。所以控制模塑料中樹脂的固化階段的好辦法是控制不溶性樹脂含量。
   (2)填料   在模塑料中,所加入的填料的種類、形狀和用量都會影響模塑料的流動性。如用木粉做填料時具有好的流動性,用無機填料時流動性稍差,用纖維和紡織物作填料時流動性差,顆粒細小且是圓球形的填料,則流動性大。填料的用量越大則流動性越差。
   (3)揮發(fā)物  揮發(fā)物主要是模塑料中稀釋劑、脫模劑和有些樹脂反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水分、氣體等。揮發(fā)物在物料中的含量對流動性影響很顯著,揮發(fā)物含量增加,物料流動性增加。但揮發(fā)物含量不宜過高,否則會使樹脂在成型過程中大量流失,嚴(yán)重影響制品質(zhì)量。當(dāng)揮發(fā)分含量過低時,物料的流動性顯著下降,成型困難。
   (4)增強材料  模塑料時增強材料的形態(tài)、含量直接影響著物料的流動性。增強材料中纖維流動性較差,而帶、布、氈成型時幾乎不流動。同是纖維模塑料,短纖維比長纖維流動性好,但長纖維制品強度高。對于形態(tài)復(fù)雜制品,應(yīng)兼顧制品強度和成型要求,考慮混合使用不同形態(tài)的模塑料。纖維的含量少則流動性好。在不影響制品力學(xué)性能的前提下應(yīng)當(dāng)縮短纖維長度和減少纖維含量。
   (5)加熱速度和加壓速度  提高加熱速度將降低模塑料的流動性,這是因為加熱速度太快時,物料不均勻地達到形成黏流態(tài)的溫度,因此所顯示的流動性較差;但加熱速度也不能過分地降低,否則不僅會降低生產(chǎn)率,而且也由于靠近熱源的物料受熱時間過長會先形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),同樣導(dǎo)致流動性降低。
    加壓速度對流動性也有影響。由于加壓速度降低,物料在未過到所需壓力前即有部分形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),從而降低了流動性。反之,則會增大流動性。
   (6)模具結(jié)構(gòu)  模具結(jié)構(gòu)、形狀及模腔表面光潔度等都會影響模塑料熔體的流動。采用不潔模腔模壓制品會出現(xiàn)流動性降低和粘模等現(xiàn)象,為了保證產(chǎn)品的性能,模壓前應(yīng)用溶劑擦洗模腔。模腔的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量縮短物料流動路線和避免銳角現(xiàn)現(xiàn);而模腔表面光潔度越高則影響流動性的程度越小;流道呈流線形且長度短的能提高流動性;物料在新模具中的流動性不如在舊模具的大。
    總之,模塑料的流動性是模壓成型過程中一個重要的工藝特性,影響因素很多,而且有些因素在某種情況下地產(chǎn)生與制品性能要求、工藝操作等方面相矛盾的結(jié)果。這就需要根據(jù)具體情況和條件妥善處理,以保證模壓制品的質(zhì)量。為保證每批模塑料都具有相同流動性,在出廠和或使用前并批來調(diào)節(jié),即將同一品種而流動性不一致的物料加以混事,這樣不但能使各批物料流動性相互調(diào)節(jié)且保證了制件的質(zhì)量一致。
二、固化速率
    固化速率是指塑料從塑化狀態(tài)經(jīng)過化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成固化狀態(tài)的速度。它是熱固性塑料成型時特有的工藝性能。固化速率高,即在單位時間內(nèi)物料的交聯(lián)程度高。
    固化速率主要是熱固性塑料的交聯(lián)反應(yīng)性質(zhì)決定,并受到成型前的預(yù)熱、預(yù)壓情況以及成型工藝條件如模壓溫度和壓力等多種因素的影響。固化速率隨模壓成型溫度的升高而增大;預(yù)壓料經(jīng)過高頻預(yù)熱后,固化速率顯著加快。
    塑料的固化速率應(yīng)當(dāng)適中,地慢則成型周期長,生產(chǎn)效率低;過快會使塑料在尚未充滿模具型腔就已固化,導(dǎo)致制品報廢。通常對于形狀復(fù)雜的制品,固化速率應(yīng)適當(dāng)減慢。
三、收縮率
    模壓制品在高溫下模壓成型后,脫模冷卻至室溫,由于溫度發(fā)生變化,其各項尺寸都會減小,發(fā)生收縮,這種現(xiàn)象稱為成型收縮。收縮率的大小直接影響制品的尺寸精度,其值越大,制品精度越差。
    對模壓制品而言,收縮率包括實際收縮率和計算收縮率。實際收縮是指模具或制品相應(yīng)方向的尺寸在模壓溫度與室溫的差別。計算收縮率是指室溫下模具尺寸與制品尺寸之間的差別。模塑料在模壓過程中產(chǎn)生的收縮率是實際收縮率。而在確定模具尺寸時,則必須考慮計算收縮率。產(chǎn)生制品收縮的原因大致有以下幾方面。
(1)熱脹冷縮  塑料的熱膨脹系數(shù)比金屬大很多,故冷卻后塑料的收縮比鋼制模具的大。
(2)內(nèi)應(yīng)力  制品受熱不均勻等原因會使塑件在成型過程中殘留內(nèi)應(yīng)力,脫模后殘余的應(yīng)力使制品繼續(xù)收縮和變形,這種收縮成為后收縮。后收縮的比率約為冷卻收縮的1%左右。
(3)結(jié)構(gòu)變化  對于熱固性塑料來說,由于在成型過程中發(fā)生了化學(xué)交聯(lián),其分子結(jié)構(gòu)由原來的線型或支鏈型結(jié)構(gòu)變?yōu)榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu),縮合出的水分和小分子揮發(fā)性物質(zhì)逸出,密度增加,體積縮小。
    模壓制品的收縮性是材料的屬性,不同的材料模成弄后具有不同的收縮率。收縮率大的制品使用時易發(fā)生翹曲變形,甚至開裂。
    影響收縮率的因素除與材料的品種有關(guān)外,還受到成型工藝條件、制品形狀大小等因素影響。
a) 、模壓成型壓力大,收縮率小。因為模塑料所受壓力大,制品結(jié)構(gòu)致密,從而降低制品的收縮率。
b)、  固化時間較長,使固化反應(yīng)比較完全,可揮發(fā)物少,收縮率小。同時因為物料國有化比較完全,脫模后交聯(lián)反應(yīng)的可能性小,制品尺寸變化小。
c)、 收縮率大小與填料的種類和含量有關(guān),填料量大,塑料含量相對少,收縮率小。
d) 、制品熱脫模產(chǎn)生的收縮大于冷脫模的收縮。因為制件溫度高,樹脂大分子的運動能力強,減小內(nèi)應(yīng)力的傾向大,后收縮大。
e) 、模壓制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜,物料內(nèi)部所受壓力不容易一致,同時模腔內(nèi)各部分溫度也不會是完全均勻的,因素導(dǎo)致制品各部位的收縮也不一樣。
四、壓縮力
    壓縮比是指模塑料的壓制前坯與壓制后制品在壓力方向中尺寸的比值(即模塑料的表現(xiàn)相對密度與制品相對密度的比值),比值越大,壓縮比越大。粉狀或粒狀的模塑料,由于模壓前后的體積變化很大,所以壓縮比。如果直接進行模壓,會使模具的裝料室加大,不僅耗費模具材料,而且裝料進還易混入空氣,不利于傳熱,生產(chǎn)效率低。降低壓縮比的好方法是模壓成型前對其進行預(yù)壓。
    纖維模塑料不易產(chǎn)生緊密的堆積,因此,與一般模塑料相比有較大的比容,從而具有較大的壓縮比。在用不同方法制備的纖維增強模塑料中,預(yù)混料的壓縮比預(yù)浸料的大,因此在模具設(shè)計中,采用預(yù)混料的模具就需要較大的裝料室。也就是說,預(yù)混料在裝模時比預(yù)浸料困難。扁平、厚度小的大制品比大厚度的小制品有更小的壓縮比,所需要的模具裝料室也就較小。
    在成型工藝過程,若采有物料的預(yù)壓或預(yù)成型工藝就可以有效地降低壓縮比。在定向鋪設(shè)模壓工藝中,由于料坯具有十分緊密的堆積,因而其壓縮比僅為1.3:1左右。

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