聚合物基复合材料 高分子专业考试复习资料
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第四章 热固性复合材料成型工艺
4.1手糊成型工艺
4.1.1定义：用手工或在机械辅助下将增强材料和热固性树脂铺覆在模具上，树脂固化形成复合材料的一种成型方法。 4.1.2工序：①增强材料剪裁②模具准备③涂擦脱模剂④喷涂胶衣⑤成型操作⑥固化⑦脱模⑧修边⑨装配⑩制品。
4.1.3优点：操作简便，操作者容易培训；设备投资少，生产费用低；能生产大型的和复杂结构的制品；制品的可设计性好，且容易改变设计；模具材料来源广；可以制成夹层结构。 缺点：劳动密集型的成型方法，生产效率低—喷射成型工艺；制品质量与操作者的技术水平有关；生产周期长；制品力学性能较其他方法低—袋压成型工艺。 4.1.4原材料：玻璃纤维及其织物
选择依据：容易被树脂浸润；有较好的形变性；满足制品的性能要求；价格便宜 。 种类：无捻粗纱；无捻粗纱布；短切原丝毡；加捻布；玻璃布袋。
4.1.4.1热固性树脂：要求：①能够配制成黏度适宜的胶液②能在室温或较低温度下凝胶、固化，固化时无低分子物产生③无毒或低毒④价格便宜，来源广泛。 4.1.2辅助材料
脱模剂：应具备的条件：（1）不腐蚀模具，不影响固化，与树脂粘附力小；（2）成膜迅速、均匀、光滑；（3）使用简便、安全，价格便宜。 按用途分为：内脱模剂（用于模压和热固化 ）；外脱模剂（用于手糊和冷固化 ）。 按性状分为：薄膜型脱模剂；混合溶液型脱模剂；油蜡型脱模剂。
4.1.2.1 薄膜型脱模剂：最常用的有：聚酯薄膜、玻璃纸、聚氯乙烯薄膜、聚乙烯薄膜等。其中聚酯薄膜应用最普遍，使用厚度一般为0.04 mm 、0.02 mm。使用方法：铺在模具上，或用凡士林贴在模具上。优点：脱模效果好，使用方便，材料易得。缺点：薄膜的柔韧性、帖服性差，不能用于形状复杂的制品。 4.1.2.2混合溶液型脱模剂
（1）聚乙烯醇脱模剂的配制：在搅拌状态下，用水将聚乙烯醇加热溶解（水温约 95℃），冷却到室温，往里滴加乙醇或丙酮（边加边搅拌）。加入甘油可增加膜的柔韧性；加入少量洗衣粉，可使成膜均匀；加入少量蓝、红墨水可防止漏涂；需要干燥快则适当多加乙醇或丙酮。
（2）过氯乙烯脱模剂：配方：过氯乙烯粉5～10份，甲苯＋丙酮（1：1）95～90份。按比例将物料与溶剂混和搅拌，放入密闭容器中（不能用塑料容器）等完全溶解后即可使用。 （3）聚苯乙烯溶液脱模剂：配方：聚苯乙烯粉5份，甲苯95份；称量混合，搅拌均匀后，密封放置7天左右，若完全溶解，搅拌均匀即可使用。缺点：甲苯有毒；优点：脱模容易，成模速度快。
4.1.2.3蜡类、油酯类脱模剂 （1）蜡类脱模剂（蜡型脱模剂）：使用方便、省工省时、价格便宜，脱模效果好，使用广泛。
（2）油酯类脱模：a、硅酯脱模剂：硅酯100份，甲苯100份；b、其他油脂脱模剂：耐热机油，硅油，凡士林油，变压器油等。
4.1.2.4脱模剂复合使用：对大型制品或外型复杂的制品，多采用几种脱模剂复合使用，效果较好。
4.1.3填料：目的：降低固化收缩率和热膨胀系数，减少固化时的发热量以防龟裂改善制品的耐热性、电性能、耐磨耗性、表面平滑性及遮盖力，提高黏度或赋予触变性降低成本。要求：在树脂中的分散性好，吸油量少，不影响树脂固化和贮存稳定性。 常用填料：碳酸钙（最普遍，赋予体系触变性）；石棉、铝粉（提高冲击强度）；石英粉、氧化铝（提高压缩强度）；氧化铝、氧化钛（提高黏附力）；三氧化二锑（提高阻燃性）；金属粉、石墨粉（提高导热性和导电性）；滑石粉、石膏粉（降低成本）。
4.1.4颜料糊：要求：①在树脂中易分散，无色斑和分色现象，着色力大；②不影响树脂的黏度和固化；③有机过氧化物的存在或成型时加热不会变色或褪色；④贮存时不会引起树脂凝胶、色泽沉降或分离等现象
种类：有机颜料：着色力强、分散性好、透明度高；无机颜料：耐候性、耐氧化性和耐溶剂性好。
4.1.5触变剂：触变性：在混合搅拌、涂刷等动作状态下，树脂黏度变低，而静止时黏度又变高的性质。测定：6转每分钟与60转每分钟时的黏度比（>1.2）。常用触变剂：气相二氧化硅（10~20μm），聚氯乙烯细粉，膨润土，超细碳酸钙。用量：树脂的1~3%。作用：在立面上成型时防止树脂流挂、滴落、麻面使成型操作容易进行。
4.1.6模具：模具设计的基本原则：符合制品设计的精度要求；有足够的强度和刚度；容易脱模；造价便宜，材料容易得到。 4.1.6.1模具材料选择：
（1）木材：要求均质、无节。常用红松、银杏、枣木等。木材模具表面需要封孔处理。其特点是质轻、易加工；但不耐久。适合于小批量生产小型制品。
（2）石膏：用半水石膏成型。制造简便，造价低；不耐用，怕冲击，适合于小批量生产形状复杂的制品。
（3）水泥：制造方便，成本低，有一定强度，适合于制造形状简单，表面要求不高的制品。 （4）石蜡：适合于制作难以取出的型心，一次性使用，成型后融化掉。 （5）泡沫塑料：不取出的模芯部分。
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（6）低熔点合金：58%铋和42%锡，熔点135C；可溶性盐：60~70%磷酸铝，30~40%碳酸钠，5~8%偏硼酸钠，2%石英粉，用于不易取出的复杂模具。
（7）金属：常用钢材、铸铝等。耐久、不易变形；但加工费用高。适合于小型、大批量生产的高精度制品。
（8）玻璃钢：由木模或石膏模翻制。质轻、耐久、制造方便。适合于中小型制品的批量生产。
4.1.6.2玻璃钢模具的制造：
1）要求：收缩和变形要与原设计精度保持一致；有良好的表面光洁度；能反复多次承受固化放热、收缩，脱模时的冲击，使用寿命长
2）原材料：?模具用胶衣树脂：①固化放热和收缩小；②优异的耐断裂、耐冲击性能；③优良的耐热性、光泽度和硬度；④良好的涂刷性；⑤与制品胶衣色调相反。 ?增强层树脂：①固化收缩率小；②韧性好；③有易操作的黏度；④耐热性好。
3）玻璃钢模具的制造：①胶衣层；②增强层：表面毡层的糊制；第二层以后的糊制；补强；脱模；表面加工；③玻璃钢模具的寿命及影响因素：模具的制作方法；脱模剂种类及用法；制品的成型条件；模具的保管方法；模具的大小和形状；模具承受过大的机械力导致模具寿命缩短。
4.1.7手糊成型工艺：原材料的准备：增强材料准备：a.纤维表面处理（热处理或化学处理）；b.使用前烘干处理；c.按样板下料。
4.1.7.1下料时应注意以下几点：1、布的方向性；2、拼缝应各层错开；3、对圆形制品，布的45°方向变形能力好，可沿此方向裁成布条糊制。4、注意经济使用
4.1.7.2胶液准备：1.胶液的主要工艺指标是：胶液粘度；凝胶时间。2.胶液粘度：表征流动特性，粘度控制在0.2～0.8Pa.s之间，一般用稀释剂调节。粘度过高不易涂刷和浸透增强材料，粘度过低，在树脂凝胶前发生胶液流失，使制品出现缺陷。
4.1.7.2凝胶时间：指在一定温度条件下，树脂中加入定量的引发剂、促进剂或固化剂，从粘流态到失去流动性，变成软胶状态凝胶所需的时间。一般采用引发剂、促进剂用量调节。 凝胶过快—来不及操作，制品交联太严重、收缩大、发脆。 凝胶过慢—增加了生产周期，且易发生流胶。 影响凝胶时间的主要因素：?引发剂、促进剂用量。引发剂、促进剂用量大，凝胶时间缩短；?胶液体积的影响。胶液体积越大，热量不易散失，凝结快；?环境温度、湿度的影响：气温越高，凝结越快；湿度越小，凝结越快。?制品表面积影响：制品表面积大，凝结快。 4.1.7.3①模具准备与脱模剂涂刷：模具准备；脱模剂涂刷（石蜡类，溶液类）；②胶衣层制备；胶衣树脂胶液的配制；胶衣喷涂：准备工作，喷涂，胶衣涂刷；③复合材料制品的糊
制及固化：糊制；固化；④脱模、修整及装配。 4.1.7.4制品中产生缺陷的原因及解决方法
（1）胶衣层的缺陷：①褶皱：固化不足；②针孔、气泡：树脂中含有气泡，模具表面有尘粒；③光泽不好：脱模过早，石蜡脱模剂使用不当；④胶衣剥落：胶衣层与强度层间存在缺陷；⑤色斑：颜料分散不均，模具表面有灰尘；⑥起泡：胶衣层与强度层间裹入空气或溶剂；⑦裂纹：胶衣层太厚，树脂选择不当，苯乙烯或填料太多，树脂固化不良，制品受冲击等；⑧泛黄：湿度，树脂，引发系统，固化。
（2）强度层的缺陷：①制品表面发黏：暴露面固化不良（潮湿和氧气）；②变形：固化不够，加强筋不够；③硬度低，刚度差：固化不全；④制品内气泡多：树脂用量多，胶液气泡多；⑤流胶：树脂黏度小，配料不均匀，引发剂、促进剂不足；⑥分层：制品受潮，树脂用量不够，增强材料未压紧，固化制度选择不当；⑦白化：一次糊制太厚，固化太快。 4.1.8喷射成型工艺：定义：利用喷枪将玻璃纤维及树脂同时喷到模具上而制得复合材料的工艺方法。优点：利用粗纱代替玻璃布，可降低材料费用；半机械操作，生产效率比手糊法高2~4倍；无搭缝，制品整体性好；减少飞边、裁屑和胶液剩余损耗。缺点：树脂含量高，制品强度低；现场粉尘大，工作环境差。分类：按喷射方式：高压型和气动型；按混合形式：内部混合型、外部混合型和已混合型。
4.1.8.1喷射成型常见的缺陷分析：浸渍不良；脱落；固化不足及固化不均；粗纱切割不良；空洞、气泡；厚度不均；白化及龟裂。
4.1.9袋压成型工艺：定义：在手糊成型的制品上，装上橡胶袋或聚乙烯、聚乙烯醇袋，将气体压力施加到未固化的复合材料制品表面而使制品成型的工艺方法。
优点：制品两面较平滑；能适应聚酯、环氧及酚醛树脂；制品质量高，成型周期短。缺点：成本较高，不适用于大尺寸制品。制品：原型零件；产量不大的制品；模压法不能生产的较复杂制品；需要两面光滑的中小型制品。
4.1.9.1袋压成型工艺种类及特点：种类：加压袋法和真空袋法。特点：都采用手糊或喷射铺层；均采用橡胶袋或聚乙烯醇袋加压；为了加快生产周期，一般都采用加热固化；真空袋：0.05~0.06 MPa，加压袋：0.4~0.5 MPa 。 4.1.9.2袋压成型工艺：装袋；固化。
4.1.10复合材料夹层结构的制造：夹层结构有两层薄而高强度的面板材料，其间夹着一层厚而轻质的芯材，是为了满足轻质高强要求发展起来的一种结构形式。面板材料：复合材料板、塑料板、铝板、胶合板等。夹芯材料：蜂窝芯材、泡沫塑料、强芯毯、软木等。优点：比强度高，表面光洁，结构稳定性好，承载能力高，耐疲劳，隔音隔热等。应用：航空工业、建筑工业、交通运输工业。
4.1.10.1复合材料夹层结构的成型工艺 ①蜂窝夹层结构的成型工艺：湿法成型（湿法冷固化成型；湿法热固化成型）；干法成型（涂胶黏结法；胶膜法）。②泡沫夹层结构的成型工艺：预制黏结成型；浇铸成型。③强芯毡夹层结构的成型工艺.
4.2模压成型工艺
4.2.1定义：将模压料置于金属对模中，在一定的温度和压力下，压制成型复合材料制品的一种成型工艺。优点：生产效率高、制品尺寸精确、表面光洁、价格低廉，容易实现机械化和自动化，多数结构复杂的制品可一次成型，制品外观及尺寸的重复性好。缺点：压模的设计与制造较复杂，初次投资较高，制品尺寸受设备限制，一般只适于中、小型复合材料制品。类型：短纤维料模压法；毡料模压法；碎布料模压法；层压模压法；缠绕模压法；织物模压法；定向铺设模压法；预成型坯模压法；片状模塑料模压法。
4.2.2模压料的制备：模压料的组成：①树脂：酚醛树脂和环氧树脂。满足制品性能要求；良好的流动特性；适宜的固化速度，副产物少，体积收缩率小；②增强材料：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等；③辅助材料：稀释剂、偶联剂、增黏剂、填料等。 4.2.2.1模压料制备工艺：预混法；预浸法；浸毡法。
4.2.2.2影响模压料质量的主要因素：溶剂，纤维长度，浸渍时间，烘干条件，其他 4.2.2.3模压料的工艺性：（1）流动性：树脂的反应程度-不溶性树脂含量；挥发物含量；增强材料的长度和含量；模压料的形态；成型温度和压力。（2）收缩率（0~0.3%）：树脂种
类；增强材料和填料含量；模压料的质量指标；制品的结构及成型工艺条件。（3）压缩比：主要取决于模压料的特性和成型工艺过程，也与制品结构有一定关系。 4.2.3片状模塑料、团状模塑料 4.2.3.1片状模塑料的组成：（1）树脂：邻苯型和间苯型不饱和聚酯树脂：满足制品的性能要求；低收缩性；良好的增稠特性；较高的热态强度和韧性。（2）增强材料：玻璃纤维（短切毡和无捻粗纱）：良好的切割性、分散性、浸渍性、抗静电性、流动性，压制成制品后强度高、外观好。
4.2.3.2a.引发剂：BPO 、TBP 、DCP。
b.填料:用途：降低成本，减少收缩率，调节黏度，赋予材料某些特殊性质;种类：氧化硅及硅酸盐类；碳酸盐类；硫酸盐类；氢氧化物;选用考虑因素：颗粒大小；油吸附量；触变现象。
c.着色剂:要求：模压温度下不褪色；不影响树脂固化；着色效果好，分散性好；不影响树脂增稠特性；色彩的耐久性好。 d.低收缩剂：热塑性树脂。
e.增稠剂：作用：使不饱和聚酯黏度迅速增加，达到工艺要求后又相对稳定。增稠剂的类型及增稠效应：Ca 、Mg的氧化物和氢氧化物系统；MgO和环状酸、酐的组合系统；LiCl和MgO的组合系统。影响增稠速度的因素：物理因素：温度、湿度、时间、填料和增稠剂表面积；化学因素：树脂组成、增稠剂类型、添加剂和杂质。增稠机理。 4.2.3.3片状模塑料的制备工艺：配方：制品性能；工艺性能；贮存期。 4.2.4短纤维模压料的成型工艺
（1）压制前的准备：成型压力的计算；装料量的估计：装料量等于模压料制品的密度×制品的体积，再加上3－5％的挥发物、毛刺等损耗。形状、尺寸简化计算法；相对密度比较法；铸型比较法。
（2）压制：①装模：使物料流程最短；狭小流道和死角要预先铺设料；根据制品受力情况排布取向纤维；铺设尽量均匀；尽可能使物料中纤维沿流动方向取向。②压制：压力制度：成型压力；加压时机；卸压放气。③修整及辅助加工。 4.2.5片状模塑料的模压成型工艺：
（1）压制前的准备：片状模塑料的质量检查；剪裁。 （2）加料：加料量：制品体积X1.8；加料方式。
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（3）压制：成型温度：120~155C；成型压力；固化时间。
4.2.6片状模塑料制品的常见缺陷：制品分层；强度不足；鼓泡；花斑；流纹；变形；粘膜；针孔；气孔；表面发暗；裂纹。
聚合物基复合材料复习要点 热固性复合材料成型工艺
