壓製成型又叫壓縮模塑或模壓成型,是將粉狀、粒狀或纖維狀的熱固性塑料加入成型溫度下的模具型腔中,然後閉模加壓,在溫度和壓力作用下,物料首先熔融,並在黏流態下流滿型腔而取得型腔所賦予的形狀,隨後發生交聯反應,分子結構由原來線形分子結構轉變為網狀分子結構硬化定形而成為塑料製品的一種方法。壓製成型是熱固性塑料的主要成型方法。熱塑性塑料也可以用壓製成型的方法生產加工,但必須將模具的溫度冷卻到塑料固化後才能將製品取出,因此,整個生產過程需要交替對模具進行加熱與冷卻,生產周期長,能量消耗大,故實際生產中很少使用。隻有在特殊情況下,如加工一些熔體黏度較大的塑料和生產表麵積大而厚度又小的製品時才采用壓製成型法。
壓製成型的工藝成熟,成型設備簡單,所得製品內應力小,取向程度低,並且不易變形,具有較好的穩定性。但生產周期長,生產效率低,勞動強度大,並且由於壓力傳遞和傳熱與固化的關係等因素,不能用於成型形狀複雜和較厚的製品。
4.5.1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的變化過程(熱塑性塑料隻有物理變化過程),模壓料的成型工藝性能對成型工藝條件的控製和製品質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、成型收縮率和壓縮率等。
(1)流動性
流動性是指熱固性塑料在受熱和受壓作用下充滿模具型腔的能力。在模壓成型中,模塑料能否模壓成一定形狀的製品,主要取決於物料的流動性。影響物料流動性的因素有很多,主要有以下幾方麵:①樹脂的性質和模塑料的組成,包括相對分子質量及其分布、填料、含水量、揮發分等。在相同溫度下,相對分子質量大,分布窄,剛性大的流動性差。填料對模塑料流動性的影響因其種類、形狀和用量而不同。木粉做填料時具有最好的流動性,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最差。一般填料的用量越大則流動性越差。水分和揮發物含量增加,物料流動性增加,但水分和揮發物合量過高時,會嚴重影響製品質量。②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,因為加熱速度太快時,物料不均勻地達到形成黏流態的溫度,靠近熱源的物料受熱時間過長會先形成交聯結構,導致流動性降低。加壓速度降低,物料在未達到所需壓力前即有部分形成交聯結構,從而降低了流動性。反之,則會增大流動性。③模具結構,包括結構、形狀及模腔表麵光潔度等。模腔的結構應盡量縮短物料流動路線,流道呈流線型而避免銳角出現,提高模腔表麵光潔度,則提高流動性。
(2)固化速率
固化速率是指模壓料從塑化狀態經過化學交聯反應轉變成固化狀態的速度,它是熱固性塑料成型時特有的工藝性能,它是衡量熱固性塑料成型時化學反應的速度。固化速率高,即在單位時間內物料的交聯程度高。通常以熱固性塑料在一定的溫度和壓力下,壓製標準試樣時,使物品的力學性能達到最佳值所需的時間與標準試樣的厚度的比值(s/mm)來表示,此值越小,固化速率越大。
固化速率主要是由熱固性塑料的交聯反應性質決定,並受到成型前的預熱、預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,預壓料經過高頻預熱後,固化速率顯著加快。
(3)成型收縮率
模壓製品在高溫下模壓成型後,脫模冷卻至室溫,由於溫度發生變化,其各項尺寸都會減小,發生收縮,這種現象稱為成型收縮。收縮率的大小直接影響製品的尺寸精度,其值越大,製品精度越差。
模壓製品的收縮性是材料的屬性,不同的材料成型後具有不同的收縮率。收縮率大的製品使用時易發生翹曲變形,甚至開裂。影響收縮率的因素除與材料的品種有關外,還受到成型工藝條件、製品形狀大小等因素影響。模壓成型壓力大,收縮率小。固化時間較長,使固化反應比較完全,可揮發物少,收縮率小。
(4)壓縮率
壓縮率是指模塑料的壓製前坯與壓製後製品在壓力方向中尺寸的比值,比值越大,壓縮率越大。
粉狀或粒狀的模塑料,由於模壓前後的體積變化很大,所以壓縮率大。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,而且裝料時還易混入空氣,不利於傳熱,生產效率低。在成型工藝過程,常采用預壓來有效地降低壓縮率。
4.5.2模壓成型設備
模壓成型設備主要包括壓機和模具兩個部分。
4.5.2.1壓機
壓機是模壓成型的主要設備,其作用是通過模具對塑料施加壓力,開啟模具和頂出製品,在某些情況下也傳遞壓縮模塑過程中所需的熱量。壓機以壓力油作為傳動介質,因此又被稱為液壓機。
壓機的種類很多,其中上壓式液壓機和下壓式液壓機是液壓機的主要形式。上壓式液壓機的工作油缸設在壓機的上方,柱塞由上往下壓,下壓板是固定的。模具的陽模和陰模可以分別固定在上下壓板上,靠上壓板的升降來完成模具的啟閉和對塑料施加壓力。下壓式液壓機的工作油缸設在壓機的下方,柱塞由下往上壓。
壓機的主要參數有公稱壓力、柱塞直徑、壓板尺寸和工作行程。液壓機的公稱壓力p是表示壓機壓製能力的主要參數,一般用來表示壓機的規格。
壓板尺寸決定了壓機能模壓製品的麵積大小,而工作行程決定了模具的高度,也決定了能模壓製品的厚度。
4.5.2.2模具
模壓成型用的模具按其結構特點分為溢式、不溢式和半溢式三種。
(1)溢式壓模
溢式壓縮模又稱敞開式壓縮模。這種模具無加料室,由陰模和陽模兩部分組成,陰陽兩部分的正確閉合由導柱來保證,製品的脫模靠頂杆來完成。壓塑時多餘的塑料極易沿著擠壓邊溢出,使塑料具有水平方向的毛邊。這種模具結構比較簡單,操作容易,造價低廉、耐用(凸凹模間無摩擦),塑件易取出;但溢料多、每次加料量難求得—致,部分壓力損失在支撐麵上,適用於壓製厚度不大、尺寸小、且形狀簡單的扁平盤狀或碟狀塑件。但因陰模較淺,不宜壓製收縮率大的塑料。
(2)不溢式壓模
這種模具的特點是有加料室,無支撐麵,不讓物料從模具型腔中溢出,模壓壓力全部施加在物料上,可得高密度製品。這種模具結構較為複雜,要求陰模和陽模兩部分閉合十分準確,製造成本高,要求加料量更準確,必須用質量法加料。此外,模壓時不易排氣,固化時間較長。適用於加工流動性較差和壓縮率較大的塑料,也適用於成型形狀複雜、壁薄和深形塑件。
(3)半溢式壓模
半溢式壓模又稱為半封閉式壓縮模,結構介於溢式和不溢式之間,分有支承麵和無支承麵兩種形式。
有支承麵半溢式壓模。這種模具除裝料室以外,與溢式模具相似。由於有裝料室,可以適用於壓縮率較大的塑料。物料的外溢在這種模具中是受到限製的,因為當陽模深入陰模時,溢料隻能從陽模上開設的溢料槽中溢出。這種模具的特點是製造成本高,模壓時物料容易積留在支承麵上,從而使型腔內的物料得不到足夠的壓力。
無支承麵半溢式壓模。與不溢式模具很相似,所不同的是陰模在進口處開設向外傾斜的斜麵,因而陰模和陽模之間形成一個溢料槽,多餘料可從溢料槽溢出,但受到一定限製,這種模具有裝料室,加料可略過量,而不必十分準確,所得製品尺寸則很準確,質量均勻密實,其製造成本及操作要求均較不溢式模具低。
由於半溢式壓縮模兼有溢式壓縮模和不溢式壓縮模的特點,因而被廣泛用來成形流動性較好的塑料及形狀比較複雜、帶有小型嵌件的塑件,且各種壓製場合均適用。