環(huán)氧片狀模塑料模壓工藝參數(shù)的研究

李建，黃志雄

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰442002；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070）

環(huán)氧片狀模塑料模壓工藝參數(shù)的研究

李建1，黃志雄2

（1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰442002；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070）

通過(guò)差熱分析及固化度測(cè)試確定了環(huán)氧片狀模塑料的模壓溫度，通過(guò)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度試驗(yàn)確定了成型壓力，通過(guò)熱模內(nèi)模塑料粘度變化確定了加壓時(shí)機(jī)，進(jìn)而利用正交實(shí)驗(yàn)方法確定了模壓成型的最佳模壓溫度、加壓時(shí)機(jī)、合模時(shí)間及保壓時(shí)間。研究表明：ESMC的最佳模壓工藝參數(shù)為：模壓溫度150℃、加壓時(shí)機(jī)15 s、模壓時(shí)間15 s、保壓時(shí)間30 min。模壓工藝參數(shù)對(duì)模壓制品的表面質(zhì)量有顯著地影響，其顯著性順序?yàn)楸簳r(shí)間、模壓溫度、加壓時(shí)機(jī)、合模時(shí)間。

環(huán)氧片狀模塑料；模壓工藝參數(shù)；表面質(zhì)量

片狀模塑料是一種模壓成型短切纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的復(fù)合材料，其自動(dòng)化程度高，適合加工形狀復(fù)雜的構(gòu)件，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前生產(chǎn)和研究中的模壓成型片狀模塑料主要有不飽和聚酯樹(shù)脂片狀模塑料（SMC）和酚醛片狀模塑料（PSMC）。但由于不飽和聚酯樹(shù)脂片狀模塑料采用不飽和聚酯樹(shù)脂作為基體，力學(xué)強(qiáng)度低，無(wú)法用于制備指定場(chǎng)合下的結(jié)構(gòu)部件；而酚醛片狀模塑料以酚醛樹(shù)脂為基體，容易吸潮、耐腐蝕性差、脆性大，而且電性能不理想，在電氣、建筑和航天軍工領(lǐng)域的應(yīng)用受到極大的限制。筆者在SMC和PSMC的研究的基礎(chǔ)上研制出了一種以環(huán)氧樹(shù)脂為基體樹(shù)脂的環(huán)氧型片狀模塑料（Epoxy Sheet Molding Compound，ESMC）。由于環(huán)氧樹(shù)脂本身具有耐溫性、耐腐蝕性好、力學(xué)強(qiáng)度高、絕緣效果好、收縮性低、吸水性低等諸多性能優(yōu)點(diǎn)，因此所研制的ESMC可以彌補(bǔ)SMC和P-SMC在性能上的不足，在建筑、航天、電氣等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

在制品的模壓工藝中，對(duì)制品質(zhì)量的影響因素有很多，其中模壓的固化制度和壓力制度影響最大［1-2］。為了壓制出高質(zhì)量的制品，需確定合適的工藝條件［4-8］，主要包括模壓溫度、模壓壓力、加壓時(shí)機(jī)和保壓時(shí)間等。本研究通過(guò)差熱分析及固化度測(cè)試確定環(huán)氧片狀模塑料的模壓溫度，通過(guò)螺旋流動(dòng)長(zhǎng)度試驗(yàn)來(lái)確定成型壓力，通過(guò)熱模內(nèi)模塑料粘度測(cè)試來(lái)確定加壓時(shí)機(jī)，進(jìn)而利用正交實(shí)驗(yàn)方法確定模壓成型的最佳模壓溫度、加壓時(shí)機(jī)、合模時(shí)間及保壓時(shí)間。

1　試驗(yàn)部分

將玻纖含量為25%的ESMC片材，按產(chǎn)品形狀要求剪裁成一定的尺寸，揭去兩面的薄膜，按一定要求疊合并鋪層在熱的平板對(duì)模上（模具型腔尺寸為300×300×4mm），按設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)進(jìn)行加壓加溫成型。將制成的板材切割成100×100×3mm的正方形試樣和80×15×4mm的標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)樣條。平板彎曲性能按GB1449-2005在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)定；用光柵法測(cè)定制品的表面質(zhì)量［9-11］。

采用螺線流量流動(dòng)性測(cè)試法，將10gESMC片材放到150℃的2塊鍍鉻鐵板之間，在一定壓力下，加壓30s，然后在30min內(nèi)壓縮固化成型，測(cè)量成型物有光澤部分的長(zhǎng)度。澆口孔徑為2mm。

2　結(jié)果與討論

2.1模壓溫度的確定

圖1為ESMC在不同升溫速率下的DSC曲線圖。DSC曲線的峰值溫度會(huì)隨升溫速率的改變而發(fā)生變化。在測(cè)定某一熱固性材料的固化溫度時(shí)，由于升溫速率不同而得出不同固化溫度，這就使熱固性材料的實(shí)際固化溫度難以選定，為此，提出采用T-β外推法求固化工藝溫度近似值。

將ESMC在升溫速率β分別為5℃·min-1，10℃·min-1和15℃·min-1下固化反應(yīng)DSC圖中的第1個(gè)峰的峰始溫度（To）、峰值溫度（Tp）、峰終溫度（Tf）等數(shù)值列于表1中。

圖1　ESMC在不同升溫速率下的DSC曲線圖

表1　溫度T與升溫速率β之間的關(guān)系

以升溫速率為橫坐標(biāo)，不同升溫速率下的溫度值為縱坐標(biāo)，依次得出關(guān)于To、Tp、Tf經(jīng)過(guò)擬合的直線，如圖2所示。

圖2　溫度T與升溫速率β的擬合曲線

線性擬合系數(shù)分別為0.999 43，0.999 32，0.99859，這說(shuō)明對(duì)這3條直線的線性擬合是合理的。將得到的3條直線外推到β為0時(shí)得到3點(diǎn)溫度，即固化工藝溫度，定義為近似凝膠溫度（Tgel）、固化溫度（Tcure）、后處理溫度（Ttreat），分別為101℃、111℃和150℃，故采用階梯升溫的模式可得到固化工藝為101℃/10 min+111℃/10 min+ 150℃/10min+180℃/10min，其中180℃為后固化溫度［12］。對(duì)比試樣在不同溫度的固化情況，在101℃固化10min時(shí)固化度為72.3，101℃/10min+ 111℃/10 min時(shí)固化度為81.5，101℃/10 min+ 111℃/10 min+150℃/10 min時(shí)為93.7，101℃/ 10 min+111℃/10min+150℃/10min+180℃/10min時(shí)為95.4，可以看出：以中溫固化劑作為固化體系的模塑料在111～150℃溫度范圍可以達(dá)到讓人滿意的固化程度。在此固化體系下，溫度低于100℃出現(xiàn)固化慢、不完全、粘模的情況，溫度超過(guò)150℃時(shí)，制品表面容易發(fā)黃，固化反應(yīng)過(guò)于劇烈導(dǎo)致模塑料來(lái)不及充滿型腔，缺料表面質(zhì)量差。但在模壓工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中，不會(huì)按階梯升溫方式來(lái)進(jìn)行壓制生產(chǎn)，為了節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間、提高效率，只能確定一個(gè)合適的溫度點(diǎn)，在一定的時(shí)間內(nèi)模壓成型。經(jīng)過(guò)比較，最終確定系統(tǒng)的模壓溫度為150℃。

2.2模壓成型壓力的確定

圖3為10 g料在1～14 d的增稠時(shí)間段150℃固化時(shí)的螺線長(zhǎng)度，由圖可知，經(jīng)過(guò)3～4 d增稠的ESMC料在壓力超過(guò)14 MPa時(shí)顯示出了良好的流動(dòng)性。在此壓力下模壓料能夠充滿模腔并很好地浸漬短纖維，達(dá)到模壓成型的要求。

圖3　ESMC在不同模壓壓力和增稠時(shí)間條件下的螺線長(zhǎng)度

2.3加壓時(shí)機(jī)及速度確定

圖4分別為α-甲基丙烯酸/氧化鎂（MgO）、甲苯二異氰酸酯（TDI）作為增稠劑時(shí)的熱模內(nèi)片材粘度變化曲線?？梢钥闯觯浩脑跓崮?nèi)粘度先降后升，最小粘度依然在104Pa·s數(shù)量級(jí)左右，在此粘度需要高于10MPa的壓力才可成型。而且，ESMC在20～30s左右內(nèi)有一個(gè)較穩(wěn)定的粘度平臺(tái)，且粘度適合于模壓成型，因此確定加壓時(shí)機(jī)為加料后10～20s時(shí)加壓，并在10～20s內(nèi)完成加壓。

圖4　不同增稠體系下熱模內(nèi)ESMC片材粘度變化曲線圖

2.4保溫時(shí)間的確定

采用固化度和固化收縮率來(lái)檢測(cè)制品的固化情況（表2）。當(dāng)模壓時(shí)間小于10 min，也就是每毫米厚的模壓時(shí)間小于2.5 min時(shí)，固化度很低，收縮率較大，產(chǎn)品固化不完全。當(dāng)時(shí)間大于30 min以后，制品的固化度大于60，產(chǎn)品已基本固化完全。所以確定ESMC的保溫時(shí)間為7.5～10 min·mm-1。

表2　保溫時(shí)間對(duì)ESMC固化度和固化收縮率的影響

實(shí)驗(yàn)?zāi)簻囟葹?50℃，壓機(jī)壓力為14 MPa，模壓時(shí)間為10～40 min。試樣直徑為100mm，厚度為4mm。

2.5工藝參數(shù)對(duì)制品表面質(zhì)量影響

采用L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，來(lái)研究模壓工藝參數(shù)對(duì)制品表面質(zhì)量的影響情況。制品的表面質(zhì)量在在光電光度計(jì)（滿額120°）上進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。對(duì)表3相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，模壓工藝參數(shù)對(duì)模壓制品的表面質(zhì)量有顯著地影響，其顯著性為

表3　不同工藝參數(shù)與制品表面質(zhì)量的正交設(shè)計(jì)表

表4　表面質(zhì)量的極差分析

此ESMC為中溫固化體系，保壓時(shí)間和模壓溫度主要決定著制品的固化情況，從而直接反映在制品的表面質(zhì)量上。

圖5為各工藝參數(shù)與制品表面質(zhì)量關(guān)系圖，表面光澤度取平均值（表3）。由圖5可以看出：隨著保壓時(shí)間的延長(zhǎng)，制品的表面質(zhì)量有較大提高，增加保壓時(shí)間可促使制品固化完全，從而提高光潔度，抑制因固化不均勻而造成的翹曲等缺陷的發(fā)生；隨著合模時(shí)間的延長(zhǎng)，制品的表面質(zhì)量有所提高，這主要體現(xiàn)在，在較慢的速度下合模，可以排出片材內(nèi)易揮發(fā)氣體，抑制氣孔的產(chǎn)生，提高制品的表面光潔度和顏色的均一性；在15 s加壓時(shí)，制品表面質(zhì)量較好，過(guò)早會(huì)因片材粘度不均勻而在制品表面產(chǎn)生纖維流動(dòng)線，過(guò)晚會(huì)有局部缺料、缺膠的現(xiàn)象，或?qū)е戮植款A(yù)固化，產(chǎn)生裂紋、毛邊過(guò)厚甚至粘模等缺陷；而隨著模壓溫度的提高，制品表面質(zhì)量有所提高，適當(dāng)提高溫度可促進(jìn)制品固化完全，提高光潔度，抑制因固化不完全而產(chǎn)生的起泡、粘模等缺陷。

綜上分析可知，當(dāng)模壓溫度為150℃、ESMC片材放入模具后15 s時(shí)加壓、最后25mm行程時(shí)間為15 s、保壓時(shí)間為30 min時(shí)，片材具有最佳的表面質(zhì)量。此工藝參數(shù)的表面質(zhì)量最優(yōu)，因此為最優(yōu)的工藝參數(shù)。

圖5　不同工藝參數(shù)對(duì)制品表面質(zhì)量的影響

3　結(jié)論

ESMC的最佳模壓工藝參數(shù)：模壓溫度為150℃、加壓時(shí)機(jī)為15 s、模壓時(shí)間為15 s、保壓時(shí)間為30 min。模壓工藝參數(shù)對(duì)模壓制品的表面質(zhì)量有顯著的影響，其顯著性大小排序?yàn)楸簳r(shí)間、模壓溫度、加壓時(shí)機(jī)、合模時(shí)間。

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Research on Molding Parameter of Epoxy Sheet Molding Compound

Li Jian1，Huang Zhixiong2
（1.School of Materials Science&Engineering，Hubei Automotive University of Technology，Shiyan 442002，China；2.School of Materials Science and Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；）

The molding temperature，compressing pressure and molding time were determined by DSC analysis and the test of curing degree，the test of spiral length and viscosity of the epoxy sheet molding compound in the hot mould，respectively.Then，the optimum molding parameters（molding temperature，compressing time，clamping time and pressure holding time）were determined by the orthogonal experimental design.The results show that the optimum molding parameters of ESMC are as follows：molding temperature 150℃，compressing time 15 s，clamping time 15 s and pressure holding time 30 min.And the molding parameters have a significant influence on the surface quality of ESMC parts，its significance in sequence is pressure holding time，molding temperature，compressing time，clamping time.

epoxy sheet molding compound；molding parameter；surface glossiness

TQ320.66+9

A

1008-5483（2016）03-0048-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.03.012

2016-05-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50473013）；湖北省自然科學(xué)基金（2014CFC1152）

李建（1980-），男，湖北鄂州人，博士，副教授，從事高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料及其性能的研究。E-mail：lijian_0711@126.com