《复合材料工艺与设备》课程教学资源（教案讲义）04 FRP模压成型工艺及设备

第四章FRP模压成型工艺及设备教学参考资料武汉理工大学精品课程

第四章 FRP 模压成型工艺及设备 教学参考资料 武汉理工大学精品课程

1.复合材料模压成型工艺优缺点优：①高温高压成型，强度高：②产品质量稳定、性能好：③能生产结构外形复杂的产品，一次成型，无须二次加工，主要用于GRP产品形制品的成型；④生产效率高，可实现机械化、自动化，适合大批量生产；③制品尺寸精确，表面光洁。缺：①产品规格易受设备限制，一般适于制备中、小型GRP制品或GFRP制品的适中：②设备投资较大；③模具设计与加工较困难。3、目前我国在模压、工业中存在的问题：①没有定型产品，定型产品不多；②模压料的生产工艺落后：③产品的设计。4、GRP模压成型，按目前模压料材料的物理形态，可分为六种类型：①纤维料模压法：预混料，预浸料；②铝料模压法；③碎布料模压法；④层压模压法；③缠绕模压法；③织物模压法。4.2模压料的制备模压料是模压成型中的原材料或半成品。在模压工艺中，所用的模压法，是有的同形式二模压料。我们主要介绍纤维料模压法中的纤维模压制。一、模压料的组成（纤维+树脂+辅助剂）1、树脂主要酚醛、环氧、环氧-酚醛、聚酯树脂等。（模压成型对树脂的成本要求加了点）2、增强材料纤维型增强材料有开刀丝，无抢粗纱，加抢沙，高硅氧纤维、CF等。2、辅助剂包括稀释剂、GF表面处理剂、填料、脱模剂剂及颜料等。4、模压料典型配方举例：

1.复合材料模压成型工艺优缺点 优：①高温高压成型，强度高；②产品质量稳定、性能好；③能生产结构外 形复杂的产品，一次成型，无须二次加工，主要用于 GRP 产品形制品的成型； ④生产效率高，可实现机械化、自动化，适合大批量生产；⑤制品尺寸精确，表 面光洁。 缺：①产品规格易受设备限制，一般适于制备中、小型 GRP 制品或 GFRP 制品的适中；②设备投资较大；③模具设计与加工较困难。 3、目前我国在模压、工业中存在的问题： ①没有定型产品，定型产品不多；②模压料的生产工艺落后；③产品的设计。 4、GRP 模压成型，按目前模压料材料的物理形态，可分为六种类型： ①纤维料模压法：预混料，预浸料；②铝料模压法；③碎布料模压法；④层 压模压法；⑤缠绕模压法；⑥织物模压法。 4.2 模压料的制备 模压料是模压成型中的原材料或半成品。 在模压工艺中，所用的模压法，是有的同形式二模压料。 我们主要介绍纤维料模压法中的纤维模压制。 一、模压料的组成（纤维+树脂+辅助剂） 1、树脂 主要酚醛、环氧、环氧-酚醛、聚酯树脂等。 （模压成型对树脂的成本要求加了点） 2、增强材料 纤维型增强材料 有开刀丝，无捻粗纱，加捻沙，高硅氧纤维、CF 等。 2、辅助剂 包括稀释剂、GF 表面处理剂、填料、脱模剂剂及颜料等。 4、模压料典型配方举例：

配方1、2、3、4、5。二、模压料的制备工艺纤维模压料的制备一般有两种方法，即预混法和预浸法，相应得到的是预混料和预浸料。预混料先是将GF尺寸切成15~30mm长度，然后与一定量的树脂搅拌混匀，再经烘干后制的。这种模压料的特点是纤维松散且无定向，比容大，流动性好，但制备过程中纤维强度损失较大，该法产品最大。预浸法：现将GF来的经过浸，烘干，切面小而制备，其特点：纤维成束状，比较紧密，在制备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互溶性稍差。1、预混法制备工艺预混法工艺流程（方块图）P213分为手工和机械制备两种下面分别举一例说明。P2132、预浸法制备工艺工艺流程分别举手工制备和机械制备各一例说明。P2233、模压料的质量控制模压料的质量控制指标：树脂含量，挥发物含量，可溶性树脂（1）几种典型模压制的质量指标（表8-1）（2）模压料质量指标的测定方法（3）影响模压料质量的几个重要因素4、模压料的存放（1）启用期（2）存放期三、模压料的工艺性包括具流动性、收缩率和压缩比

配方 1、2、3、4、5。 二、模压料的制备工艺 纤维模压料的制备一般有两种方法，即预混法和预浸法，相应得到的是预混 料和预浸料。 预混料先是将 GF 尺寸切成 15~30mm 长度，然后与一定量的树脂搅拌混匀， 再经烘干后制的。这种模压料的特点是纤维松散且无定向，比容大，流动性好， 但制备过程中纤维强度损失较大，该法产品最大。 预浸法：现将 GF 来的经过浸 ，烘干，切面小而制备，其特点：纤维成 束状，比较紧密，在制备过程中纤维强度损失较小，但模压料的流动性及料束之 间的互溶性稍差。 1、预混法制备工艺 预混法工艺流程（方块图）P213 分为手工和机械制备两种 下面分别举一例说明。P213 2、预浸法制备工艺 工艺流程 分别举手工制备和机械制备各一例说明。P223 3、模压料的质量控制 模压料的质量控制指标：树脂含量，挥发物含量，可溶性树脂 （1）几种典型模压制的质量指标（表 8-1） （2）模压料质量指标的测定方法 （3）影响模压料质量的几个重要因素 4、模压料的存放 （1）启用期 （2）存放期 三、模压料的工艺性 包括具流动性、收缩率和压缩比

1、模压料的流动性①概念②模压料的流动性与产品质量的关系③影响其流动性的因素2、模压料的取放①概念②影响因素3、模压料的压缩比①概念②影响模压料压缩比的因素4.3SMC成型工艺引文：前言所学的模压料均采用酚醛树脂和环氧树脂，这是模压工艺的基本要求（即树脂应有较快的融化速度，以及较小的收缩率）。在解决了不饱和酚醛树脂的增稠反应和降低收缩率的有效方法后，采用综合性能好的不饱和酚醛作为模压料的基体将有助于模压工艺的改善及模压产品性能的提高。4.3.1SMC的概念、特点与种类一、SMC的基本概念片状模型料（SheetMoldingCompond）P82。二、SMC的特点1、采用不饱和聚酚树脂作为模压料基体，因此制品具有优良的综合性能。2、由于增稠作用，属于干法成型，操作方便，成型周期短，生产效率高。3、模压料（电材）质量均匀，容易控制，制品性能重现性好。4、填料用量较高20~30%，降低成本。5、模压温度、压力要求的不高，可变范围较大。三、SMC的种类1、结构SMC

1、模压料的流动性 ①概念 ②模压料的流动性与产品质量的关系 ③影响其流动性的因素 2、模压料的取放 ①概念 ②影响因素 3、模压料的压缩比 ①概念 ②影响模压料压缩比的因素 4.3 SMC 成型工艺 引文： 前言所学的模压料均采用酚醛树脂和环氧树脂，这是模压工艺的基本要求 （即树脂应有较快的融化速度，以及较小的收缩率）。在解决了不饱和酚醛树脂 的增稠反应和降低收缩率的有效方法后，采用综合性能好的不饱和酚醛作为模压 料的基体将有助于模压工艺的改善及模压产品性能的提高。 4.3.1 SMC 的概念、特点与种类 一、SMC 的基本概念 片状模型料（Sheet Molding Compond）P82。 二、SMC 的特点 1、采用不饱和聚酚树脂作为模压料基体，因此制品具有优良的综合性能。 2、由于增稠作用，属于干法成型，操作方便，成型周期短，生产效率高。 3、模压料（电材）质量均匀，容易控制，制品性能重现性好。 4、填料用量较高 20~30%，降低成本。 5、模压温度、压力要求的不高，可变范围较大。 三、SMC 的种类 1、结构 SMC

SMC-R（纤维不规则分布）SMC-C（连续纤维单向分布）SMC-D（不连续纤维定向分布）2、高强SMC：HMC、XMC3、LS-SMC（低收缩SMC）LTP-SMC（渗透增强5MC）4、BMC（固状模型料）5、TMC（厚片状模型料）4.3.2SMC的组分及其性能一、不饱和聚酯树脂不饱和聚酯是SMC的主要组份，适宜SMC用的不饱和聚酯树脂应应满足下列要求：①低粘度，便于浸渍GF；②不同增稠剂反应，满足增稠要求；③可降低收缩性；④溶化迅速，提高生产效率；③应具备较高的强度和足够的韧性，在制品脱模时，不发生损坏或开裂。目前，SMC常用顺酐型不饱和聚酯树脂。新型树脂体系（尚处研制阶段）评见“三校教材”。P219二、交联制、引发剂、阻聚剂1、交联剂SMC常用的交联剂有苯乙烯，氯化苯乙烯，甲苯丙烯酸甲酯，乙烯基甲苯邻苯二甲酸二丙烯酯（DAP）等。其中的甲苯乙烯，氯化苯乙烯可降低制品的脆性及树脂粘度：用DHP可提高制品的耐热性。2、引发剂SMC中引发剂应满足：?制得的SMC贮存期长，贮存稳定性好；②高温下不分解，达到某一温度时，分解速度快；③交联效率高

SMC-R（纤维不规则分布） SMC-C（连续纤维单向分布） SMC-D（不连续纤维定向分布） 2、高强 SMC ： HMC 、XMC 3、LS-SMC（低收缩 SMC） LTP-SMC（渗透增强 5MC） 4、BMC（固状模型料） 5、TMC（厚片状模型料） 4.3.2 SMC 的组分及其性能 一、不饱和聚酯树脂 不饱和聚酯是 SMC 的主要组份，适宜 SMC 用的不饱和聚酯树脂应应满足 下列要求： ①低粘度，便于浸渍 GF；②不同增稠剂反应，满足增稠要求；③可降低收 缩性；④溶化迅速，提高生产效率；⑤应具备较高的强度和足够的韧性，在制品 脱模时， 不发生损坏或开裂。 目前，SMC 常用顺酐型不饱和聚酯树脂。 新型树脂体系（尚处研制阶段）评见“三校教材”。P219 二、交联制、引发剂、阻聚剂 1、交联剂 SMC 常用的交联剂有苯乙烯，氯化苯乙烯，甲苯丙烯酸甲酯，乙烯基甲苯， 邻苯二甲酸二丙烯酯（DAP）等。 其中的甲苯乙烯，氯化苯乙烯可降低制品的脆性及树脂粘度；用 DHP 可提 高制品的耐热性。 2、引发剂 SMC 中引发剂应满足： 1 制得的 SMC 贮存期长，贮存稳定性好；②高温下不分解，达到某一 温度时，分解速度快；③交联效率高

表4-1几种常用引发剂的特性引发剂过氧化苯甲酰过氧化苯甲酸过氧化二异丙过氯化氢异丙性能丁酯TBP苯DCP苯CHPBPO物态糊状粉液体液体晶形粉末固化温度（℃）107-149121-149125-149130-149用量（%）21211周2个月>3个月>3个月贮存期（室温）3、阻聚剂为防止聚酯树脂的过早聚合，延长贮存期，SMC中应加入适量的阻聚剂。常见阻聚剂有对苯琨（PBQ），氢琨（HQ）等，用量0.02%~0.05%。三、增稠剂1、增稠剂的选用原剂：①制备初期，要求粘度很低，保证GF和填料的充分浸渍；②充分浸渍后，要求体系粘度迅速增高：③增稠后的体系粘度应该稳定，在模压温度下迅速充模并使GF与树脂的离折；④增稠作用应有稳定的重现性。2、增稠剂的种类：①IA族（碱土）金属氧化物及氢氧化物、MgO、Mg(OH)2、CaO、Ca(OH)2BaO、Ba(OH)2等，常用量3%；②卤代锂、LiCl、LizBr；③有机类增稠剂，醋酸、丁烯酸、苯乙酸等。3、影响增稠效果的因素①增稠剂的不同类型和用量；②聚酯树脂的酸值；③微量水份；④温度。4、增稠机理（详见教材P86）四、低收缩添加剂1、作为SMC低收缩添加剂的物质主要是一些热宿性聚合物：PVC、PS、PE、PVAC、PMMA、PB、PET、PCL等。低收缩添加剂虽能有效低降聚酯树脂的收缩率，但由于其降低了固化放热率，从而延长了固化时间；同时对不饱和聚酯起增塑作用，从而降低了体系的强

表 4-1 几种常用引发剂的特性 引发剂 性能 过氧化苯甲酰 BPO 过氧化苯甲酸 丁酯 TBP 过氧化二异丙 苯 DCP 过氯化氢异丙 苯 CHP 物态 糊状粉 液体 晶形粉末 液体 固化温度（℃） 107-149 121-149 125-149 130-149 用量（%） 2 1 2 1 贮存期（室温） 1 周 2 个月 >3 个月 >3 个月 3、阻聚剂 为防止聚酯树脂的过早聚合，延长贮存期，SMC 中应加入适量的阻聚剂。 常见阻聚剂有对苯琨（PBQ），氢琨（HQ）等，用量 0.02%~0.05%。 三、增稠剂 1、增稠剂的选用原剂： ①制备初期，要求粘度很低，保证 GF 和填料的充分浸渍；②充分浸渍后， 要求体系粘度迅速增高；③增稠后的体系粘度应该稳定，在模压温度下迅速充模， 并使 GF 与树脂的离折；④增稠作用应有稳定的重现性。 2、增稠剂的种类： ①IIA 族（碱土）金属氧化物及氢氧化物、MgO、Mg(OH)2、CaO、Ca(OH)2、 BaO、Ba(OH)2 等，常用量 3%；②卤代锂、LiCl、Li2Br；③有机类增稠剂，醋 酸、丁烯酸、苯乙酸等。 3、影响增稠效果的因素 ①增稠剂的不同类型和用量；②聚酯树脂的酸值；③微量水份；④温度。 4、增稠机理（详见教材 P86） 四、低收缩添加剂 1、作为 SMC 低收缩添加剂的物质主要是一些热宿性聚合物：PVC、PS、 PE、PVAC、PMMA、PB、PET、PCL 等。 低收缩添加剂虽能有效低降聚酯树脂的收缩率，但由于其降低了固化放热 率，从而延长了固化时间；同时对不饱和聚酯起增塑作用，从而降低了体系的强

度，因此低剂的添加量应严格控制在5%（质量比）左右，其粒径小于30um。2、低收缩机理（详见教材P87）。五、无机填料在SMC组份中，填料用量较大，其主要作用为降低制品成本，同时改善制工的某些物理及化学性能。表4-2SMC常用填料及性能填料形态颗粒度吸油量（%）粒状轻质碳酸钙≤3mm92%55~58粒状重质碳酸钙200目99%12325目95%滑石粉片状晶粒30/粒状钛白粉10095.5%25~28粒状硫酸钡10095.5%18粒状氢氧化铝100目95.5%10各项填料对SMC制品物理性能及化学性能的影响评价“FRP用填料”专题讲座。六、内脱模剂内脱模机理内脱模剂的种类、性能、用量硬酯酸锌大容量133℃用量1~3%硬酯酸钙大容量150℃用量1~3%硬酯酸镁大容量145℃用量1~3%七、增强纤维1、增强纤维的种类、长度、含量SMC主要采用GF，其类型为短切GF和GF毡。纤维长度一般为40~50mm。纤维含量正常在25~35%（质量比）之间

度，因此低剂的添加量应严格控制在 5%（质量比）左右，其粒径小于 30um。 2、低收缩机理（详见教材 P87）。 五、无机填料 在 SMC 组份中，填料用量较大，其主要作用为降低制品成本，同时改善制 工的某些物理及化学性能。 表 4-2 SMC 常用填料及性能 填料 形态 颗粒度 吸油量（%） 轻质碳酸钙 粒状 ≤3mm 92% 55~58 重质碳酸钙 粒状 200 目 99% 325 目 95% 12 滑石粉 片状晶粒 / 30 钛白粉 粒状 100 目 95.5% 25~28 硫酸钡 粒状 100 目 95.5% 18 氢氧化铝 粒状 100 目 95.5% 10 各项填料对 SMC 制品物理性能及化学性能的影响评价“FRP 用填料”专题 讲座。 六、内脱模剂 内脱模机理 内脱模剂的种类、性能、用量 硬酯酸锌 大容量 133℃ 用量 1~3% 硬酯酸钙 大容量 150℃ 用量 1~3% 硬酯酸镁 大容量 145℃ 用量 1~3% 七、增强纤维 1、增强纤维的种类、长度、含量 SMC 主要采用 GF，其类型为短切 GF 和 GF 毡。 纤维长度一般为 40~50mm。 纤维含量正常在 25~35%（质量比）之间

2、GF应满足下列要求①良好的切割性，分散性：②易浸性：③纤维中的水分及浸润剂的含量。附，SMC常用配方三校教材P231。表8-18表8-194.4GRP模压制品成型工艺模压料制备生产之后，还需经过模压成型工艺制得模压制品，模压工艺也是热压过。但由于在热压过程中，模压料充模时，不权树脂流动，而且GF也随树脂流动，如何使树脂与纤维产生同时流动，这一特点使得模压工艺复杂性，如模压工艺的成型压力比其他工艺方法要高，树脂的粘度是模压成型的重要要求等等。模压工艺流程图：模具预热修涂脱模剂饰检及模RT韦辅模压料料的称量助预成型后处理压制成成品压制前准备图4-1模压工艺流程图一、压制前准备1、成型压力的计算根据产品设计所要成型压力P及制品水平投影面积上计算压机表压P表。P.f-P变形P装T2、装料量的估计3、脱模制的使用和涂覆

2、GF 应满足下列要求 ①良好的切割性，分散性；②易浸性；③纤维中的水分及浸润剂的含量。 附，SMC 常用配方 三校教材 P231。表 8-18 表 8-19 4.4 GRP 模压制品成型工艺 模压料制备生产之后，还需经过模压成型工艺制得模压制品，模压工艺也是 热压过。但由于在热压过程中，模压料充模时，不权树脂流动，而且 GF 也随树 脂流动，如何使树脂与纤维产生同时流动，这一特点使得模压工艺复杂性，如模 压工艺的成型压力比其他工艺方法要高，树脂的粘度是模压成型的重要要求等 等。 模压工艺流程图： 模具预热 涂脱模剂 料的称量 模压料 预成型 装 模 压 制 脱 模 修 饰 及 辅 助 检 验 成 品 后处理 压制成成品 压制前准备 图 4-1 模压工艺流程图 一、压制前准备 1、成型压力的计算 根据产品设计所要成型压力 P 及制品水平投影面积上计算压机表压 P 表。 P P = T f P i i 变形 表 2、装料量的估计 3、脱模制的使用和涂覆

4、料的强热、预成型二、压制及成品1、装模2、压制压制工艺中的压制制度包括压力制度和温度制度。压制制度的选定和掌握随模压料的类型、产品结构、尺寸及条件不同而异。（1）压力制度压力制度包括成型压力的大小，加压时机和卸压放气三个方面。①成型压力：i、作用a、克服物料流动时的摩擦力，使物料充模；b、克服物料的的挥发蒸汽物；c提高制品的致密性。i、成型压力的大小主要取决于模压料的品种，制品结构及尺寸酚醛型模压料300~500kg/cm250~300kg/cm2环氧酚酯型聚酯型7~100kg/cm2制品结构复杂，所需成型压力愈大。②加压时机i、加压时机的选择要求：主要在树脂（在增稠剂作用下）达到一定程度后进行加压，加压过早，树脂反应程度较低，分子质量小，树脂在压制过程中极易自身流动，加压过迟，粘度过大（树脂反应程度高、分子量过大），反而物料的流动性迅速下降，较难充模。ii、加压时机的选样：主要取决于模压料的品种，物料质量结构及装模温度，几种常用模压流动的加压时机。a、镁酚醛模压料；b、616酚酯模压料；c、环氧酚醛模压料。③卸压放气

4、料的强热、预成型 二、压制及成品 1、装模 2、压制 压制工艺中的压制制度包括压力制度和温度制度。压制制度的选定和掌握、 随模压料的类型、产品结构、尺寸及条件不同而异。 （1）压力制度 压力制度包括成型压力的大小，加压时机和卸压放气三个方面。 ①成型压力： i、作用 a、克服物料流动时的摩擦力，使物料充模；b、克服物料的的挥 发蒸汽物；c 提高制品的致密性。 ii、成型压力的大小 主要取决于模压料的品种，制品结构及尺寸 酚醛型模压料 300~500kg/cm2 环氧酚酯型 50~300kg/cm2 聚酯型 7~100kg/cm2 制品结构复杂，所需成型压力愈大。 ②加压时机 i、加压时机的选择要求： 主要在树脂（在增稠剂作用下）达到一定程度后进行加压，加压过早，树脂 反应程度较低，分子质量小，树脂在压制过程中极易自身流动，加压过迟，粘度 过大（树脂反应程度高、分子量过大），反而物料的流动性迅速下降，较难充模。 ii、加压时机的选样： 主要取决于模压料的品种，物料质量结构及装模温度，几种常用模压流动的 加压时机。 a、镁酚醛模压料；b、616 酚酯模压料；c、环氧酚醛模压料。 ③卸压放气

主要对快速加压法而言，加压过程中（压力上升后），必须反复几次卸压放气，有效地排除模压物及反应付产物等，这些挥发物以及附产物如保留在物料（或成品）内，极易产生气泡，分层等现象。（2）温度制度详见教材P98。①装模温度：②升温速度；③最高模压温度；④保温时间：③后固化处理三、几种GRP复材模压料成型工艺分快速成型和慢速成型工艺两种。下面详细介绍快、慢速成型的两种小型工艺的典型例子。（详见教材P8-39）四、GRP复材模压制品的常见缺陷及其解决。（见新教材P105，表4-19）五、片状模型料的压制成型工艺SMC压制成型工艺过程比较简单，压制时所需温度和压力均较慢，成型速成快，其工艺缩水如下：修订成平压制前准备加料成型脱模?校正1、成型工艺参数的选定①成型温度a、成型温度必须保证树脂固化反应充分进行，温度过低，固化不易完全且工艺期过长，极易产生粘模：b、温度过高极易引起低收缩剂的热分解，如苯乙烯的蒸发；c、制品形状复杂，厚度愈大，成型温度应较低；d、为了便于脱模，上、下模应保持5~10℃的温差；e、S2510片状模塑料的成型温度一般为120~145℃②成型压力a、片状模压料由于其增稠效应，成型压力比聚酯料要稍高；b、制品形状愈复杂，尺寸过大或过小，均需适当提高成型压力：C、SMC的成型压力通常为30~150kg/cm2

主要对快速加压法而言，加压过程中（压力上升后），必须反复几次卸压放 气，有效地排除模压物及反应付产物等，这些挥发物以及附产物如保留在物料（或 成品）内，极易产生气泡，分层等现象。 （2）温度制度 详见教材 P98。 ①装模温度；②升温速度；③最高模压温度；④保温时间；⑤后固化处理 三、几种 GRP 复材模压料成型工艺 分快速成型和慢速成型工艺两种。 下面详细介绍快、慢速成型的两种小型工艺的典型例子。（详见教材 P8-39） 四、GRP 复材模压制品的常见缺陷及其解决 。（见新教材 P105，表 4-19） 五、片状模型料的压制成型工艺 SMC 压制成型工艺过程比较简单，压制时所需温度和压力均较慢，成型速 成快，其工艺缩水如下： 压制前准备 加料 成型 脱模 修订 1、成型工艺参数的选定 ①成型温度 a、成型温度必须保证树脂固化反应充分进行，温度过低，固化不易完全且 工艺期过长，极易产生粘模；b、温度过高极易引起低收缩剂的热分解，如苯乙 烯的蒸发；c、制品形状复杂，厚度愈大，成型温度应较低；d、为了便于脱模， 上、下模应保持 5~10℃的温差；e、S2510 片状模塑料的成型温度一般为 120~145 ℃ ②成型压力 a、片状模压料由于其增稠效应，成型压力比聚酯料要稍高；b、制品形状愈 复杂，尺寸过大或过小，均需适当提高成型压力；c、SMC 的成型压力通常为 30~150kg/cm2。 成平 校正