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1、第八章 层压塑料和增强塑料的成型8.0 本章介绍增强塑料是指聚合物与增强材料相结合而提高力学强度的有机复合材料。 常用的增强材料有玻璃、石棉、金属、剑麻、棉花或合成纤维等所制成的纤丝、粗纱和织物等，其中以玻璃纤维及其织物用得最多。 层压塑料是指将纸张、棉布、玻璃布、石棉纸等片状底材经授或涂树脂后(称附胶片材)，再经层叠、加热、加压而制成坚实的板、管、棒等形状的制品。 不难看出，层压塑料也是增强塑料的一部分，构成两者的主体材料都是树脂和增强物，不同的是层压塑料强调了片状底材的层叠，因此，将两者合并，以增强塑料来叙述。 增强塑料中增强材料的作用是增强制品的力学强度，而所用的树脂则是使这种复合材料能
2、够成型，对增强物进行粘结与固定，并借以传递应力，充分发挥增强物的增强作用，此外，还赋予制品抵抗外遇介质的侵蚀。常用的树脂种类租多，过去大多数都是用热固性树脂，如酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、有机硅等树脂；自60年代以来，热塑性树脂已戚功地用于增强塑料有十几种；如聚酰胺、聚碳酸醣、聚苯醚、氯化聚醚、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃等树脂。由于热塑性增强塑料的出现，大大扩展了热塑性塑料作为结构材料应用于工程领域的深度和广度。 除树脂与增强物外，为了降低成本或改善制品某些性能，增强塑料中通常加有粉状填料，如碳酸钙、滑石粉、石英粉、硅藻土、氧化铝、氧化锌等。加有粉状填料的制品，其强度有所下降。 热塑性增强塑
3、料与一般热塑性塑料一样，可采用注射成型、挤压成型、压制成型、层压成型等加工方法，不需要增加特殊的成型设备。而热固性增强塑料的成型方法，根据成型时所用压力的大小分为高压法(压力高于7MPa)和低压法(压力低于7MPa)。前者又可分为层压法和模压法，而后者则可分为接触法、袋压法、缠绕法等等。 增强塑料的性能特点，除其强度超过未增强的塑料外，尚有：1、比强度高 增强塑料的密度通常都小于2100kg/cm3，只及钢材的2025；但力学强度竞能达到、甚至超过普通钢，按比强度(强度与密度的比值)计算，有的可超过高级合金钢。这一轻质高强度的性能，在飞机、火箭、导弹以及要求减轻重量的运载工具方面，具有极为重要
4、的意义。2、热性能良好 一般与未增强的塑料相比，增强塑料的热变形温度高，收缩率小，导热系数低，不仅提高制品的耐热性和改善其耐低温性能，也为尺寸精度要求较高的制品带来有利条件，在瞬时高温作用下。能自行燃蚀而放出大量气体，同时能吸收大量热量，可作为良好的热防护材料，用于宇航和国防工业的重要材料。3、耐化学腐蚀性强 通过改变树脂和增强物的种类和配方，可以制得抵抗多种特定化学腐蚀的增强塑料。如尼龙耐碱，聚苯醚耐高温水蒸气，聚甲醛耐水耐有机溶剂等。用于制造各种化工设备，获得广泛应用。4、电绝缘性能优良 加入玻璃纤维的增强塑料，一般具有较好的电绝缘性，有的在高频电作用下仍能保持良好的介电性能不变。因此被广
5、泛用于制造各种电气仪表和设备中的绝缘零件。 增强塑料的不足之处是弹性模量低(仅为钢的510)、受力时变形较大、硬度低、耐热性羞、容易老化等，这些都是急待研究解决的课题。8.1 树脂 随着增强塑料的日益发展，所用树脂的品种也愈来愈多，现就常用几种树脂的类型、加工和使用性能介绍如下，以便选用和处理。一、热固性树脂1、聚酯树脂 在制造增强塑料时，常用不饱和聚酯及其单体配成稠厚性液体。成型时，加入适量引发剂(如有机过氧化物)使其发生固化反应。固化反应受引发剂的种类、用量以及成型温度的控制。在高温固化时，树脂逐渐由稠厚液体转为稀薄液体，软性凝胶、脆性固体、硬性固体。如加入促进剂，则固化反应可在常温下进行
6、。 这类树脂制成的增强塑料，主要优点是优越的电绝缘性能、较强的抗水和抗酸性、较好的透明性以及抗御大多数有机溶剂的侵蚀。缺点是耐热性较差和固化时收缩率大。2、环氧树脂 环氧树脂的物理性质与聚酯相似，通常使用的是稠厚液体，固化时常用酐类或胺类化合物为硬化剂。由于固化反应无气体副产物放出，可选用低压成型方法。 环氧树脂对各种增强物的胶接作用都很好，但是这种性能对脱模会发生困难。固化时收缩率较小。3、酚醛树脂 酚醛树脂成为增强塑料，分预浸和层压两步。首先将树脂的水溶液或醇溶液涂浸在增强物上并使其固化反应进行至乙阶段，借以逐出溶剂和部分固化反应的副产物；然后对这种预浸物采用高压成型，反应至丙阶段。 水溶
7、性树脂与醇溶性树脂相比较，前者为碱催化生成相对分子质量偏低，粘度不大，浸渍时易适入底材内部，同时对纤维性底材具有较好的润湿作用，制品的抗湿性较好；后者为氨水催化生成相对分子质量和粘度都相对较大，浸渍时比较困难，制品的抗湿性较差，但韧性和电绝缘性能都较高，且成本低，制品强度高，抗湿性和耐化学腐蚀性好，耐热性好。缺点是制品颜色较深。4、有机硅树脂 通常用于增强塑料的有机硅树脂为有机性溶液，固化时像酚醛树脂一样有挥发性物质出来，成型时也需预浸和高压，且固化时间较长。这类树脂常用于制品电绝缘性能，强度和耐热性要求高的场合，成本也较高。5、三聚氰胺甲醛树脂 三聚氰胺甲醛树脂在成型时要放出挥发性物质，必须
8、经过预浸。这类树脂具有优越的抗电弧性，上色范围广、硬度高、耐磨性好、耐热性高等优点。但成本高。二、 热塑性树脂1、聚酰胺树脂 这类树脂含有活性的酰胺基团，与玻璃纤维的表面处理剂硅烷的偶联作用较易。它具有较高的抗张强度、优良的冲击韧性及耐磨性，选用玻璃纤维增强后，耐热性大大提高。增强尼龙在工程塑料制品中，以名列首位。2、聚烯烃树脂 由于聚烯烃树脂大分子链的非极性结构，玻璃纤维与树脂的粘结性很差，因此开发高效偶联剂已成为研究的热门话题。 增强聚丙烯和聚乙烯的用途已涉及各种工程领域。如增强聚丙烯可挤出片、板、管、棒等型材，也可制作层压板材或模压成高刚性、耐腐蚀等化工制品。特别是增强聚丙稀的刚性、耐磨
9、性、耐热性已胜过聚碳酸酯、尼龙等工程塑料，且价格低，在许多领域中直接与金属制品挑战。此外，增强聚丙烯可进行中空吹塑或滚塑成型，以提高容器的刚性及低温冲击性能。3、聚苯乙烯树脂 聚苯乙烯价格低廉，易于加工，着色性强，透明性好，而且产量大（仅次于聚氯乙稀和聚烯烃）；缺点是性脆、耐热性差。4、聚甲醛树脂 这类树脂具有一定化学惰性，难与玻璃纤维结合，成型前先用硅烷偶联剂进行表面处理，再加入异氰酸盐类，可大大提高增强聚甲醛的物理力学性能，它已被广泛地用作传动零件。利用碳纤维增强聚甲醛经表面处理后，可利用其导电、耐磨性制成磁带录音机的飞轮轴承等。5、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂 60年代中期，出现用玻璃纤维增
10、强聚对苯二甲酸乙二醇酯，使它的抗拉强度、抗弯强度、抗弯弹性模量等均居热塑性塑料中最高的；耐疲劳性优异，很高的耐热性及优良的耐老化性和电绝缘性能。但它在高温条件下与水接触易水解使力学性能下降。它主要用于电气绝缘制品。尤其是高温或力学强度要求较高条件下使用的制品。此外，它还具有瞬时耐高温特性，用它制造带有金属嵌件、导线的电器零件或印刷线路板，进行焊锡时不易熔化或变形。6、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂 此树脂的特点是流动性好，便于注射成型。与其他增强塑料相比，由于聚对苯二甲酸乙二醇酯的密度大、冲击强度低；增强尼龙容易吸水而导致物理力学性能下降；增强聚甲醛密度大，力学强度、耐热性、电绝缘性均不如它；增强聚
11、碳酸醋的耐磨性、耐热性、耐化学药品性亦不如它好。因此增强聚对苯二甲酸丁二醇酯被称为优秀的工程塑料。7、聚碳酸酯树脂 聚碳酸酯具有耐冲击性、耐热性、透明性、耐蠕变性、尺寸稳定性及自熄性均优良的塑料。但是耐应力开裂性和耐药品性差，经玻璃纤维增强后，改进耐应力开裂性效果最佳。但是成型前要严格进行干燥，控制含水量，防止成型温度下的水降解作用，其制品目前多用作力学和电气零件，近年来在航空工业领域的应用有很大发展。8、改性聚苯醚树脂 聚苯醚有很高的热变形温度和优良的电绝缘性，但因其熔融粘度大而难以成型，且易产生应力开裂。经选用苯乙烯类树脂共混改性后，可改善成型性能，降低材料价格，而电绝缘性能不变。但改性后
12、聚苯醚的热变形温度和力学强度下降选用玻璃纤维进行增强，则物理力学性能明显提高，可作为高温载荷零件。它的体积电阻非常高，介电常数、介质损耗角正切值在工程塑料中最小，且不受温度、湿度、频率的影响，因而被用作各种耐热性电绝缘零件。它还具有优异的耐热水性，可制作热的给排水装置和医疗高温消毒用具材料。9、聚苯硫醚树脂 聚苯硫醚的特点是耐高温、阻燃性和耐腐蚀性好，粘度高且性脆，为成型带来困难。但它与无机物的亲和性较好，用碳纤维增强可制得目前在热塑性塑料中刚性和耐热性最高的材料，作为耐热、耐腐蚀、高刚度增强塑料，它可取代锌铜台金及不锈钢，用于仪器仪表工业及化工设备零件。作为耐热耐磨制品，尺寸稳定的机械制品而
13、被广泛应用。8.2 增强物及表面处理 一、增强材料 增强塑料的性能除树脂外，还直接受到增强材料的影响，因此，有必要对以玻璃纤维为主的几种增强材料加以介绍。1、玻璃纤维 将玻璃加热溶融拉成丝，即为玻璃纤维。 玻璃纤维的拉丝过程是：（1）首先将经过精选并符合规定成分的石英砂、长石、石灰石、硼酸、碳酸镁、氧化铝等原料粉碎成定细度的粉料，按比例配料经充分混和，放入玻璃池窖中，在1500左右的高温下熔化，经制球机制成一定直径(1.52cm)的玻璃球。（2）将合格的玻璃球在电加热的铂坩埚(也可用陶制)中熔化，凭自重从坩埚底部漏板上的孔(孔数为100200、孔径11.5 mm)中流出经卷筒的快速牵伸拉成31
14、5m1的单丝。（3）经集束轮将丝束涂上浸润剂(起粘合、润滑、除静电等作用)，其浸润剂配方有纺织型和强化型两种：前者用于有捻玻璃纤维制品，后者用于无捻玻璃纤维制品，绕在高速旋转的绕丝筒上，形成原丝(或丝股)。每根原丝内单丝的数目一般为50、100、200或400。纤维的粗细用支数来表示，支数是指一克质量的单丝所具有的长度m(米)，显然，支数越大，单丝越细，用于增强塑料的玻璃纤维的支数是40支、80支、160支三种。 玻璃纤维可以进一步纺成纱，制成各种玻璃纤维织物。 玻璃纤维按其直径大小可分为四类：单丝直径在20m以上者为初级玻璃纤维，在1020m之间为中级玻璃纤维，在39m之间为高级玻璃纤维，在
15、3m以下为超级玻璃纤维。按纤维长短可分为连续玻璃纤维、定长玻璃纤维(300500mm)和玻璃棉(150mm以下)。按化学成分可分为无碱、中碱、高碱、高强、高弹等几种。 玻璃纤维的主要成分是铝硼硅酸盐和钙钠硅酸盐两种。前者称为无碱或低碱玻璃纤维，又称为B玻璃纤维；后者称为中碱或高碱玻璃纤维(又称为A玻璃纤维)。 无碱玻璃纤维，其碱性氧化物含量小于1，它具有优良的化学稳定性、电绝缘性和力学性能，主要用于增强塑料、电器绝缘材料、橡胶增强材料等。碱性氧化物含量为27称为低碱玻璃纤维。 中碱玻璃纤维的碱金属氧化物含量为812左右，其耐水性差，不宜作电绝缘材料，但其化学稳定性较好，材料来源丰富而价格便宜，
16、可用作力学强度要求不高的一般增强塑料结构件。 高碱玻璃纤维，碱金属含量在1315左右，它的力学强度、化学稳定性、电绝缘性都较差，主要用作保温、防水、防潮材料。 若在配方中加人特种氧化物，可赋予玻璃纤维特殊性能，如由纯镁铝硅二元组成的高强度玻璃(s-玻璃)纤维；由镁铝硅系组成的高弹性模量玻璃（M-玻璃)纤维；此外还有耐高温玻璃纤维，低介电常数玻璃纤维，抗红外线玻璃纤维，光学玻璃纤维，导电玻璃纤维等。 玻璃纤维的相对密度为2.52.7，小于金属。这对增强塑料应用于飞机、卫星等作宇航、空载工业的零部件创造了条件。 玻璃纤维具有很高的抗张强度，其数值与纤维的直径及长度、化学成分、杂质含量、制造方法及条
17、件、表面处理等因素有关。粗而长的玻璃纤维中因存在着许多细微裂纹和缺陷，受力时产生应力集中，导致强度下降。这就是玻璃强度大大低于玻璃纤维强度的原因。 玻璃纤维属于弹性材料，有优良的尺寸稳定性，但其断裂伸长率不高，一般为3，弹性模量比其他有机纤维高而比金属低，这就影响了增强塑料的刚性，同时，玻璃纤维易脆不耐磨，对人皮肤有刺激性。 玻璃纤维的耐热性较好，当升温至300以上则强度下降；在370时，强度下降50；在高温下会软化和硫化，但不会燃烧和冒烟。 一般玻璃纤维不吸湿，即使在潮湿条件下也不会膨胀、伸长、分解或发生化学变化，也不会腐烂和发霉，除氢氟酸、强碱和热的浓磷酸外，能耐所有的有机溶剂及很多酸碱，
18、但玻璃纤维的抗碱性差。 玻璃纤维有良好的电绝缘性能，其介电损耗角正切值较小。介电常数低，被广泛用于机电工业。2、其他增强材料 为了满足尖端技术的需要，近年来研制出耐高温、低膨胀的石英纤维，高强度的S-玻璃(镁铝硅酸盐)纤维、高模量的M-玻璃(含BaO)纤维、碳纤维、硼纤维、石棉纤维等。（1）碳纤维 特别引人注目的是高强度、高弹性模量的碳纤维。碳纤维是由粘腔纤维、聚丙烯腈、木质素、聚乙烯醇、特种沥青等原材料经200300的低温氧化、8001600的高温碳化以及25003000的石墨化过程、经分子定向而制成的。根据烧制温度不同。碳纤维可分为火质纤维、碳素纤维、石墨纤维三种。碳纤维单丝可制作粗纱、短
19、切纤维带及其织物，进一步与树脂胶接可成型增强塑料制品。由于碳纤维比一般纤维的弹性模量高，在低温条件下力学性能保持率良好，导热系数大，有导电性，蠕变性小，耐磨性好，因而广泛用于航空工业。（2）硼纤维 硼纤维是由钨丝作为芯线，通过硼的热气炉(将氯化硼和氢加热到1160，2BCl3 + 3H20 = 2B + 6HCl)使硼沉淀于钨丝表面而成的；纤维直径为43120m，成本昂贵。硼纤维的弹性模量比玻璃纤维大五倍，硬度与金刚石相当。其缺点是直径较粗，可变性差，延伸率不好。由硼纤维所制得的增强塑料可用于航空工业的发动机叶片、飞机的机翼以及宇航的烧蚀材料及其他结构材料。（3）碳化硼纤维 碳化硼纤维与碳化硅
20、纤维，电类似于硼纤维采用化学沉积法制得。前者密度小、强度高、弹性模量大、耐热性好，用于尖端技术；后者热稳定性优于硼纤维，也用于航空行等尖端技术部门中。（4）晶须 晶须为单晶类纤维增强材料，其纤维极细，直径在130m。这类纤维除强度高外，还具有玻璃纤维的延伸率和硼纤维的弹性模量。日前已生产的有氧化铝、碳化硅、氧化硅等晶须。（5）石棉纤维 石棉纤维是一种天然结晶质无机纤维的总称，它耐热、耐磨、耐酸、吸湿性小、因次稳定性好、摩擦因数小，但不易被树脂浸渍。其中，温石棉(纤蛇纹石棉)有优良的可纺性和较大的抗张强度。可用于热塑性塑料，因其含结晶水较多(约14)，所以由它制成的增强塑料，在外界升温很快时内层
21、温度却不会发生陡变，这一特性在国防和航空上均有重要的使用价值和意义。蓝石棉(斜方角闪石棉)，具有耐酸碱性好、电绝缘性能优越而被用作耐化学腐蚀用器及电气绝缘器材。而青石棉则困其强度和化学稳定性较好被广泛用作化工设备。此外，尚有来源广、价格便宜、便于加工的木材，有较好力学强度和匀整性的棉布，有成本低、易成型、密度小的麻纤维以及纸张、合成纤维等也被用来作为增强材料。二、胶接作用和表面处理1、影响增强作用的主要因素 纤维增强材料分布状态 主要因素有：对于不连续纤维，在一定的抗拉屈服应力作用下，其直径和临界长度，均会影响纤维与基体树脂的界面粘结力；对于连续介质，可以理解为纤维与树脂两者结合之和。 增强塑
22、料的抗拉强度，除受纤维和树脂两者本身的强度和百分含量的影响外，还受两者之间的界面粘结力及纤维长度的影响。 一般增强纤维的强度比基体树脂高，这正是用于增强的根本原因。但是，纤维的含量不能增加过多，因为随着纤维含量的增加，增强塑料的密度也跟着增大，同时将降低增强塑料的成型性能，尤其是在熟塑性塑料的成型过程中，一般纤维含量应低于40。 减小玻璃纤维的直径有利于提高增强塑料的强度，但考虑到制造技术、产量、价格等原因，一般取10m左右为宜。热塑性增强塑料所用的纤维比较短，因纤维过长，将给注射成型带来困难，并造成纤维在增强塑料中分散不均，一般取其临界长度的五倍为宜。但在热固性增强塑料中，对纤维长度的限制要
23、宽得多。 当应力施加于增强塑料时，不难理解，由于纤维的强度和模量均大于基体树脂，因此，纤维在周围的树脂中呈局部地抵抗应变，应力通过树脂从这部分纤维传递到另一部分纤维，从而体现了增强塑料总的物理力学性能。这是建立在树脂与纤维良好胶接的基础上，也正是纤维与基体树脂界面粘结力引人注目的原因所在。2、润湿能力与胶接机理 为了充分发挥纤维在增强塑料中的增强作用，提高纤维与树脂之间的粘结力以达到两者的良好胶接是重要的。而良好的胶接是建立在良好接触的基础上。因此，首先讨论树脂纤维的润湿能力。润湿是指固相(纤维)表面上的气相被液体在固体表面上的润湿。液相(树脂)所取代的过程，它分为沾湿、浸润和铺展三个过程。触
24、角的值愈小，固液两相间的表面张力sL也愈小，则液相对固相的润湿能力就愈强。 从分子角度来考虑，欲降低sL，则固相分子与液相分子间应有较大的吸引力。但增强塑料中所用的增强材料多属极性分子，而树脂的极性一般不高，两者之间的分子引力较小，根据相似相容的原则，加入双亲分子的表面处理剂，这种物质的分子一端具有亲极性增强材料的极性基团，而另一端是亲非极性树脂的非极性基团，则可在增强材料与树脂之间起一种胶接作用，这种表面处理剂应是低分子的。便于分子的扩散，但加入量不宜过多，以肪止制品强度的劣化。 有人将产生物理胶接作用的物质称为桥合剂，而将起化学胶接作用的物质称为偶联剂，下面扼要介绍两类典型的偶联剂的胶接机
25、理。（1）有机络合物类 这类偶联剂常用的是甲基丙烯酸二氯化铬络合物(Volan沃兰)。它与玻璃纤维的胶接机理是：在水溶液中，沃兰先行水解而生成氢氧化铬络合物，再与玻璃纤维表面的硅醇反应；而沃兰的另一端的丙烯酸基团则与树脂反应。（2）有机硅烷类 这类偶联剂品种多、效果好，在玻璃纤维上的应用效果比前一类在于湿度强度方面均有提高，应用也极为广泛。它的化学通式是RnSiX4-n式中R代表能与树脂作用的有机基团，通常为单价的脂肪基、脂环基、芳基、脂基芳基混合基、杂环基、氨基、硫基等；x代表卤基、烷氧基、胺基、酰氧基等容易水解的基团；n可为1、2或3。这类物质一端可通过卤根或烷氧基的水解使硅原子牢固的键结
26、于玻璃纤维表面的硅酸盐结构中，而另一端的有机基团可呈单体或交联而形成不同性质的保护膜(如防水、耐磨等)和树脂发生亲和力等。 除上述两类外，近年来又发展了新型偶联剂，如含磷化台物类、钛酸酯类、氯苯羧酸类等。3、表面处理方法 已如前述，在玻璃纤维的拉制过程中，为了对纤维起粘合集束、润滑、消除静电等效应而加入浸润剂，但对树脂与纤维的润湿、胶接有妨碍作用。因此，表面处理要去掉浸润剂，加入偶联剂，目的在于增加纤维与树脂的胶接能力。下面介绍几种常用的表面处理方法。（1）热-化学处理法(后处理法) 这种表面处理方法主要用于有捻纺织制品。在纤维的拉制过程中，曾加入的是纺织型浸润剂(其中含有石蜡、凡士林、硬脂酸
27、、变压器油、表面活性剂等)，多属油脂类和亲水性物质，必须首先去除。其方法有洗涤法、烘烧法和高温热处理等。其中，洗涤法是用三氯乙烯、汽油、丙酮、甲苯等各种有机溶剂洗除玻璃纤维及其织物上的石蜡乳剂。采用此法溶剂回收麻烦，不安全，国内少用。现在普遍采用的是热处理方法，即在300450的加热炉中烘烧36min，浸润剂残留量仅为O.1O.2，纤维本身的强度损失约为2050，但制得的增强塑料制品的强度却有所提高。接着，乘热将热处理过的纤维织物浸入特定配方的表面处理剂中充分进行化学浸渍，再经烘干(150180)，(温度低于水的沸点时易吸收水分)1020min。 热处理的时间愈长、温度愈高，则浸润剂的残留量愈
28、低，但纤维强度的损失也愈大。对电性能要求高的增强塑料制品，应尽可能降低浸润剂的残留量。（2）化学处理法(前处理法) 与热-化学处理法不同的是这种表面处理方法在玻璃拉丝操作时就已将表面处理剂加入到玻璃纤维浸润剂的配方中，故称为前处理法。这类表面处理剂是用于无捻粗纱玻璃纤维制品的，含油质成分少，属于强化型表面处理剂，因而省去热处理工序，故称为化学处理法。这种方法省工、省设备、强度损失小。 为了促进玻璃纤维与树脂的结合，保护玻璃纤维表面，改善加工性能，需在浸润剂的配方中除加入表面处理剂外，还需加入成膜剂。这种方法对热固性树脂以及热塑性树脂中的聚氯乙烯、聚酰胺类极性树脂是有效的。但对聚丙烯非极性类树脂
29、效果不大，需要研制一类表面处理剂兼成膜剂的新型物质。（3）迁移法 迁移法是将表面处理剂按一定比例加入树脂中，当玻璃纤维进行浸胶和涂覆时，与玻璃纤维及其织物发生作用。这种方法工艺简便，但效果不如前两种方法，主要用于缠绕、模压成型。8.3 热塑性塑料成型一、热塑性增强塑料的成型 热塑性增强塑料的成型发展较热固性增强塑料晚些，目前比较成熟的是注射成型。与通常注射成型相比，由于含有玻璃纤维，而具有特点。如熔融物料粘度偏高，流动性差；在成型过程中(尤其在喷嘴处)纤维易被折断而变短，此现象随着螺杆转速的增加而愈甚；成型时由于熔体流动的速度梯度而造成玻璃纤维的定向排列，制品愈薄，定向排列愈明显；熔接痕处强度
30、明显降低；收缩率小等。由于上述特点，决定其在原料的准备、工艺条件的确定以及对设备的特殊要求。1、原材料的准备 原材料的准备主要包括热塑性增强塑料粒料的制备及成型前的干燥。 热塑性增强塑料注射成型前，预先需将纤维与树脂制成粒料。粒料分长纤维与短纤维两种，均要求将体积庞大、结构疏松的玻璃纤维均匀地分散于树脂之中，使两者能有牢固的包复或粘结，以避免成型和运输过程中的飞扬。同时，在制造过程中要尽可能减少对树脂相对分子质量的降解和对纤维的机械损伤。（1）长纤维增强塑料粒料的制备 一般采用典型的电缆包复法。这种制备方法需设计专用的包覆机头和选配牵引切粒机。纤维粗纱通过十字机头，被熔融树脂包复，经冷牵引切粒
31、而成。其设备简单、操作连续、粒料质量高、劳动保护好，国内外普遍采用此法。但所制粒料不适宜用注塞式注射机成型。此外，有选用管道反应法和聚合釜出口包复法制备长纤维增强粒料：前者是将单体与纤维同时由管道进口加入，通过管道聚合反应出料(如MC尼龙)。此法能简化工艺、生产连续，但聚合物质量差，强度不及电缆包复法；后者是在聚合釜出料口安装包复机头，待聚合物出料时，可将纤维包复，此法可减少树脂热老化次数，简化了工艺，但出料速度慢，产量低。 长纤维增强塑料要真正体现出增强塑料的性能，尚需在注射成型时靠螺杆混合作用将纤维均匀分布于树脂中，经表面处理剂的偶联作用，才能注射出增强塑料制品。（2）短纤维增强粒料的制备
32、 短纤维增强粒料又称分散型增强粒料，是指经混炼作用玻璃纤维约O.25O.5mm的短纤维形式均匀分散于树脂之中而制成粒料。它是为了解决长纤维在粘度较高的树脂(如聚烯烃、聚苯乙烯、聚氯醚类等)中分散不良而问世的。这种粒料分散性好，易成型加工，制品表面平滑。由于已具有增强塑料的性质，粒料较硬，加料时易爆裂，对螺杆及料筒磨蚀力强，应制成小粒或小片形式为妥。 短纤维增强粒料的制备，国内多采用两种方法：用单螺杆排气挤出机将长纤维增强粒料回挤的工艺路线(见图8-1)，其优点是生产连续化、粒料外观较好、质地密实、劳动保护好；缺点是树脂易老化。将短切原丝与树脂用单螺杆挤出机混合、造粒(见图8-2)此法玻璃纤维与
33、树脂能均匀混合，可供柱塞式注射成型，但劳保条件较差。较理想的是采用双螺杆排气式挤出机(见图8-3)，因为单螺杆挤出机在很大程度上是靠机头压力来生产均质熔体，几乎全靠螺杆作用使树脂塑化与纤维均匀复合双螺杆排气式挤出机的混合作用强，通过螺杆、反向螺纹或节流阀、热交换系统等可调节物料在挤出机中的停留时间、所受压力和温度、切变速率等。当树脂与纤维从两个进料口进入时，已熔化的树脂对纤维提供了润滑保护作用，大大减轻纤维对机械的磨损。通过改变螺杆组合方式及改变玻璃纤维送入后的那段螺杆长度，在一定范围内可改变玻璃纤维的平均长度。同时，可更换易磨损的料筒和螺杆。双螺杆的设计使得一根螺杆螺纹根部积料可被另一螺杆螺
34、纹顶部清洗掉，具有自洁作用。不连续螺纹的螺杆可以嵌入特殊结构的捏合元件，以适应复合工艺的要求，设有一个或多个排气孔，以排出水分及其分解物质，利于树脂与玻璃纤维的润湿。 将短切原丝和树脂不经预制粒料而直接投入注射成型，可减少纤维损伤和树脂热老化，大大简化工艺，降低成本；但劳动条件较差，输送管道及漏斗易被堵塞，仅适用于粉状树脂。 热塑性增强塑料由于玻璃纤维对水较为敏感，因此，成型前对原料必须干燥处理，使水分含量降至0.3O.1以下。对熔融温度下易水解的塑料，含水量要求更低。干燥方法视塑料类别、产量对制品性能的要求而定。如循环热风干燥设备结构简单易购，适用于小批量生产，应用普遍；真空干燥适宜于在高温
35、下易氧化变色的塑料；负压沸腾干燥，其干燥时间短效果好，适宜于单一品种大批量粒料的快速干燥。此外，还有红外线及远红外线干燥等。为防止粒料重新吸湿，对已干燥的粒料需要进行密闭保温。2、 对设备的要求 为使树脂均匀塑化并与玻璃纤维充分混合，一般选用螺杆式注射机更为合适。 热塑性增强塑料由于成型收缩率相对较低，工程上常用来制作精密零件；因此，要求注射机的注射量要稳定，注射能力要求较高，以保证制品尺寸。为解决玻璃纤维在树脂中的分散性好而又不致使纤维受损太甚的矛盾，螺杆头部可采用新型屏障式混料头。注射机的喷嘴一般选用延伸式较好。 为了适应熔融物料的流动性，在模具设计时，一般多采用大的圆形浇口及大直径流道。
36、 增强热塑性塑料由于玻璃纤维对注射机的螺杆对料筒有较大的磨损，表面处理剂、集束剂等化学介质对设备有腐蚀，注射机的材质一般选用铬钼钢4号，螺杆表面进行镀铬(铬层为0.04mm)。其耐磨及耐腐蚀均优于氯化螺杆，如果电镀不度则易造成镀层剥离。 针对注射过程中增强物料逆流对料筒有较大的磨损，宜采用组装式内衬，便于及时更换料筒被磨损的部分。此外，螺杆前端止回环与螺杆间的密封面及止回环与料筒之间的磨损，易造成间隙增大，逆流量增加，应及时更换。其间隙一般以2080m为宜，若间隙小于10m，则玻璃纤维通过困难。3、工艺条件的确定（1）温度 在注射成型时的料筒温度，热塑性增强塑料比未增强塑料的料筒温度一般要高出
37、1020料筒温度不仅影响熔化树脂，还影响玻璃纤维表面处理剂与聚合物树脂发生化学作用。温度过低，达不到反应温度要求，制品性能不佳；温度过高又会使表面处理剂与树脂降解变质。因此新产品试制时，要先作力学强度一温度曲线，以确定最佳料筒温度。 增强塑料注射成型料筒温度的确定，与未增强的热塑性塑料一样，取决于树脂的性质、牌号、纤维含量及其几何尺寸、注射机的机械参数、模具结构及相关工艺条件等各项因素。 模具温度，直接影响着树脂在模腔内的流动性和制品的内应力、冷流痕、熔接痕强度等。同时模具温度对制品的成型收缩率和表面粗糙度影响也很大。对薄壁制品。随模温的升高制品收缩率增大；对厚壁制品随模温升高收缩率反而降低。
38、此外，在模温较低时，玻璃纤维易暴露于制品表面产生白霜起毛现象。使制品表面光洁程度变劣。一般在脱模顺利的前提下，模温应尽可能高一些。（2）压力 主要讨论塑化压力(又称背压)和注射压力。 塑化压力的作用是使树脂熔融并使玻璃纤维均匀分散于树脂中。在纤维增强塑料中，含有空气，调整背压可促使物料中的空气从料斗逸出。适当增加背压，在树脂熔融的同时，可进一步改善树脂与玻璃纤维的混炼，改善玻璃纤维在制品中的分散性；但在树脂熔体温度较低的情况下增大背压，则易引起玻璃纤维的粉化，致使制品物理力学性能下降。背压一般控制为注射压力的815左右。 为了改善热塑性增强塑料在成型时的流动性，通常采用增加注射压力。一般地说，
39、增加注射压力，对制品的物理力学性能有逐渐提高的趋势。但在实际生产中，确定注射压力应综合考虑树脂的种类、制品的形状和厚薄、模具的结构、流道及浇口形状和尺寸及工艺条件等诸因素的相互匹配，单纯地提高注射压力会使设备受损，使制品产生溢边或脱模时残余应力过大致使制品翘曲变形。 保压的作用是使制品在冷却收缩时能充分补料。较高的保压压力和一定的保压时间能使制品的表面光泽性有较大的改善。保压压力过低或保压时间不足，制品易产生缩孔、表面毛糙和凹陷，从而使强度下降。（3）其他工艺条件 热塑性增强塑料因其固化速率快、冷却时间短，所以一般采用高速注射。图8-8所示注射速率对FR-PA6制品性能影响的关系曲线。由图可见
40、，快速注射可提高缺口冲击强度和断裂应力；注射速率减慢，则降低制品的物理力学性能。 应当指出，增加螺杆转速，并不能改善玻璃纤维在制品中的分散性，却使玻璃纤维长度变短，从而使制品的力学强度下降。8.4 热固性塑料成型 一、高压成型 高压成型包括层压成型，卷绕辊压成型及模压成型。1、层压成型 将增强用的片状基材经浸渍、喷射、涂拭等方法上胶后，再经多层叠合送入热压机内，于一定温度和压力下压制形成制品的方法，称为层压成型。这种成型方法比较成熟，制品质量高；但只能生产板材，而且制品规格受到压机幅面的限制。 层压成型的树脂多用酚醛树脂和环氧树脂，增强材料则以玻璃布、棉布、纸张、石棉等片材为多。其成型过程如下
41、。（1）浸渍 图8-4为浸渍过程的示意图。由卷绕辊l放出的片状基材经导向辊2和涂胶辊3在装有树脂溶胶的浸槽7内进行浸渍，再经挤液辊4挤掉多余的胶，进入烘炉5内干燥而成为附胶片材。浸渍时要求基材必须为树脂所浸透，并达到所规定的含胶量(含胶量依树脂种类而定，其变化范围为2546)，涂拭要均匀，无杂质，避免卷入空气。 （2）叠料 合格的附胶片材经剪裁后进行层叠。板板的最终厚度由所叠附胶片材的张数和重量相结合的方法来确定。层叠时，片材可按其同一纤维方向排列(制品强度备向异性)，也可相互垂直排列(各向同性)。为改善制品表观质量，增强防潮性，可在板坯两表面加含胶量大且含有脱模剂的专用附胶材料。层压用的模板
42、为镀铬钢板或不锈钢板，要求其表面平整而光滑，放置板坯前要加润滑剂，板坯与双面模板交替迭放，其顺序是：金属板-衬纸-单面钢板-板坯-双面钢板-板坯-单面钢板-衬纸-金属板。（3）进模 先将多层压机(见图8-5所示)的下压板调到最低位置，接着把已叠好的附胶片材推入压机的热板中，闭合压机，开始预热并升压。（4）热压 为防止树脂流失，热压时宜采用逐级升温升压的方法，即：预热阶段从室温升至固化反应开始温度，所施压力约为全压力的1312。低温固化阶段在开始固化反应温度下，保温保压一段时间，直至树脂不能被拉成丝为止。升温阶段 自开始固化的温度至压制所规定的最高温升温不宜太快，以防制品因固化加快而分层或产生裂
43、纹。保温保压阶段在规定的最高温度与压力下保持恒定阶段树脂充分固化，以使制品性能达最佳值。冷却阶段充分固化后的板材在加压下冷却。（5）脱模 当板材降温至60时，即可进行脱模。（6）切边 用砂轮锯片或切板机去除板材的毛边。（7）热处理 为了提高板材的力学强度、耐热性和电性能，进一步使树脂充分硬化需进行热处理。应根据树脂品种而选用相适宜的温度进行热处理。 层压成型工艺简便但常出现裂纹、厚度不均、板材变形等疵病。 裂纹的出现是由于树脂流动性大和硬化反应太快，从而使反应热的放出比较集中，以致挥发分猛烈向外逸出所造成的。因此，附胶材料中所用的树脂，其硬化程度应受到严格的控制。要控制板材厚度就要控制胶布的厚
44、度，因此要使胶布的含胶量均匀。层压板的变形问题，主要是热压时各部温度不均造成的。通常与加热的速度和加热板的结构有关。 层压制品用途广泛，如玻璃布层压板多用于结构材料，布基和木基层压板多用于机器零件，纸基层压板材多用于绝缘材料，石棉基层压板材多用于耐热部件和化工设备，木基塑料用于制造机器零件，合成纤维基板材多用于耐热、耐磨、耐腐材料。 多层压机常用吨位为20004000t。其工作原理与下推式液压机类似，区别在于前者的上、下压板之间设有许多工作垫板，层数从十几层多至几十层，借以容纳多层板坯而达到提高产率的目的。当下压板处于最低位置时推入被压物，这时，垫板的位置均利用自带的凸爪而挂在特设的条板阶梯上
45、，而各个垫板的凸爪尺寸是依次向下缩小的，以便在施压时下压板上推，各个垫板由上而下相互靠拢，使所有板坯受压。2、卷绕辊压成型 增强塑料管材和棒材的制造，是以干燥的附胶片材为原料，用卷绕方法成型的。与层压成型所不同的是，这种成型方法是将附胶片材一层层卷绕在管蕊上(不是平辅)，再以支承辊和大压辊(不用平模)压实。其成型过程见图8-6所示。卷绕辊压成型时，先需在涂有脱模剂的管芯上包上一段附胶片材作为底片，将其置于前、后支承辊与大压辊之间压紧。然后，将绕在卷绕机上的附胶片材拉直并与底片端搭接，开始慢速卷绕，正常后逐渐加快速度。此时，附胶片材经张力辊和导向辊而进入已经预热的前支承辊上，受热变粘后再卷绕到包
46、好底片的管芯上。前支承辊的温度应严格控制，温度过高，树脂易流失；温度过低时，不能保持良好的粘接。张力辊的作用是给附胶片一定的张力，使卷绕密实，同时可借助摩擦作用而使管芯转动。当卷绕到规定尺寸时，割断胶布，取下管坯，送入炉内进行固化。最后，在室温下自然冷却，从管芯上取下管材。当管芯较细时，在卷绕开始不久，就将芯棒抽出，即成为棒材制品。 这种管材和棒材，多用于加工各种机械零件，也可直接用作各种绝缘套管和工业制品。3、模压成型 附胶片材可用于模压，由于它在模压中很难流动，需先用剪裁、缝制或制坯等方法将其制成型坯安放在阴模中，再进行压制模塑，这种模压制品只能是扁平或形样简单的，但其力学强度却比一般模压制品高得多，常用于齿轮、滑轮、轴瓦、轴衬、阀件等的制造。二、低压成型 低压成型是用橡皮袋等弹性施压物与刚性模配合作用的成型方法，因其加工压力较低，故称为低压成型。这种成型制品在外观和强度上稍差，但对设备要求不高，可制造大型制品，对增强材料的损伤小，根据弹性施压物传递压力的方式，低压成型又可分为下列几种方法。1、真空法 在图8-7真空袋压装置中。选用夹具将铺叠物密封在橡皮袋与刚性模之间，再通过抽气嘴用真空泵将橡皮袋内的空气抽出，这时辅叠物因受到大气压的作用而被压