热固性酚醛塑料模压成型实验详解

2.5.1 实验目的

（1）了解模压机（平板硫化机）的基本结构和工作原理。

（2）了解热固性塑料模压成型的原理和工艺操作过程。

（3）了解酚醛模塑粉的基本配方及各组分在模塑料中的作用。

（4）了解模压成型工艺参数对热固性塑料制品性能的影响。

2.5.2 实验原理

根据塑料在溶剂中的可溶性和加热后的可熔状态，塑料可以分为热塑性塑料和热固性塑料两种。其中，热塑性塑料所用的热塑性树脂因分子链都是线型或带支链的结构，在成型过程中分子链之间仅仅发生物理变化，不会发生交联反应，无化学键产生，故再次加热时会软化流动，选择适当的溶剂也可以对其进行溶解。

与热塑性塑料相反，热固性塑料是以热固性树脂为主要成分，配合以各种必要的添加剂通过交联固化过程形成的塑料制品。热固性塑料在制造或成型过程的前期为液态，但一旦固化，分子链之间将发生交联反应形成三维网络结构，且此过程是不可逆的，三维网络结构一旦形成，再次加热时不会再熔化或软化，浸没在溶剂中也只能发生轻度溶胀，但不会发生溶解。

常见的热固性树脂有以下几种：

①不饱和聚酯树脂：由饱和的或不饱和的二元醇与饱和的或不饱和的二元羧酸（或酸酐）缩聚而成线型聚酯，再和乙烯基类单体形成混合物，其在固化剂的作用下发生自由基聚合而成不溶不熔的固体制品。由于不饱和聚酯树脂浇注体自身强度不高，故常和玻璃纤维等增强材料进行复合，所得复合材料产品称之为纤维增强塑料，俗称玻璃钢。玻璃钢现已广泛应用于市政工程、石油化工、装修装饰、包装运输等许多领域。

②环氧树脂：指分子中含有两个或两个以上环氧基团的一类高分子化合物，有多种不同的类型，如双酚A型环氧树脂、酚醛环氧树脂、脂环族环氧树脂等。环氧树脂一般在固化剂作用下固化成热固性环氧塑料，所用的固化剂主要包括酸酐类和胺类两大类。环氧树脂具有耐腐蚀性能好、机械强度高、粘结性强、电学性质优良等特点，主要用途是作金属防蚀涂料和粘结剂，常用于印刷线路板和电子元件的封铸。

③酚醛树脂：是由酚类和醛类经过缩聚反应而合成的一种树脂，也是最早合成的一类树脂，俗称胶木或电木，外观呈黄褐色或黑色。酚醛树脂分为热塑性和热固性两种，其中热固性酚醛树脂合成时一般采用碱做催化剂，配料中醛过量，控制反应条件可得到一阶树脂，若合成条件不加控制，继续反应下去，则得到不溶不熔的具有三维网络结构的固化物。酚醛塑料在成型时常使用各种填充材料，根据所用填充材料的不同，可得到具有不同性能的成品，适用于不同的市场领域。

④脲醛树脂：又称为脲甲醛树脂，是由尿素和甲醛缩合而成的体形结构的高分子化合物，也是较早的合成树脂之一。按照用途可将脲醛树脂分为模塑料脲醛树脂和粘结剂用脲醛树脂。脲醛树脂成本低廉，除用其压塑粉压制塑料制品外，脲醛树脂主要用作人造板或胶合板的粘结剂。

⑤三聚氰胺甲醛树脂：又称蜜胺、甲醛树脂，简称三聚氰胺树脂，是由三聚氰胺和甲醛缩聚而成的热固性树脂。三聚氰胺甲醛树脂的固化制品色彩鲜艳，具有良好的耐热性、耐水性，且表面硬度大，机械特性、电学性能良好，耐化学药剂性优越。它的压塑料主要用来制造餐具、各种家具及耐电弧制品等，而用玻纤布作增强材料的玻璃钢层压板有很高的机械强度、良好的耐热性、优良的介电性能及自熄性，已广泛用于制造高级的电工绝缘制品。

⑥聚氨酯树脂：聚氨酯树脂制成的产品品种很多，如泡沫塑料、弹性体、涂料、胶黏剂、纤维、合成皮革及铺面材料等。聚氨酯泡沫塑料包括软质泡沫塑料和硬质泡沫塑料，其中，软质泡沫塑料是指具有一定弹性的一类柔软性聚氨酯泡沫塑料，它是用量最大的一类聚氨酯产品，其泡孔结构大多为开孔结构，具有密度低、弹性恢复性好、透气、保温等特点，可用作防震材料、包装材料、隔热保温材料等；硬质泡沫塑料简称聚氨酯硬泡，它在一定负荷下不会发生明显变形，而当负荷加大到一定程度后发生的变形不能恢复，其泡孔结构大多为闭孔结构，具有绝热效果好、重量轻、比强度大等特点，广泛用作绝热材料、保温材料，少量用于仿木材、包装材料等非绝热场合。

上述几种热固性树脂在第一次加热时可以流动，并在压力下充满模具的型腔；当温度加热到一定值之后，闭模施压，树脂中线型的分子链发生交联反应形成三维网络结构，树脂失去流动性，逐渐固化定型；再经一段时间保压固化后，脱模，最终形成尺寸和形状与型腔一致的热固性塑料制品。

2.5.3 仪器与原料

（1）仪器

本实验所用仪器如下：

①QLB-400×400×2平板硫化机：1台。

QLB-400×400×2平板硫化机由机身、液压控制、油箱、电器控制四大部分组成，有手动、半自动等操作方式，具有上、中、下三块加热平板，其中、下两块加热平板可上下移动调节其间距。模压时平板的加热、平板的上下动作、模具排气以及保压等油泵电机的开启过程均由电器控制屏上的开关、按钮、指示灯所控制和显示。

该仪器的具体结构如图7所示：

图7QLB-400×400×2平板硫化机结构图

QLB-400×400×2平板硫化机主要技术参数如下：

（ⅰ）公称压力：490k N；

（ⅱ）工作液最高压力：10MPa；

（ⅲ）活塞杆直径：250mm；

（ⅳ）热板规格：400mm×400mm；

（ⅴ）温主分布：中心区域320mm范围内加热60min；

（ⅵ）任两点温差：不大于±5℃；

（ⅶ）热板单位面积压力：3MPa；

（ⅷ）工作台快速上升速度：不小于15mm/s；

（ⅸ）工作台慢速上升速度：不大于2mm/s；

（ⅹ）工作台下降速度：不小于10mm/s。

②压模（由阴、阳模构成）：1套。

③烘箱：1台。

④天平（感量0.5g）：1台。

⑤铜刀、石棉手套、药勺等实验用具。

（2）原料

本实验所用原料有酚醛树脂粉、六次甲基四胺、轻质氧化镁、碳黑。

2.5.4 实验步骤

（1）实验前的准备

①装置检查

（ⅰ）通过油箱上的液位计观察油箱内部是否有足够量的液压油。液压油高度应为下基座的2/3高度，若发现油量不足，应报告给指导老师，及时添加液压油。

（ⅱ）检查各机械连接部位特别是支柱上螺母和油管接头处是否拧紧以及连接牢固，若有松动，应及时拧紧。

（ⅲ）检查电器元件的连接是否正确，接头处是否夹紧，电气箱的接地是否可靠。若发现电器连接有异常，不能随意操作，应请专业电工重新连接牢固。

（ⅳ）启动电动机，观察回转方向是否与油泵相符合。若不相符，应报告给指导教师，及时进行解决。

（ⅴ）熟悉控制面板上各个控制开关及显示屏的作用，熟悉放气时间、成型时间的设定方法，了解紧急刹车按钮的位置及该按钮的使用方法。

②空载试车

（ⅰ）把回油阀扳到闭合位置，按下启动按钮，油泵运转，同时油液推动平台和热板上升，到即将闭模时打开回油阀（这时由于行程开关断开，油泵停止运转），柱塞和平台下降，当下降到行程末端时再闭合回油阀（油泵自动运转），柱塞再度上升。如此使柱塞升降不少于1次。(www.xing528.com)

（ⅱ）柱塞在升降过程中油泵应运转正常，无异常噪声，同时平台和热板在升降过程中无阻卡和抖动现象，各密封和管接头处无渗漏现象，否则应及时向老师汇报。

（2）进行实验

①各组分按照酚醛树脂为60％、六次甲基四胺为6％～8％、轻质氧化镁为10％～15％、碳黑为17％～24％进行备料称量，然后将各组分放入捏合机中搅拌混合30min，备用。

②根据模压热固性塑料目标制品的密度ρ、厚度t及模具型腔的横截面积S，按下式计算模塑料混合料的质量m：

m＝S×t×ρ

据此准确称取模塑料混合料（准确的装料量应等于上述计算值再附加3％～5％的挥发物、毛刺等损耗），将其与加料小勺一并放入烘箱中的厚纸片上，并将模塑料混合料在厚纸片上摊开铺展。模塑料混合料在厚纸片上的厚度应小于10mm，在105℃温度下预热15min。

③把模压模具放在模压机上、下模板之间（由于本实验所用模具较厚，为了确保有足够的行程，中模板和下模板应紧密贴合，实验过程中利用的应当是上模板和中模板之间的空间，在此我们将贴合在一起的中模板和下模板统称为下模板）。

④接通电源，利用控制面板上的温度设置按钮分别将上、下模板的温度设置为165℃，成型时间设置为30min，然后开启温控加热电源对上、下模板进行加热，模板上模具温度随之上升直至设置的模压温度165℃。

⑤将红色电接点压力表指针调至15MPa（上限调定值），同时将绿色指针调至14.5MPa（下限调定值）；检查模压机各部分的运转、加热情况是否良好，并及时调节到工作状态；根据工艺要求设定排气次数和模压时间。

⑥取下模具之阳模，用棉纱将阳模凸台及阴模的型腔擦拭干净，然后在型腔底部放置一张PC脱模纸，随即把已计量且预热的混合料加入模腔内并堆成中间稍高的样式，在混合料上再覆盖一层PC脱模纸，合上阳模，再置于压机热板中心位置。

⑦把手动/自动开关扳向手动位置进行手动加压，液压活塞推动下模板上升。合模后，系统压力升至设定值15MPa（黑色指针）。

⑧按工艺要求保压30min后解除压力，然后将下模板降至原位。

⑨戴上手套将模具移至脱模台上打开模具，使阴、阳模分离，取出制品，再用铜刀清理干净模具并重新组装待用。

⑩改变工艺条件，重复上述操作过程再次进行模压实验。

2.5.5 实验数据记录与处理

（1）模塑料配方（见表20）

表20 模塑料配方

（2）模压工艺条件（见表21）

表21 模压工艺参数

2.5.6 注意事项

（1）实验过程中应保持实验场所良好的通风工作环境，应保持清洁，要防止脏物和水分进入油箱和电气箱。

（2）对模压料进行预热有利于改善模压料在模压成型过程中的工艺性能，增加物料的流动性以及减少挥发物，便于装模和降低制品的收缩率，提高制品的质量。因而，模压之前应对混合料进行预热，但预热温度不宜过高，以免导致模压料提前固化而影响后期模压实验。

（3）模压过程中加料时间要尽量短。从加料开始到闭模、排气、加压这段时间不能超过模塑料的聚合时间，酚醛模塑料的聚合时间一般在100s之内。

（4）当混合料被全部加入模具的型腔并覆盖上脱模纸之后，应立即闭模并使压机下模板托着模具以较快速度上行，避免模塑料在模具中发生早期固化；当模具的阳模顶部接近上模板时，降低模板上行速度，并慢慢模压模具中的混合料，然后逐渐加压和排气，最后加压至要求压力并使模具封模。

（5）当模压含有嵌件的塑料时，嵌件通常是直接安装在固定位置上，且其安装位置必须准确平稳，否则会造成废品甚至会损坏模具。为使嵌件和模塑料结合更牢固，嵌件上应有环形槽、滚花等，使嵌件不至在受力时沿径向、轴向转动。

（6）实验过程中要注意安全，防止触电，同时要防止模板的挤压或烫伤。

（7）遇到紧急情况应及时按动急刹车按钮。

2.5.7 思考题

（1）本实验酚醛模塑料中各组分的作用是什么？

（2）热固性塑料模压成型的特点是什么？

（3）模压热固性塑料时，为什么需要对原料混合物进行预热？预热时间过长或过短有何后果？

（4）模压温度、压力和时间对制品质量有何影响？如何处理它们之间的关系？

（5）热固性塑料模压过程中为什么要进行排气？其模压过程与热塑性塑料的模压成型有何区别？

（6）模压成型常用的脱模剂有哪些？

（7）导致模塑料产品外观粗糙，甚至还可以看到粉状或颗粒状原料的原因是什么？如何克服此质量瑕疵？

2.5.8 预习要求

（1）了解模压机（平板硫化机）的结构及使用方法。

（2）了解热固性酚醛塑料的基本配方及各组分的作用。

（3）熟悉酚醛模塑料的模压成型工艺。

（4）了解影响酚醛模塑料制品质量的因素。

2.5.9 附注

（1）工业生产中，由于模压制品的结构及形状往往相当复杂，故一般采用估算的方法对装料量进行计算。常用的几种估算方法如下：

①形状、尺寸简化估算法：将复杂形状的制品简化成简单的标准形状，同时将尺寸也做相应变更后再进行计算。

②密度比较法：当模压制品有与其相同形状及尺寸的金属或其他材料制品时，根据模压材料及其对应制品的密度以及金属或其他材料制品的质量估算模压制品的用料量。

③注型比较法：若模塑料制品形状复杂，难以按体积估算其用料量，又无其他材料的相同制品可供比较，可先用树脂、石蜡等注型材料注成产品，再按注型材料的密度、质量及模塑料制品的密度估算模塑料制品的用料量。

（2）模压成型中所用的脱模剂有多种，如石蜡、机油、油酸、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸、硅油、硅脂和硅橡胶等，同时也可采用耐热性能良好的聚碳酸酯薄膜。脱模剂在满足脱模要求的情况下尽可能少用，同时涂覆要均匀，否则会降低制品的表面光洁度或影响脱模效果。

酚醛模塑料多用油酸、石蜡、硬脂酸等脱模剂；环氧以及环氧酚醛模塑料多采用硬脂酸钙、硅油、硅脂、硅橡胶等脱模剂；聚酯模塑料多采用硬脂酸锌、硬脂酸钙、硅油等脱模剂。硅油或硅橡胶脱模剂配成2％～5％的甲苯或二甲苯溶液使用时效果较好。

（3）当选用的模塑料的比容较大时，为了提高压制效率和质量，需将模塑料预压成毛坯。预压具有如下优点：①压制时加料准确且迅速；②缩短操作时间，有利于提高产品质量；③可简化模具的结构；④改善压制劳动条件。预压目前有两种方法，一种是低温预压法，另一种是塑化法。低温预压法是采用与制品相似的模具或利用压模在50～90℃时加适当压力预先将模塑料压成毛坯；塑化法是将模塑料加入螺杆挤出机或活塞挤出机，在一定温度下模塑料受热开始塑化，借助螺杆挤力或活塞推力压缩模塑料并使其成为均匀密实的料流并在机头流出，再根据产品要求切成一定长度便成为坯料。