纤维增强酚醛模塑料的性能及成型工艺分析

纤维增强酚醛模塑料按不同成型工艺有多个品种，如模压成型、注射成型、层压成型、传递成型、挤塑成型、缠绕成型等工艺都需选不同品种的模塑料。增强材料以玻璃纤维为主，其次还有碳纤维、芳纶纤维、石棉纤维和金属纤维等，所用树脂多数采用碱催化热固性酚醛树脂或各种改性酚醛树脂。

1.各种增强PF模压塑料的性能及用途

（1）聚乙烯醇缩丁醛或羟甲基尼龙改性PF玻璃纤维增强模压料 该类塑料是目前GFPF用量最大的品种，其浸混料为团絮状，浸渍料为颗粒状、片状或带状，具有优良的力学性能，介电性能和化学稳定性，国内商品牌号有FX系列和FB系列等，其各种品种的特性及用途见表11-27，具体性能指标见表11-28。

表11-27 聚乙烯醇缩丁醛或羟甲基尼龙改性PF玻璃纤维增强模压料的特性及用途

表11-28 聚乙烯醇缩丁醛或羟甲基尼龙改性PF增强模压料的性能指标

注：FX-511（絮状料）成型工艺条件：预热110～115℃×3～8min；成型温度为（170±5）℃，成型压力为（45±5）MPa；保持时间按1～1.5min/mm厚确定。

（2）环氧改性酚醛玻璃纤维增强模压料 该品种也为常用PF增强塑料，具有良好的工艺性，较高的强度、热稳定性及尺寸稳定性。按玻璃纤维品种可分为两种品级，SX-506为短切高弹玻璃纤维增强料，SX-580为高强定长玻璃纤维增强料。SX-506强度高于FX-501、FX-503，SX-580流动性和抗冲击性比SX-506好，故宜加工高强、抗冲击大型薄壁零件。SX-506宜作高强度军用、民用结构件。SX-506和SX-580的性能见表11-29。

（3）环氧改性甲酚甲醛玻璃纤维增强模压料 该品种具有高抗冲击、力学性能优良、流动性好等特点，可作传递成型用的模压料。玻璃纤维采用无碱无捻纱。有FHX-301、FHX-304两个品种，前者流动性好，后者冲击强度高。可作高抗冲击、几何形状复杂的制品。其性能见表11-30，双酚-A型改性硼酚醛高硅氧玻璃纤维增强模压塑料的性能见表11-31。

表11-29 SX-506和SX-580塑料的性能

表11-30 FHX-301和FHX-304的性能及工艺条件

表11-31 双酚-A型硼酚醛高硅氧玻璃纤维增强模压塑料的性能

（4）纤维增强PF摩擦材料 这类塑料是指具有优良耐磨和摩擦特性的材料，主要用于制作制动片、离合器片和制动带等。其常用树脂为甲阶热固性苯酚/甲醛、环氧改性酚醛、丁腈橡胶改性酚醛等，增强材料有玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维、芳纶纤维、金属纤维及混杂纤维等，常用填充料有F4、MoS₂等。这类酚醛复合材料耐磨，耐热，摩擦因数大，摩擦特性稳定，通常用模压成型工艺加工制品。常用品种举例如下：

1）玻璃纤维增强苯酚/甲醛热固性酚醛。用E型或无碱型玻璃纤维与酚醛制成。材料强度高，模量大，耐高温，但耐磨性不理想。起始摩擦时互相对磨面接触面积小，摩擦力及摩擦因数小，随对磨时间延长它们会增大，且随温度升高而下降。所以摩擦特性不稳定，使用寿命不长，且玻璃纤维易擦伤对磨零件表面。

2）丁腈橡胶或三聚氰胺改性PF增强塑料。这种材料室温时摩擦因数大，合理的配方可配制成摩擦特性及摩擦效果好的材料。高温对摩擦特性影响小，硬度不高，耐磨性和抗冲击性较高。尤其丁腈橡胶改性料性能更好，是常用的品种。

3）芳纶纤维与玻璃纤维混合增强PF塑料。该塑料具有良好的耐磨性、摩擦特性和抗冲击性，且改善了纯玻璃纤维增强料的缺点。

4）石棉纤维增强PF塑料。该塑料制作耐蚀制品时用碱催化热固性PF或环氧改性PF树脂，用作制动片制品时用丁腈橡胶改性的酸催化热塑性PF树脂。增强材料多数用温石棉（即水合金属硅酸盐）或青石棉（即闪石类石棉）的纤维料，也有用石棉纸、石棉绳或石棉布等。其他还加入了石墨、硫化剂等填料及摩擦性调节剂等助剂。

制品具有卓越的耐热、隔热、耐蚀、耐磨和耐候性，密度一般为1.6～2.1g/cm³，拉伸强度为20MPa，弯曲强度为40～80MPa，马丁耐热温度为150～200℃，是目前PF摩擦材料的主要品种，部分产品已有国家标准，如汽车用制动器衬片标准GB5763—2008。

该塑料的主要缺点是流动性差，成型困难。另外，石棉纤维污染环境，有害健康，尤其干法生产石棉PF时其粉尘危害性更大。

其商品料一般为片材，不同形状制品选用不同的成型工艺。

几何形状复杂制品可采用先冷压预成型再烘焙、冷却等工序的工艺。烘焙时采用逐级升温固化工艺，使树脂充分固化。工艺条件：60～70℃×6h、70～80℃×5h、80～90℃×4h、90～100℃×5h、100～110℃×4h、110～120℃×5h、120～130℃×3h，降温至60℃即可出炉。复杂形状制品，最好装入模具内烘焙。

管状制品采用挤压成管坯后装入模具内烘焙成型的工艺，其烘焙温度为160～180℃，烘焙时间按20～22min/mm厚计算，冷却到20℃左右脱模。

对制动片等简单形状的制品，可采用热压成型工艺，原料先经80℃×1～2h的热烘，装入模具后，在170～180℃及20～30MPa的条件下加热加压，保持时间按2min/mm厚计算。

5）金属纤维增强PF。金属纤维含量在50%（质量分数）左右，故常称为半金属塑料，是由钢纤维（碳含量为0.15%（质量分数），线径<100μm，长径比为100～300）与耐热、耐磨且对金属纤维粘结性好的特殊改性PF及其他填料（如铁粉、橡胶、石墨等）和助剂配制而成。

这种材料有优异的耐热、耐磨性，强度高，摩擦因数大，摩擦特性稳定性好，且加工性比石棉PF好，无石棉的污染性，是一种优异的PF摩擦材料。其密度较大，为3.0g/cm³左右，摩擦因数>0.4，体积磨损率<6×10^-7cm³/（kgf·m），有效工作温度为350℃左右，使用寿命比石棉PF长1～2倍。(www.xing528.com)

成型工艺条件：原料为捏合混合的片料，先经60～90℃×1～2h的预热，再装入模具热压成型，温度为170～180℃，压力为20～30MPa，时间为10～15min（制品厚，时间长）。压制过程中应适当排气，防止制品内部产生气泡、破皮、翘曲及变形等缺陷。

（5）玻璃纤维增强PF注射塑料 该塑料常采用酚醛（苯酚/甲醛）或改性酚醛浸渍无碱无捻玻璃纤维粗纱后烘干造粒而成，常用品种有FX-801、FX-802、FBMZ-7901等。各品种可分为注射料及模压料两类品级。

该塑料具有中等强度和良好电绝缘性，其中FX-801内含少量游离氨，对金属有腐蚀作用，对火药也有不良影响，故不宜作有金属嵌件制品和接触火药的制品。此外，其耐热性及热刚性也比FX-802和FB-MZ-7901差。

这些品种的流动性好，在料筒内热性能较稳定，宜作形状复杂的中小型注射零件，但不宜作尺寸精度高、几何形状不对称的制品。用于模压成型时可作大中小型制品，如电气仪表壳、低压电器零件等。FB-MZ-7901可作电绝缘性要求较严格的制品。玻璃纤维增强PF注射塑料的性能见表11-32。

表11-32 玻璃纤维增强PF注射塑料的性能

（续）

注：FBMZ-7901用增强玻璃纤维有E、S、M型等品种，M型玻璃纤维的力学性能优于S型的，S型的优于E型的；挤塑料弯曲强度为85.8MPa；冲击强度为10.7kJ/m²，马丁耐热温度为148℃

（6）粘胶碳纤维（布）增强酚醛耐烧蚀塑料 该塑料用碳纤维布浸渍普通酚醛树脂、低压钡酚醛树脂、硼酚醛树脂、酚醛/环氧树脂配制而成，物料有碎屑状，供模压或挤塑成型；粘团状供挤塑成型；布带状供层压、缠绕成型，成型工艺性良好。

该塑料具有优异耐烧蚀性，密度低（1.34g/cm³），热导率高（0.31W/（m·K）），氧乙炔焰线烧蚀率低（0.039mm/s），这些指标均优于高硅氧布/酚醛、石棉纤维/酚醛、柔性耐烧蚀橡胶及多种耐烧蚀涂料，且隔热性好，达到GB/T8323.2—2008要求。

制品主要用作火箭发动机长尾管、喷管等零件的内壁管（缠绕成型），具有优良的耐烧蚀、耐燃气冲刷及隔热性。

其模压成型工艺条件：模压温度为（155±5）℃；成型压力为30MPa；保持时间因制品形状和厚度而异，一般为10～40min。

2.玻璃纤维增强酚醛模压料、注射料的加工工艺

增强料的模压工艺及注射工艺机理与非增强酚醛料相同，但由于酚醛料中加入了大量玻璃纤维，故成型方式及工艺条件有些差别。

（1）模压成型玻璃纤维增强酚醛模压料的玻璃纤维含量为50%～60%（质量分数），原料可分为预混料及预浸渍料两类，预混料物料呈蓬松絮状，预浸渍料为粒料；预混料最好先预成型，便于模压时填充型腔。镁酚醛树脂增强料模压工艺举例如下：

1）预混料成型包括如下步骤：

①预成型，物料在90～110℃下烘2～4min立即装入预成型模具内冷压成坯料。

②坯料预热80～100℃×5～15min，立即装入成型模，模具温度为160～180℃。

③加压成型，成型压力为29.4～39.2MPa，装料后即加全压，保压10～15s，在1min内连续加压、卸压1～3次，以排气和充模。

④保压，保压时间按1min/mm厚计算，到规定保压时间后即可脱模，并进行清理制品飞边等操作。

2）浸渍料成型工艺条件：模具温度为150～160℃；成型压力为39.2～49MPa；装料后在50s内加至全压，同时排气充模3～6次；保压时间按0.5～2.5min/1mm厚计算。

（2）注射成型 玻璃纤维增强PF颗粒状注射料的成型技术要求较高，对物料、模具及注射设备等方面都要有相应的措施。

对物料方面要求有良好的流动性和适当的熔融温度及固化速度，熔料在料筒内储存稳定性好，即在相当长时间内能保持适当的粘度不固化，然后在模具内能快速固化，同时脱模性要良好。

对设备方面，由于物料对料筒、螺杆磨损较大，需采用耐磨材料，螺杆需采用剪切作用不太强烈、而输送物料能力较好的结构，如压缩比为0.8～1的变深型螺杆等，使剪切作用随螺槽变深而下降，且注射机可提供较高的注射压力，螺杆转速较低。

对模具方面要求采用耐高温、高强度材料及结构，同时耐磨性好，尤其浇道部分必须采用耐磨合金。浇道尺寸宜厚宽，尽量减少对纤维的损伤。此外，在模具及制品设计时还应考虑制品收缩率及取向性大的因素。这种工艺仅适用于加工精度要求不很高、几何形状对称的不很复杂的中小型制品，故在增强热固性塑料注射成型工艺中，目前人们较重视应用SMC及BMC成型工艺。FX-801和FX-802注射及模压成型工艺条件见表11-33。

表11-33 FX-801和FX-802注射及模压成型工艺条件