拉挤异型材制作工艺及注意事项

拉挤成型工艺是制作增强热固性塑料型材的一种先进工艺，也是制作增强热固性塑料异型材的主要方法。有关型材的成型工艺、用料、制品性能及用途已于第11章详细介绍过，本节仅对有关专题作补充阐述。

1.制品的分类

用拉挤工艺已可生产小至几平方毫米的电缆元件，大至数平方米的桥梁面板、数千米长的光纤电缆、压力容器及导弹壳体等各种型材及异型材。它们广泛用于建筑、国防、矿山、运输、化工、交通工具、农业、电气工业等行业，用于代替木材、钢铁、水泥等传统结构材料。

按选用树脂不同，制品可分为不饱和聚酯拉挤异型材、环氧树脂拉挤异型材、乙烯基酯树脂拉挤异型材等。目前，主要选用不饱和聚酯，其次为环氧树脂及其改性树脂，国外还在研究PSF、PEN、PP、ABS、PA、PC、聚亚苯基硫醚等热塑性增强塑料拉挤制品，有些已接近工业化生产。

按增强材料品种可分为玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、金属丝、混杂纤维等制品。其中，玻璃纤维应用最广，如无捻粗纱、布带、毡片等连续纤维增强材料，近年来还发展了纤维针织物，用其代替毡片及粗纱织物可有效地提高制品的冲击强度、剪切强度和周向强度，尤其三向织物是用作高性能拉挤制品的理想增强材料。

按截面形状可分为实体制品及中空制品两类。实体类可分为有规则型及不规则型，规则型是指圆形、矩形、六角形等实心棒、管、板材；不规则型是指椭圆形、槽钢型、角钢型、工字钢型及其他异形截面的实心型材。目前，拉挤板材制品的厚度可达6～25.4mm，圆管外径可达228.6mm，实心棒直径可达20mm。对于异型材最大壁厚应小于12mm，最小壁厚应大于2mm。

空心制品有圆管、方管、椭圆管及多空心管等，但用于制作如热塑性塑料多空腔异型材类的制品很困难。

按拉挤工艺分类，制品可分为普通拉挤工艺制品及新型拉挤工艺（详见后述）制品。

2.制品的结构特点

设计拉挤制品时，除了也要控制最大和最小壁厚，使壁厚均匀、拐角用圆弧连接等要求外，还应注意以下事项：

1）应按制品的使用性能及力学性能要求选用树脂及增强材料的品种、规格及形式。制品的形状应有利于增强材料连续均匀排列，且与拉挤方向平行。增强材料的含量（质量分数为40%～80%）及布置形式直接与制品的力学性能及各向异性有关。树脂应选择粘度较低、浸渍性好、刚性好的高玻璃化温度及高反应活性的品种，这同时也决定了制品的耐热、耐蚀、电绝缘、阻燃、耐候等使用性能。设计者必须要注意，拉挤制品属于典型的各向异性制品，故应注重合理使用各向性能。

2）收缩率较大，取向性明显，不饱和聚酯收缩率可达2%以上，环氧树脂及乙烯基树脂稍小一些。

3）不宜制作多空腔或小空腔制品，采用哈夫结构拉挤模时制品上会产生分型线，应设置在适当部位，如不影响外观的地方。

4）制品表面较粗糙，需要时应设置表面打磨工序并留出打磨量。在制品棱角边宜采用小圆角过渡。

3.普通拉挤成型工艺

拉挤成型时浸渍树脂的纤维束要经过很长的拉挤模，且承受一定的纵向拉伸/弯曲应力，因此必须选择适当的成型工艺条件，使树脂有适当的固化速度，但固化也不能太快，要求在挤拉过程初期树脂开始固化到一定程度，足以承受拉挤应力，且待成型后树脂再充分固化。为了达到这种固化速度，当配方料确定后，则在模具及成型工艺参数方面需采取相应的措施。

（1）拉挤模具 在拉挤过程中，当纤维浸渍树脂后即进入预成型模、脱模剂槽、拉挤模，依次顺序逐级完成拉挤过程。三道工序的装置设在同一底盘上，拉挤中心在同一条中心线上执行各自的任务。

1）预成型模用于将浸渍树脂后的纤维束拉入预成型模腔内经冷挤压后粘结成预成型形状，且有排除物料中的空气和挤出多余的浸渍树脂的作用。

2）脱模剂槽。预成型体被拉出预成型模后即进入脱模剂槽，其外表面整体浸涂一层脱模剂（如硅油等），便于脱模和降低牵引阻力。

3）拉挤模。预成型体进入拉挤模后要完成尺寸形状的定型和物料固化定性两项重要的工序，因此拉挤模是成型过程中关键工具。

拉挤模分为三段，即预热段、固化段和离型段，可作成组合式结构，其总长一般为0.5～1.5m。如果太长，则牵引力过大，制品表面粗糙。

预热段用于预热预成型体，使物料内外温度均匀，有利于充分固化，且使物料膨胀，外型紧贴模腔。固化段设置适当的模具温度及挤压力，使物料在该段区域内充分固化，达到物性及力学性能的指标，且使制品基本定型。离型段使制品在一定温度下收缩，降低内应力，使制品外表面与模腔分离，两者间摩擦力下降，有利于制品脱模拉出。

由此可见，当配方料确定后（即树脂、增强材料、固化剂等助剂），制品的整个成型及固化过程都在这三个区域内完成，它直接决定了制品的尺寸形状及各项物性。

拉挤模的结构特点如下：

①拉挤模应有一定的热容量，在加热装置加热下可保持足够热容，保证物料加热均匀，故模具的横截面积至少应大于制品截面积10倍以上，长度在500～1500mm左右，且应设置独立的加热控温装置。

②模具应有足够的强度。哈夫模应有足够的合模力，模具应选用高强度、耐高温、耐热疲劳、耐磨性的钢材，见表17-106。

表17-106 拉挤模常用钢材

③型腔结构及尺寸应考虑树脂收缩率及收缩的取向性。

型腔多数采用拼装组合结构，便于修整及更换。应正确选择分型面，既要便于模具加工，又要保证制品质量。两拼块接缝处必须严丝合缝，防止树脂钻入粘附树脂及制品表面形成飞边，甚至造成撕裂痕。因此，分型面应尽量少，合缝处棱边不得有损伤及缺口，接缝宜设计在不损害制品外观的部位。

设计型腔位置时必须使制品的平直部分平行于加热板与拉挤方向，有利于夹具夹持牵引，如果加工槽型材和工字型材，则应使腹板平行于加热板方向；加工角型材，则应采用“人”字型取向，以保证两边受力均匀。另外，模具型孔中应尽量避免一些细小的突出和锐角，它们容易粘树脂而导致表面产生缺陷。

成型中空制品时应设有悬空的型芯，其长度一般为模具长度的2/3～3/4，且前端设计1/300～1/200的脱模锥度，如图17-91所示。

对于角型、形槽制品，成型收缩时其直角边会发生向内收缩变形，模具设计时直角边角度应放大1°～2°。

图17-91 型材模具示意图

1—芯模 2—顶丝 3—分纱器 4—孔 5—销钉 6—轴承 7—制品 8—上模 9—下模

物料入口端应设导向段，一般作成锥面、圆形、抛物线形弧面，可降低入口压力。

模具长度与设备加热能力、树脂固化温度及速度、制品截面大小、形状复杂程度、拉挤速度等因素有关，制品截面小，固化速度快，挤拉速度快，则长度可短一些。

型腔截面中心应与挤拉力轴心在同一轴线上，且制品平直部分应与拉伸方向、加热板方向平行。

模具型孔表面必须光洁，其表面粗糙度Ra应在0.025～0.08μm范围内，因此模块通常应经锻造、退火、加工、淬火、研磨抛光及电镀等工序加工，型孔平面的平行度、垂直度、直线度等几何精度也必须符合相应的标准规定。

（2）拉挤工艺参数 拉挤成型主要工艺参数包括模具温度、树脂温度、模腔挤压力、树脂粘度、固化特性、牵引力和牵引速度等，它们彼此必须互相匹配。

1）模具温度。模具温度直接影响树脂的固化程度及制品性能，如模温过低，树脂固化不充分，或模温过高，固化太快或过固化，则都会降低制品的物性，且使牵拉困难。因此，应按树脂的温度、固化特性（固化湿度及速度）、制品尺寸形状、壁厚等因素，视现场成型情况调节拉挤模的三段模温。(www.xing528.com)

卧式拉挤成型工艺流程如图17-92所示。

图17-92 卧式拉挤成型工艺流程

1—纱团 2—胶槽 3—预成型模 4—环向纤维增强 5—成型模 6—加热炉

典型的挤拉成型工艺由送纱、浸胶、预成型、固化成型、牵引和切割工序组成。无捻粗纱从纱架引出，经过集束进入胶槽中浸胶，然后进入预成型模，排除多余树脂并在压实过程中排除气泡，再进入成型模。进入成型模之前可加环向纤维进行横向增强。玻璃纤维和树脂在成型模中成型，通过加热炉固化，再由牵引装置拉出，最后由切割装置切割成所需长度的制品。生产过程中每一道工序都可以采用不同的方法和设备。例如牵引方法有间歇牵引和连续牵引；固化方法有模内固化，炉内固化，高频固化和熔融金属固化等几种。另外，还可以在浸胶后缠绕薄膜或针织物进行环向增强。实际工业生产中，可以根据需要对工艺过程的各个中间环节进行多种选择。

几种连续牵引拉挤成型方法，如图17-93所示。

图17-93 几种连续牵引拉挤成型方法

①成型热模-分段固化成型（见图17-93a）。物料通过成型热模，树脂受热达到胶凝状态，同时模塑成型，而后进入加热炉固化。这种方法的牵引和模塑过程是连续进行的，生产效率较高。制品的质量取决于成型物通过成型热模时是否已达到胶凝状态。如果在成型热模出口处树脂尚未达到胶凝状态，物料就无法成型。如果未充分达到胶凝状态，则在加热炉中固化时因无模具限制其形状，制品也容易变形。因此，必须严格控制模温和牵引速度，以保证物料在拉出成型热模时即已完全凝胶；且树脂和增强材料粘着比较紧密，所以树脂填料不宜过多，含胶量也应控制适当。成型热模-分段固化通常用于棒材的挤拉成型。

②成型热模-一次固化成型（见图17-93b）。物料通过成型热模时一次完成模塑成型和固化，其后不另设加热炉。其特点是制品表面良好，一般不需二次加工，工艺适应性好，可生产大型构件（包括空心型材等）。但由于制品在模中一次成型，其牵引速度应严格控制且不能过高。该方法一般适于采用聚酯树脂配方，并要求加内脱模剂。

③高频加热模塑成型（见图17-93c）。与前种方法一样，物料通过成型模时一次完成定型和固化，但热源采用高频电场。由于高频加热时物料内外均匀受热，故生产厚壁型材也不至于开裂。同时，因固化速度高，可提高牵引速度。模具必须采用在高频电场中不会产生热效应的非极性材料，树脂配方及填料含量也必须经高频固化试验确定。

④熔融金属加热固化（见图17-93d）。物料经预成型后进入熔融的低熔点金属槽内固化，金属液既是加热介质又是成型模具，成型物在槽内被其包覆。所用金属要求既有适当的熔融温度，又对树脂没有活性，不致互溶和粘连，尤其要求有较大的密度和较高的热导率，以保证能产生一定的压力，维持预成型所赋予物料的形状，同时能快速传递热量。熔融金属固化的优点是牵引速度可以提高，且一次可以并列多根型材。缺点是制品表面比较粗糙，要求型材的截面几何形状必须简单，故该法一般只适用于棒材。

⑤薄膜包覆固化（见图17-93e）。物料进入预成型模前，在其表面包覆薄膜，经预成型模成型后，由加热炉加热固化。薄膜的作用是保护制品表面并对制品产生一定的压力。采用这种方法可以取较高的牵引速度，模具成本低，制品表面的树脂层比较均匀。但制品表面不够光滑，需要经过打磨，且生产过程中需消耗一定的包覆薄膜。这种方法多用于生产截面几何形状简单的棒材。

2）模腔压力。模腔压力是由于树脂粘性、预制品和模腔壁间的摩擦力、材料受热后体积膨胀及部分助剂热汽化而产生的，它是制品在模腔内成型过程中各因素参与的综合参数。模腔压力有利于成型致密制品，但又增加牵引力及对模具的挤压力，一般模腔压力在1.7～8.6MPa范围内。

3）牵引力及牵引速度。该参数与物料固化速度和固化程度有关。牵引力应与物料固化过程中所受的纵向拉伸和弯曲应力相对应；牵引速度与物料的固化速度相对应，它也决定了生产速度。一般牵引速度为0.2～1.2m/min。通常，在物料固化程度及固化速度设定的条件下，应选用较高的牵引力及牵引速度。两种树脂的拉挤工艺参数见表17-107。

表17-107 两种树脂的拉挤工艺参数

4.新型拉挤成型工艺

由于普通拉挤成型工艺仅限于加工直条形、等截面制品，且有制品周向强度低、各向异性明显、热固性塑料制品成型工艺性差、配方料有储存期限制等多种不足之处，而且拉挤制品的性能高，成本与强度之比低（仅为BMC制品的1/10、SMC制品的1/4，缠绕制品的1/3），是一种理想和经济的结构材料，因此人们研发了许多新型工艺，力图克服普通拉挤工艺的缺点，扩大拉挤工艺的应用范围，现举例简介如下：

（1）拉挤缠绕工艺 它是纤维束在浸胶前或后沿环向缠绕一层纤维层，经浸胶后再拉挤成型。缠绕层可设置在制品外层、内层或中间层（一般设置在外层），从而克服了单向拉挤制品周向力学性能差的缺点。该工艺广泛用于制作压力容器、储罐、固体火箭发动机壳体等制品。

（2）拉挤编织工艺 该工艺采用三维整体编织技术，在生产线上设置编织机将纤维按制品尺寸形状直接编织成制品的预成型体，然后再浸树脂拉挤成制品。其另一种方法是先将纤维浸渍树脂后再编织成预成型体拉挤成型。这种工艺的制品也可克服了普通拉挤制品各向异性的缺点，提高了各向同性的力学性能和抗裂纹损伤容限的能力，且可精确地控制复合材料的纤维含量。目前，该工艺常用于加工十字梁、工字梁、槽型梁等制品。

（3）反应注射拉挤工艺。它将树脂分成A、B两组分配方料，分别储放，当纤维束拉入拉挤模内时，A、B树脂分别注入混合器，经充分混合后注入模腔内浸渍纤维，且发生固化反应，与玻璃纤维组成热固性塑料增强拉挤制品。该工艺制品内气泡少，纤维浸渍性好，可采用快速固化树脂。由于树脂分为A、B组分存放，所以无储存期限制。另外，纤维在干态下拉入模具，故纤维排列均匀，拉挤速度可提高10倍以上。也可用短切纤维毡作横向增强材料，制品力学性能和电绝缘性好。该工艺常用于加工槽型材、方管材、角型材和管材等，其成型设备形式很多，有立式、卧式等。图17-94所示为位于成型模具内的树脂浸渍腔结构示意图。

图17-94 位于成型模具内的树脂浸渍腔结构示意图

（4）变截面拉挤工艺 采用图17-95所示的方法，利用改变旋转模具型腔局部段的槽深即可拉挤出局部壁厚变化的制品。

另外，人们还在研制将模型设计为变截面的结构，并能自动开合的模具。开模时浸渍纤维被拉入模腔，然后合模加热固化，再开模拉出制品即可制成变截面制品，如此循环拉挤即可制作连续的变截面制品。

图17-95 生产变截面形状簧片的拉挤技术及典型设备示意图

还有一种后加工制作变截面的工艺，即将拉挤制品采用补贴、镶嵌等方法局部加厚制品截面，从而制作出变截面制品。

（5）曲面拉挤工艺 它是用于制作连续曲面拉挤型材的工艺，所用设备如图17-96所示。

图17-96 曲面型材的挤拉设备

该工艺由美国GE公司开发用来生产汽车用弓形板簧。拉挤设备由纤维导向装置（用来分配纤维）、浸胶槽、射频电能预热器、导向装置、旋盘凸模、固定凹模模座、模具加热器、高速切割器等装置组成。所用原材料为聚酯树脂、乙烯基树脂或环氧树脂和玻璃纤维、碳纤维或混杂纤维。弓形板簧的生产过程：在旋转台上固定几个与板簧凹面曲率相同的凸模（称作旋转模），形成一个完整的环形模具，凸模的数量应与板簧的长度相配合，同时，旋转环形凸模的凸面与固定凹模模座的凹面相对应，它们之间的空隙即是成型模腔。当转台转动时，牵引着浸渍了树脂的增强材料经过高频预热器和导纱装置，固定模端部的模板进入由固定凹模与旋转凸模构成的闭合模腔中，按模具的形状弯曲定型、固化，待切断后的制品才从模腔中脱出定型。这种挤拉工艺可用于生产截面积相等但形状变化的汽车弹簧。GE公司现已能生产曲率半径为50～150cm，截面积为13cm²的汽车板簧，挤拉速度为1.8～3m/min。

（6）挤拉后成型技术 它是一种连续生产带有曲率、扭转或变化截面的方法，即当平直制品拉出后，在尚未完全固化状态下利用工具使制品发生弯曲、扭转等变形，从而制成变形形状的非直线形预成品，然后再固化定型即可。该技术已用于制作直升机机门导轨、发动机出口处带扭角叶片、汽车零件、建材和运动器材等。但目前只适于制作截面厚度较小、曲率和扭角不大的制品。

（7）横截面积可变拉挤工艺 美国Lowell大学研制开发了一台可变截面拉挤机，它由计算机控制改变模腔截面尺寸和制品锥度等结构参数。与普通拉挤工艺不同之处是该工艺用指令控制进入模具的纤维量，即厚截面部位可增加输入的纤维量及相应的浸渍树脂量，能保持不同截面的树脂含量均匀一致，成型时模块按指令运动，可组成不同截面尺寸的模腔，制作不同横截面的连续成型的制品。目前，该工艺还在进一步研制阶段，还不能制作截面形状过于复杂的制品。

（8）热塑性基体复合材料挤拉技术 该工艺可提高热塑性塑料制品的工艺性和物理性能，颇受各界重视，已成为拉挤工艺重点研发的对象。目前，主要采用熔融粘度低、耐高温的热塑性树脂为基材，用于浸渍增强材料进行拉挤成型。其中，浸渍工艺及质量是该工艺成败的关键，过去用溶剂涂覆工艺，因有需要进行去溶剂处理、对环境污染大、去尽溶剂困难、溶剂用量大等缺点，因此无法推广应用。目前，人们开发了热熔法、粉末流化床涂覆法、热塑性塑料纤维与增强纤维编织预成型法等技术，大大地促进了该工艺推广应用。几种成功的浸渍法简介如下：

1）热熔涂覆法。与热固性树脂浸渍工艺相似，其工艺过程是增强材料经过树脂热熔槽被浸上熔融的液态树脂，而后通过成型模冷却定型。热熔槽一般通入不活泼气体以防止树脂被氧化。热熔涂覆法要求树脂的熔融粘度低。

2）流化床涂覆法。将粉末状的热塑性树脂悬浮在空气中，或用静电悬浮形成流化床系统，纤维通过流化床时粘附上一定量的基体粉末。根据纤维材料是否导电，分别采用高频加热或感应加热，使粘附在纤维上的基体粉末熔化而浸渍纤维，再通过较短的模具使其初步成型，最后通过模口冷却定型为最终产品。

3）预混法。热塑性塑料纤维与增强材料纤维的编织预混法，是用纤维状的热塑性树脂与增强纤维合并或编织成无捻粗纱、带或布，通过热模使基体纤维熔融并浸渍增强材料，冷却后定型为最终产品。编织预混法中基体树脂的比例可以预先确定，并可保证生产过程中比例不变。用预混法生产热塑性塑料挤拉制品时，可直接利用许多标准的挤拉技术和设备。

热塑性塑料的挤拉工艺目前已接近工业应用水平，可以预见，热塑性复合材料挤拉制品在不远的将来即会得到广泛的应用。顺便指出，上述热塑性树脂的浸渍方法，也可应用于热塑性树脂基复合材料的纤维缠绕工艺的预浸料制备。