复合材料课程设计模板Word文档格式.docx
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聚乙烯/碳纤维复合材料注射成型工艺设计
一、设计背景以及国内外发展现状
树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、
碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维增强体。
纤维增强树脂基复合材料常用的树脂为
环氧树脂和不饱和聚酯树脂。
目前常用的有：
热固性树脂、热塑性树脂，以及各种各
样改性或共混基体。
热塑性树脂可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成
粘性液体，冷却后又变硬。
热固性树脂只能一次加热和成型，在加工过程中发生固化，
形成不熔和不溶解的网状交联型高分子化合物，因此不能再生。
复合材料的树脂基体，
以热固性树脂为主。
早在
40
年代，在战斗机、轰炸机上就开始采用玻璃纤维增强塑料
作雷达罩。
60
年代美国在
F—4、F—111
等军用飞机上采用了硼纤维增强环氧树脂作
方向舵、水平安定面、机翼后缘、舵门等。
在导弹制造方面，50
年代后期美国中程潜
地导弹“北极星
A—2”第二级固体火箭发动机壳体上就采用了玻璃纤维增强环氧树脂
的缠绕制件，较钢质壳体轻
27%；
后来采用高性能的玻璃纤维代替普通玻璃纤维造
“北极星
A—3”，使壳体重量较钢制壳体轻
50%，从而使“北极星
A—3”导弹的射
程由
2700
千米增加到
4500
千米。
70
年代后采用芳香聚酰胺纤维代替玻璃纤维增强环
氧树脂，强度又大幅度提高，而重量减轻。
碳纤维增强环氧树脂复合材料在飞机、导
弹、卫星等结构上得到越来越广泛的应用。
碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向
强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，
比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，
X
射线透过性好。
良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好碳纤维在传统使用中除用作绝
热保温材料外。
多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复
合材料。
碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。
由于碳纤维复合材料具有轻
而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面
积整体成型等特点，已在航空航天、国防军工和民用工业的各个领域得到广泛应用。
[11]
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。
高性能碳纤维是制造先进复
合材料最重要的增强材料
。
聚乙烯/碳纤维
复合材料是以聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯
等热塑性塑料为原料，热塑性塑料可采用新塑料或工业、生活废弃的各种塑料，而碳
纤维可采用因此木塑复合材料的研制和广泛应用有助于减缓塑料废弃物的公害污染，
也有助于减少农业废弃物焚烧给环境带来的压力。
木塑复合材料的生产和使用不会向
3
周围环境散发危害人类健康的挥发物，材料本身还可以回收进行二次利用，因此它是
一种全新的绿色环保复合材料。
二、聚乙烯/碳纤维复合材料配方（生产原料）
2.1
原材料的选择
2.1.1
聚乙烯树脂
作为聚乙烯/碳纤维复合材料挤出发泡的原料，选择分子质量适当的聚乙烯非常重
要，因为分子质量影响聚合物的流变性，从而对气泡的生长影响很大。
分子质量过低，
熔体强度较差，熔体对发泡气体逃逸的阻碍能力差，很难得到泡孔均匀细密的泡沫塑
料；
若分子量过高，熔体的拉伸强度很大，抑制泡孑
L
的生长，致使发泡不充分，也
难以得到高发泡率的泡沫塑料。
故选择
K
值为
57～60
的聚乙烯较为合适。
2.1.2
碳纤维
碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得，应用较
普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。
主要通过纤维纺丝、热稳定化
（预氧化）、碳化、石墨化等
4
个过程制得。
2.1.3
固化剂
固化剂又名硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。
树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变
化过程，固化是通过添加固化（交联）剂来完成的。
固化剂是必不可少的添加物，无
论是作粘接剂、涂料、浇注料都需添加固化剂，否则环氧树脂不能固化。
固化剂的品
种对固化物的力学性能、耐热性、耐水性、耐腐蚀性等都有很大影响。
固化剂的品种
对固化物的力学性能、耐热性、耐水性、耐腐蚀性等都有很大影响，例如芳香多胺、
咪唑、酸酐等固化剂固化环氧树脂的耐热性高于脂肪族多胺、低分子聚酰胺固化剂；
芳香族酸酐固化环氧树脂的耐水性优于芳香二胺和脂肪族多胺固化剂；
三亚乙基四胺
固化剂耐碱性好，但耐酸性和耐甲醛溶液性较差。
脂环族多胺（如异佛尔酮二胺）固
化环氧树脂的耐药品性优良。
酸酐固化剂固化环氧树脂的耐碱性优于耐酸性。
应根据
不同的用途和性能要求选择适当的固化剂。
对光泽来说，芳香族最好，脂肪族最差。
此性质受固化温度的影响，随温度升高，光泽变好。
至于柔软性，官能基间距离长的
4
聚酰胺更优良一些，而交联密度高的芳香胺则差。
耐热性与柔软性正好相反，而粘接
性则与柔软性一致。
耐药品性（耐酸性）受化学结构影响，芳香族比较优良，脂肪胺
和聚酰胺则易受化学药品腐蚀。
耐水性受官能基质量浓度的支配，官能基质量浓度低、
疏水度高的聚酰胺类更耐水，而官能基质量浓度高的芳香族则差一些。
2.1.4
阻聚剂
为了避免烯类单体在贮藏、运输等过程中发生聚合，单体中往往加入少量阻聚剂，
在使用前再将它除去。
一般，阻聚剂为固体物质，挥发性小，在蒸馏单体时即可将它
除去。
常用的阻聚剂对苯二酚能与氢氧化钠反应生成可溶于水的钠盐,所以可用
5%～10%的氢氧化钠溶液洗涤除去。
氯化亚铜和三氯化铁等无机阻聚剂也可用碱洗除
去。
阻聚剂分子与链自由基反应，形成非自由基物质或不能引发的低活性自由基，从
而使聚合终止。
2.1.5
脱模剂
脱模剂（mold
discharging
agent）是一种介于模具和成品之间的功能性物质。
脱模
剂有耐化学性，在与不同树脂的化学成份（特别是苯乙烯和胺类）接触时不被溶解。
脱模剂还具有耐热及应力性能，不易分解或磨损；
脱模剂粘合到模具上而不转移到被
加工的制件上，不妨碍喷漆或其他二次加工操作。
由于注塑、挤出、压延、模压、层
压等工艺的迅速发展，脱模剂的用量也大幅度地提高按脱模剂的化学成分可分为三类：
无机物、有机物和高聚物。
①无机物脱模剂
如滑石粉、云母粉以及陶土、白黏土等为
主要成分配制的复合物。
②有机物脱模剂
如脂肪酸皂（钾皂、钠皂、铵皂等）、脂肪酸、
石蜡、甘油及凡士林等。
③高聚物脱模剂
如硅油、硅酯、聚乙二醇、低分子聚乙烯等。
其脱模效果和热稳定性比有机脱模剂好得多。
硅油、硅酯是最主要的脱模剂。
5
实验原料
用量/phr
备注
100
SG
一
8
型
45
EVA-g-MAH/POE-g-MAH
9
接枝率
0.8%
CaCo3
15
纳米级
复合稳定剂
4.5
SP-01
改性剂
10
0.3
0.5
2.2
工艺流程图
2.3
具体生产原料及配方
因每件样品质量不超过
500g，故按照生产配方，取聚乙烯树脂
200g，碳纤维
90g,碳酸
钙
30g,其它原料依次类推。
此样品质量ｍ=（200+90+18+30+9+20+6+0.6+1）g=374.6g
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实验设备
型号
用途
高速混合机
SHR-10A
物料预混，分散
单螺杆造粒挤出机
SJ180X25
挤出造粒，以便注塑
注射成型机
HTF200J/TJ
注射成型
干燥箱
101-5
烘干聚乙烯树脂等
加料段/℃
熔化段/℃
均化段/℃
机头体/℃
口模/℃
140-150
160-170
170-180
180-185
螺杆直径/mm
转速/rpm
长径比/（L/D）
驱动功率/KW
180
25-120
25:
90
该课程设计过程中主要实验仪器和设备，如图：
2.4
单螺杆挤出造粒机
本次课程设计采用的是
SJSH-57C
型双螺杆挤出造粒机，主要技术参数，挤出造粒时
各段机筒温度，母粒效果等，下表。
单螺杆挤出造粒机主要参数
单螺杆挤出造粒机加热温度
2.5
注塑机结构及操作流程
2.5.1
注射成型机的结构
2.5.2
注塑机的基本参数
注
塑
机
的
性
能
通
常
采
用
些
参
数
加
以
表
示
，
其
基
本
有
注射
量
、
射
压
力
注射速度、注射时间、塑化能力、锁模力、移模速度和
合模装置基本尺寸等。
这些参数能较好地反映出注塑件的大小、物料种类和品级范围，
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又是注塑模具设计和注塑机选用的依据。
型号UnitYT-300T-G
螺杆直径mm606570
理论射出容量Cm8488481154
射出量（PS）g/0z788/27.8788/27.81073/37.8
射出系统
锁模系统
其它
射出率
Cm2/see
288
338
392
射出压力
Kgf/cm2
2022
1723
1486
螺杆转速
rpm
0-200
锁模力
tf
300
开模行程
mm
500
最小模厚
400/450
最大开模距
900/950
模板尺寸
1440*1060
转盘直径
1590
模柱间距
1060*680
顶出行程
150
顶出力量
5.8
最大液压压
Kgf/cm
2
175
作动油量
l
720
马达电力
kw
37.5（50HP）
电热容量
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