聚偏氟乙烯PVDF模压成型工艺详细步骤
聚偏氟乙烯PVDF模压成型工艺详细步骤
I. 简介
在PVDF应用的各个领域里（化学工业，电子工业…），有些地方需要较厚的部件。这些部件可以通过对半成品棒材或厚块的机械加工来获得。这些棒材和厚块可以通过挤出或用粒料模压成型来制成。后者的方法虽然非常简单，但是经验表明整个加工过程需要精心设计。
II. 技术需求
A. 材料特性
- 热及颜色稳定: PVDF材料本身必须能经受苛刻的加工条件而无任何的降解并且几乎不出现发黄现象。
- 粘度: 模压过程中熔体流出模具（造成飞边）的现象必须最小化。
B. 半成品
- 颜色均一性
- 无气孔
- 最小的内部应力: 以避免进一步加工时发生翘曲变形
- 达到PVDF标准的机械，化学和纯度性能 (请参照物性资料)。
III. 材料的选择
一般选用高粘度树脂。如果需要柔韧性，可以选用阿科玛PVDF 760或苏威PVDF 50513，它是和六氟丙烯的共聚物，同时具有高粘度和高柔韧性。
IV. 工艺描述
基本上分为三步 :
- 将颗粒熔融
- 熔融体的模压
- 冷却。
具体有两种方法可以采用；这两种方法因颗粒的熔融方法不同而异:
1- 在模具内部熔融
2- 在模具外部熔融
图1和2阐明了两种不同的方法。
A. 第一步: 加热和熔融颗粒
1. 模具内部熔融法（用于厚度小于4 cm的部件）所需量的PVDF颗粒可直接加入预热模具里熔融。模具的预热温度应为190°C。确保模具的预热时间足够长以使整个模具表面达到充分均匀而且稳定的温度。
颗粒加入模具前预热到150°C。有两种简便的方法:
- 将颗粒放入150°C的通风烘箱中加热1小时30分钟，层厚不超过2cm
- 或者更好的办法是，向颗粒吹150°C的热干空气30分钟。
加料后，模具应在完全无压力的情况下关闭。
重要注解: 在模压前，熔融时间必须足够长到可使所有的颗粒都熔融，包括层中间的颗粒: 熔融必须维持在30分钟／厘米（最终产品的厚度），时间至少1小时。例如，对于3cm厚的薄板，完全无压力在190°C下需保持1小时30分钟。
低于4 cm厚的样张都可用这种方法加工。超过4 cm时，熔融时间则过长，而颜色则会较黯。因此宜采用第二种方法（模具外部熔融法）:在模具外部熔融可以减少熔融时间。
2. 模具外部熔融法(适用于所有厚度)
a. 在烘箱中熔融的办法
所需量的颗粒可直接加入通风烘箱里熔融。
这里，为了防止粘着（可使用炊具平板锅），可将PVDF颗粒放在最大层厚为2 cm的PTFE板上(例如也可以是有PTFE涂层的板上)。
在烘箱中熔融，温度应保持在195°C，时间1小时30分钟。随后将熔融块灌入预热过的模具中。（见第二步）
重要注解: 确保颗粒在转移和压缩前已完全熔融。
如在烘箱中有足够空间，则可降低颗粒层的厚度，加热时间可随之减少（泛黄的可能性也将减小）。请再次确保压缩前颗粒块已完全熔融。
b. 转移模塑法
如果可能的话，也可以使用挤塑机来熔融PVDF树脂。
所需数量的树脂必须挤出到一个过渡的绝缘容器内（涂有PTFE防粘材料）。
随后如上所述将熔融块转移到预热过的模具中。
这种方法是目前来说最具代表性的能得到最好半成品的方法。
1. 第一种方法: 在模具内部熔融
这种方法压缩过程中模具的温度维持在190°C。
因为颗粒已经全部熔融，达到所需压力的时间就相当短了：15 min/cm足够达到至少50 bars的压力，理想条件下可以达到120 bars。由于内部的气体需要排出，这个时间不能再缩短了。压力从0到20bars上升时，在前10个min/cm时需要缓慢提高，例如前5个4－bars时应为2 min/cm。然后，可以很快加到最高压力。
1. 颗粒 150°C下预热 :
- 在通风烘箱中150°C，2cm层厚，放置90分钟
- 在集尘箱中用150°C的干燥热空气吹30分钟
2. 模具190°C预热60分钟
3. 颗粒熔融速度按30min/cm厚度进行, 190°C（最少60分钟），无压力
4. 压力逐步增加 - 190°下每厘米厚度熔融块持续加压15分钟
5. 快速冷却至130°C，保持最大压力在130°C下稳定维持在30min/cm厚度
6. 缓慢冷却至50°C， 保持最大压力稳定在60min/cm厚度
（图1）
2. 第二种方法: 在模具外部熔融
因为所有的颗粒在使用时已经完全熔融，所以模具就不需要预热到很高的温度了。模具应在155°C下预热并在整个模压过程中保持这个温度。
设定压力的方法和第一步完全相同:
15 min/cm应当足够了，如果可能的话应保持同样的缓慢压力提高。
注意: 如果模具不够闭合，当压力太高时一些熔融的树脂可能会流出模具外。
在这种情况下，模压过程中的最大压力应当减小以限制这种外流。这个降低的最大压力大小取决于模具尺寸和闭合度，在此不能明确定义。在冷却步骤开始的几分钟后应当提高压力，因为此时薄皮层已经冷却导致表面封闭。
1. 模具155°C下预热60分钟
2. 颗粒熔融:
- 195°C下在通风烘箱中，2cm的颗粒层厚，加热90分钟
- 使用挤出机
3. 模具被熔融块完全填满
4. 逐步提高压力 -在155°下对熔体进行模压，时间为15分钟每厘米厚度
5. 快速冷却至130°C，保持最大压力在130°C下稳定维持在30min/cm厚度
6. 缓慢冷却至50°C， 保持最大压力稳定在60min/cm厚度
（图2）
C. 第三步: 冷却
两种方法的冷却步骤完全相同:
压力
在整个冷却过程中压力必须维持在最高值（至少100 bars，最好为120 bars)，直到温度降到大约50°C。事实上，
由于固化时会产生收缩，冷却过程中上压力要足够深以抵消冷却时造成的收缩，同时防止空隙的产生。
温度
将模具温度降到130°C并在一定时间内保持在130°C。维持这个水平可避免过多的内部压力。这个水平的持续时间应按照内部压力的最小化和发黄现象折衷处理。每厘米厚度至少维持30分钟。
接下来的冷却时间，即从130°C到50°C，也同样需要折衷处理，因为快速冷却会导致高温梯度，而相应的结果是产生相当高的内部压力。同样的，每厘米厚度至少维持30分钟，最好为60 min/cm。
在侧壁应使用筒形加热器阻止边缘地带的较高冷却速率。如此，上压力可以抵消由于固化而产生的体积变化，同时防止空隙的产生。如果厚度大于3 cm，侧壁的加热是需要的。
底部和顶部的降温速率应保持相等，
为的是最有效的防止温度梯度的产生。
应记住当板材表面的温度为50°C时，板材中心的温度仍然很高，这就是为什么压力必须保持数个小时的原因。因为冷却时间很长，不需要进行退火。
如您希望更快的取出产品，冷却时间可以缩短，但是需要在140°C下退火。
D. 厚板加热相关过程的模拟
为了对物体的冷却所需时间有大概的了解，我们对一块较大而厚的板的模压成型进行了模拟（使用SOLEF 6012/0000）。
这块板的尺寸如下：
- 宽度: 4 m x 4 m
- 厚度: 60 mm
为了计算板内部的温度曲线，在对模具温度建模时加入了表面温度曲线。温度在200°C和50°C 之间，其中一段时间维持在140°C。在脱模后空气冷却至50°C(见图3).
(图3)
SOLEF PVDF的比热容对比 由DSC测得的温度，也就是使用了结晶峰值(见图 4 ).
（图4）
空气降温时，假定热交换系数为- 4000 W / m². K，辐射系数为- 0,95。
模拟结果可见下列图表
• 图 5 表示表面和板中央的时间对温度的曲线。
（图5）
• 图 6 为不同时间后板厚度对温度的曲线
（图6）
• 图 7 为温度曲线的2D图
（图7）
• 图 8 为厚度和时间的3D图
（图8）
在本例中，板中心达到40°C需要15个小时。
V. 所需设备
A. 模具
模具必须拥有足够的尺寸和充分的闭合
度以避免在熔融树脂压缩时过多的树脂流出（外流）至模具外。应该具有顶部、底部和侧壁的加热和冷却设备。同时这些设备应当可
以独立控制以保证顶部和底部温度相等
，并且保证侧壁的降温速率低于顶部和底部
表面的降温速率。
模具的各个侧面温度必须可以控制；热电偶应放在金属内部，摆放在各个面的中间尽可能的靠近模具的内表面，也就是尽可能的靠近熔融树脂。
PTFE喷雾，PET 薄膜或FEP薄膜可能可以防止PVDF树脂粘在模具的内壁。
B. 压机
压力至少可以达到50 bars，理想的是可以达到150 bars，并且可以进行逐步
压力调整。
C. 烘箱
烘箱必须可以通风以避免产生温度梯度。温度必须严格控制。
