热压罐选型

2019-10-15

热压罐的选型要综合考虑的因素包括：
1) 预计产品最大尺寸；
2) 产品树脂体系；
3) 树脂的性能；
4) 模具的设计；
5) 生产节拍。
一、预计产品最大尺寸
用户在计划采购热压罐时必然会对产品的尺寸进行预估，通常希望有所预留，在场地和资金允许的前提下尽量采购大些的热压罐。
用户需要根据产品的尺寸，综合考虑模具的尺寸。由于热压罐依靠循环风加热模具，因此，一定要充分考虑气体的流通通道，不能堵塞罐内空间。
但是，不要盲目选用大尺寸型号，受我国公路运输桥梁通行高度限制，外径超过4m就难以运输，对应热压罐有效使用直径约3.5m。在此尺寸以下，热压罐可以在厂家制造，运输到安装场地，建设周期短。此尺寸以上，需进行现场制造，建设周期长，费用高。同时热压罐能耗较高，需要综合考虑厂房的规模及配电能力。
二、产品树脂体系：
复合材料固化成型，对热压罐性能的要求主要取决于使用的树脂体系。在现有常用的热固性树脂中，以环氧树脂及酚醛树脂应用最为普遍。
环氧树脂根据不同的配方，从常温固化到高温固化，覆盖较大的范围。但是，常温固化和低温固化树脂，其性能不适合使用热压罐，较少用于热压罐工艺。常用于热压罐工艺的环氧树脂固化温度从120℃~180℃，通常，环氧树脂体系固化是施加0.6MPa的压力就可以使力学性能趋于稳定，固化成型后满足要求。如果形状复杂，需要适当提高压力。
酚醛树脂体系的使用同样很广泛，酚醛树脂体系采用烘箱固化的效果可以满足要求不高的应用场合，但是，当要求比较高的纤维体积含量、较高的致密性、较低的缺陷时，就需要使用热压罐。酚醛树脂体系根据配方及材料性能要求的不同，固化温度通常从120℃~170℃，固化施加的压力从0.4Mpa~2Mpa不等。
对于产品采用环氧树脂及酚醛树脂体系的热压罐用户，采用的固化辅助材料均为市场上供应的常规的尼龙薄膜真空袋、无纺透气毡、真空密封胶带，这些材料的短时间耐温上限通常在170℃~200℃之间。因此对于这些用户，选用热压罐的额定工作温度高于200℃是没有意义的。热压罐厂家通常按照250℃设计内部耐热结构，如果用户能准确提供最高使用温度，热压罐厂家可以准确计算加热负载，减小装机功率，达到节能的效果。
复合材料使用的树脂体系种类很多，有些高性能的树脂的使用范围较小，仅使用于航空航天、电子等高端领域，如耐高温的双马树脂、聚酰亚胺树脂、高介电性能的氰酸酯树脂。正在研究开发中的热熔树脂系统，则是希望大幅降低复合材料的制造成本，提高制造效率。
最高使用温度250℃的热压罐可以满足双马树脂、氰酸酯树脂的固化温度要求，通常0.6Mpa的压力可以满足对于力学性能的要求，如果出于其它性能的需求，压力可能需要进一步提高。但是，对于这两种复合材料固化中使用的辅助材料，可靠的耐温性能约230℃，对工艺的制约很大。
聚酰亚胺树脂是当前可实用的耐温等级最高的树脂，固化温度在300~370℃间，并有进一步提高的趋势，同时固化压力要求1.5Mpa以上，甚至2Mpa以上。这就需要配备高温高压热压罐。高温高压热压罐本身在技术上有较大的难度，同时，这个耐温等级的辅助材料工艺性极差，很难保证真空袋的密封，为此，高温高压热压罐必须配套氮气供应系统，保证工艺过程中内部气氛的氧含量≦8%，以杜绝使用中材料失火，建议使用纯度95%以上氮气加压。
热熔树脂系统复合材料正在研究开发中，研究者希望应用于汽车等领域。目前还没有得到广泛的应用，树脂正在不断的创新中，因此，如何配套热压罐还没有成熟的参数。从材料性能的规律分析，热熔树脂的成型温度一定要高于使用温度，热熔树脂的最低粘度不可能做到低于热固性树脂的最低粘度。从上述两点分析，适用于热熔树脂体系的热压罐的温度及压力要求均应稍高于常规热压罐。同时，热熔树脂研究的重要目标是实现高效成型，因此对设备有相应的要求，这需要从事材料及工艺研究人员进一步探索。
三、树脂的性能
树脂的性能对热压罐的加压系统的设计起主要作用。

对于复合材料在固化工艺中采用什么样的温度曲线，在什么时候加压，是决定复合材料最终质量的关键。如何决定这两个参数，重要的依据是代表树脂固化过程的两条曲线：

	树脂名称	固化温度	工作压力
1	环氧树脂	120℃--180℃	0.6Mpa
2	酚醛树脂	120℃--170℃	0.4Mpa—2.0Mpa
3	双马树脂	230℃	0.6Mpa以下
4	氰酸酯树脂	230℃以下	1.0Mpa以下
5	聚酰亚胺树脂	300℃--370℃	1.5Mpa—2.0Mpa
6	热熔树脂	待定	待定

三、树脂的性能
树脂的性能对热压罐的加压系统的设计起主要作用。
对于复合材料在固化工艺中采用什么样的温度曲线，在什么时候加压，是决定复合材料最终质量的关键。如何决定这两个参数，重要的依据是代表树脂固化过程的两条曲线：

树脂的粘度-温度曲线

树脂的DSC曲线

上图示意了两条曲线：（本示意图不代表真实的曲线及对应关系）

树脂粘-温曲线，代表了树脂黏度随温度变化的趋势，曲线最终粘度快速上升，代表树脂开始固化。

树脂的DSC曲线代表了树脂固化过程的吸热或放热过程，代表了树脂在某个温度段进行了固化反应。

树脂的这两条曲线，在不同的升温速率，不同的温度保持时间下表现不同。

复合材料固化过程中的加压，最好在粘度最低点进行，这时树脂流动性最佳，最易保证复合材料质量。如果加压过早，树脂容易从真空管道流出，造成产品树脂含量低或贫胶等缺陷。如果加压过晚，树脂的粘度快速上升，流动不足容易形成分层、气孔等缺陷。为了达到复合材料的设计性能，工艺人员必须准确了解真实固化温度曲线下的这两条曲线，才能准确制定工艺。

树脂在固化过程中的流动性，决定了热压罐需要配备的加压系统的设计方式：

 如果树脂的流动性可以控制的很好，不会过度流出，那么对加压时机的要求就不高，优良的树脂可以实现“始加压”，开始升温就开始加压。对于具有这种树脂特性的复合材料产品，热压罐的加压系统设计允许比较简单，可以使用空压机直接向罐内打气，省略大型的储气罐，可以降低设备费用。但是当热压罐规格较大时，需要配套大功率的空压机，配电要求提高，综合费用需要根据具体情况进行测算。

如果树脂的流动性过大，就一定要控制加压时机，这时需要在某个时间点在较短的时间段内完成加压。这种情况下的热压罐加压系统设计需要配备大型储气罐。对热压罐控制系统的要求非常高，需要热压罐软件具有如下基本功能：

 应控制模具温度，而非空气温度；

 加压的控制必须与温度关联随动，实现在预定的温度点加压；

 当热压罐内的多件模具的温度存在差异，需要实现等待各模具均进入加压窗口再实施加压。加压过程要快。

压力容器在1.6Mpa分级，高于1.6Mpa的热压罐，费用会有比较显著的增加。压力要求高，热压罐容器的重量随之增加，成本提高。同时，为热压罐供气的空压机等设施的规格要加大，造成建设费用的提高。因此，对于用户而言，合理选择常用压力是非常重要的，要建立一个概念，厂家的设计压力一定要稍大于常用压力，设计压力是出于安全的考虑的设计余量，常用压力是用户工艺中使用的实际压力，按照用户的常用压力配套的供气系统，在使用中才是合理并经济的。

注：有些复合材料产品，为达到特殊的性能指标，要求很高的成型压力。虽然就压力容器而言，并没有限制。但是从安全性以及经济性考虑。热压罐的设计压力超过5Mpa是不适当的，设备制造难度加大，成本大幅提高，可靠性大幅降低。因此，如果复合材料的成型压力一定要超过3Mpa，尺寸较大部件建议使用液压釜，尺寸较小部件建议使用热压机。

四、模具的设计

复合材料模具有很多种，一般包括复合材料模具、金属模具，金属模具又包括铝模具、钢模具。模具的形式根据各复合材料生产商的产品特点及工艺习惯而定。

模具形式的选用，对热压罐的加热系统的设计有影响。

复合材料模具，热容量相对较小，比较容易升温，但使用周期短，精度较低。金属模具，热容量大，升温慢，使用周期长，精度高。

热压罐对模具的升温，通过循环风传热实现。因此，热压罐内模具的温度分布规律如图示意，呈现前高后低。

对于小尺寸热压罐，由于产品尺寸小，这个差异相对小些，大多数情况下不用过多考虑，为缩短工艺周期，可以要求热压罐空载升温速率3~5℃/min。建议采用3℃/min，要求过高增大装机功率，增大成本，实际使用中意义不大。
对于大尺寸热压罐，模具的温差不容小视，需要经过计算，为保证模具各部位温差在一定范围内，只能降低模具的升温速率。因此实际生产中，大尺寸产品模具的升温速率一般在30℃/h左右。因此大尺寸热压罐要求高的空载升温速率没有意义，大幅度增加建造成本。
五、生产节拍
热压罐相对其它复合材料成型设备，材料的综合性能最佳，适应性最大，工艺可控性最好，模具成本相对较低，因此在复合材料行业应用越来越广。但是，热压罐也存在很大的局限性，如耗能高，成型效率低等。
生产节拍要求，决定了热压罐的真空及热电偶通道数量。生产节拍要求高，同时进罐模具多，真空及热电偶通道就要求多。但是要求过多的通道数，设备成本大增，故障率提高，维护成本提高，需要经过合理测算。
当前，复合材料的应用范围越来越广，复合材料低成本快速制造成为技术发展的重要方向。而实现低成本快速制造，除树脂、模具等技术因素，固化设备是重要的环节。
★ 绝大部分树脂的性能，在升温速率提高时，最低粘度都呈现降低趋势，这对于复合材料成型质量是有利的。有些品种的树脂（如聚酰亚胺），差异十分大，使得采用这种树脂制备产品，在常规热压工艺下，产品的缺陷多，性能降低。但是在快速升温工艺下，可以实现高品质。

复合材料在汽车上的应用，是当前复合材料技术发展的一大方向，也是当前复合材料技术发展的一大推动力。汽车当前采用钢材制造，生产效率极高，具有“一分钟工艺”之称，以复合材料替代金属，生产效率是第一位的。
为实现高效生产，目前有多种技术方向。包括热固性树脂、热塑性树脂、RTM、模压、非热压罐技术等等。
本公司瞄准技术发展方向，分析各种方向的优缺点，认为热压罐技术，只要能够解决能耗和成型周期问题，仍然有很大优势，适应性强，质量可靠，模具要求低。
本公司开发的改进型热压罐快速成型技术，具有下列特点：