脲醛阻燃塑料馬桶蓋板成形工藝的改進(jìn)*

魏夢(mèng)雄

(廈門銥科塑膠精密模具有限公司 福建 廈門 361000)

脲醛塑料因其陶瓷感強(qiáng)、硬度高、耐劃傷、防霉、耐油、耐溶劑的特性，而被大量用來(lái)制造高檔馬桶蓋板，很受歐洲消費(fèi)者的喜愛(ài)。

脲醛馬桶蓋板是運(yùn)用模壓成形工藝生產(chǎn)出來(lái)的。在模壓成形蓋板時(shí)，由于脲醛塑料固化時(shí)有水和甲醛等小分子揮發(fā)物產(chǎn)生，這些揮發(fā)物留在制品內(nèi)部，會(huì)使蓋板起泡，強(qiáng)度降低，給生產(chǎn)帶來(lái)很大困擾。

為解決這個(gè)問(wèn)題，模壓成形時(shí)通常會(huì)在合模后增加一道排氣步驟。就是在模具閉合后適當(dāng)時(shí)間內(nèi)，壓機(jī)卸壓，模具開啟，將固化反應(yīng)產(chǎn)生的揮發(fā)物排出后再次合模。

采用這種排氣工藝，雖然可以解決蓋板起泡問(wèn)題，但是蓋板表面或多或少會(huì)出現(xiàn)排氣痕，影響蓋板表面品質(zhì)。為確保蓋板外觀品質(zhì)，必須增加一道拋光工序來(lái)拋去排氣痕。這樣不僅耗費(fèi)人工，降低生產(chǎn)效率，而且蓋板的表面致密層會(huì)被破壞，影響蓋板使用壽命。

為此，筆者通過(guò)對(duì)脲醛塑料成形過(guò)程的固化反應(yīng)機(jī)理和排氣痕產(chǎn)生原因進(jìn)行深入分析，改進(jìn)了排氣工藝，研究出“逐步加壓排氣法”，解決了蓋板表面出現(xiàn)排氣痕缺陷的難題。

1 脲醛樹脂結(jié)構(gòu)和固化反應(yīng)機(jī)理

1.1 脲醛樹脂的結(jié)構(gòu)

脲醛樹脂英文名(Urea Formaldehyde Plastics)，縮寫：UF。

結(jié)構(gòu)式：

三維立體結(jié)構(gòu)：

脲醛樹脂未固化前主要由取代脲和亞甲基鏈節(jié)或少量二亞甲基醚鏈節(jié)交替形成的多分散性聚合物，固化后才形成上述結(jié)構(gòu)式描述的三維立體結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，脲醛樹脂固化后的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的。

1.2 固化反應(yīng)機(jī)理

生產(chǎn)脲醛蓋板使用的原料是脲醛模塑粉。脲醛模塑粉是由線型低縮聚度脲醛樹脂、α-纖維素、潛伏性固化劑、穩(wěn)定劑、 脫模劑、著色劑等組成。

加熱、加壓時(shí)，潛伏性固化劑水解釋放出酸，酸性條件下，線型低縮聚度脲醛樹脂進(jìn)行橫向交聯(lián)，形成網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu) 。

脲醛樹脂固化時(shí)，發(fā)生下列的基本反應(yīng)[1]：

1.2.1 分子鏈之間羥甲基和酰胺基的縮聚反應(yīng)

1.2.2 分子鏈之間羥甲基和亞氨基的縮聚反應(yīng)

1.2.3 分子鏈之間羥甲基和羥甲基縮聚反應(yīng)生成醚鍵

1.2.4 分子鏈之間羥甲基和羥甲基縮聚反應(yīng)生成亞甲基

脲醛樹脂的固化就是線型的分子鏈上的活性基團(tuán)(-CH2OH、-NH-)之間，在加熱、加壓和固化劑的作用下，交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。同時(shí)會(huì)產(chǎn)生易揮發(fā)的低分子物--水和甲醛。

2 脲醛蓋板模壓成形生產(chǎn)流程和工藝

2.1 生產(chǎn)流程

脲醛模塑粉——預(yù)熱——加料——合模——排氣——固化(加熱、加壓)——開模——制品取出

2.2 成形工藝

2.2.1 模壓溫度(模具溫度)

脲醛模塑粉的模壓溫度在135～155 ℃。

2.2.2 模壓壓力

是指模塑粉完全充滿模具型腔所施加的必要壓力。

脲醛模塑粉的模壓壓力在14～56 MPa。

2.2.3 模壓時(shí)間指模塑料熔融體充滿模具型腔到固化定型所需的時(shí)間。

脲醛模塑粉模壓時(shí)間在30～60 s/mm。

2.2.4 排氣時(shí)間和次數(shù)

脲醛模塑粉的排氣時(shí)間和次數(shù)須通過(guò)試模來(lái)確定。

3 傳統(tǒng)排氣工藝和排氣痕

3.1 傳統(tǒng)排氣工藝

脲醛模塑粉固化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水和甲醛。在135～155 ℃的溫度條件下，水和甲醛會(huì)氣化和膨脹。但是在模具閉合和加壓狀態(tài)下，水和甲醛等揮發(fā)物被封閉在蓋板內(nèi)部。成形完畢，模具打開時(shí)，蓋板表面所受壓力從二三十兆帕降到一個(gè)大氣壓 ，封閉在蓋板內(nèi)部的水和甲醛氣化膨脹，蓋板表面就出現(xiàn)起泡現(xiàn)象。

為消除起泡現(xiàn)象，傳統(tǒng)成形工藝是在模具閉合后適當(dāng)時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行排氣(壓機(jī)卸壓，模具松開)，排出水和甲醛，然后再閉合模具，次數(shù)從一次到多次，確保大部分的揮發(fā)物排出。在排氣過(guò)程中，隨著模具的開、合動(dòng)作，脲醛塑料的體積也隨之改變，如圖1所示。

圖1 不溢式模具，壓力與體積隨時(shí)間變化示意圖(一個(gè)模壓成形周期)

3.2 排氣痕

所謂排氣痕，就是在蓋板光滑的表面出現(xiàn)幾處長(zhǎng)寬不等、表面粗糙的痕跡。

傳統(tǒng)的排氣工藝，排氣步驟是在模具閉合后進(jìn)行的。當(dāng)壓機(jī)卸壓、模具開啟時(shí)，塑料內(nèi)部積壓的揮發(fā)性氣體迅速擴(kuò)散到蓋板的表面，然后順著模具的排氣槽瞬間逸出，氣體集中排出的位置就會(huì)出現(xiàn)排氣痕。

從圖1可可知，在排氣過(guò)程中，脲醛塑料所受的壓力發(fā)生了變化，脲醛塑料固化反應(yīng)的速度因工藝條件的改變也發(fā)生變化。受這兩個(gè)因素的影響，脲醛塑料的體積和流動(dòng)性在排氣過(guò)程發(fā)生較大變化。受多重變數(shù)的影響，在實(shí)際成形時(shí)，通過(guò)調(diào)整排氣時(shí)間和排氣次數(shù)，也很難做到既排了氣，又不產(chǎn)生排氣痕。排氣早，揮發(fā)物殘留多，蓋板會(huì)產(chǎn)生氣泡；排氣晚，排氣痕很明顯，用拋光方法也很難將氣痕去除。

4 排氣工藝的改進(jìn)

傳統(tǒng)排氣工藝在排掉固化反應(yīng)產(chǎn)生的揮發(fā)物時(shí)，也產(chǎn)生新的問(wèn)題——排氣痕。既然排氣痕是模具閉合后開啟，揮發(fā)物集中瞬間排出造成的，那么，找到一種在模具閉合前將大部分的揮發(fā)物排掉的方法，就可解決排氣痕的問(wèn)題。

為此，筆者對(duì)脲醛塑料從加料完畢到閉模這一過(guò)程，塑料的受熱、受壓、熔融、固化各個(gè)階段逐一研究 。研究表明，從脲醛塑料開始受壓(模具下模內(nèi)塑料接觸到上模型芯)到脲醛塑料固化失去流動(dòng)性這一段時(shí)間的長(zhǎng)短，是決定蓋板是否起泡的關(guān)鍵。只要在這個(gè)階段將大部分的揮發(fā)物排出，閉模后不再排氣，蓋板表面也不會(huì)起泡。隨后，經(jīng)過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究出“逐步加壓排氣法”，解決了脲醛蓋板成形的起泡和排氣痕難題。

“逐步加壓排氣法”的原理是適當(dāng)延長(zhǎng)塑料受壓到閉模這一過(guò)程(以熔融塑料能充滿型腔為前提)的時(shí)間，并在該時(shí)間段分幾次逐步升高模壓壓力，每升一次壓力，停留一段時(shí)間排氣，通過(guò)逐步提高模壓壓力，一步一步地將脲醛塑料內(nèi)的揮發(fā)物擠壓出去。逐步加壓排氣法如圖2所示。

圖2 不溢式模具，逐步加壓排氣示意圖(一個(gè)模壓周期)

新的排氣工藝由于排氣步驟是在模具未完全閉合時(shí)進(jìn)行的，脲醛塑料所受壓力是逐步提高，脲醛塑料體積也是在逐步變小，這樣模具內(nèi)的揮發(fā)物排出是連續(xù)性的。如此一來(lái)不僅不會(huì)產(chǎn)生氣痕，而且由于蓋板固化均勻，蓋板的強(qiáng)度也比較高。

和原先的模壓成形工藝相比，新的“逐步加壓排氣法”的成形工藝，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)減少后處理(拋光)的工作量，每套蓋板的人工成本降低25%。

(2)因拋光不良而造成的報(bào)廢蓋板沒(méi)有了，原料損耗也降低了。

(3)減少了人工拋光工序，有利于實(shí)現(xiàn)蓋板的自動(dòng)化生產(chǎn)。

(4)由于致密表層未被破壞，蓋板的耐水性好。

(5)蓋板表面光滑，易清洗，污水不易滲入蓋板內(nèi)部。

(6)脲醛塑料固化均勻，蓋板的物理、力學(xué)性能好，使用壽命長(zhǎng)。