反应注射成型技术

反应注射成型技术

反应注射成型起源于聚氨酯塑料。随着工艺技术的进步，该工艺也扩展到了多种材料的加工中。与此同时，为了拓宽RIM技术的应用领域，特别是在汽车行业中的应用，该工艺还引入了纤维增强技术。

RIM简介

反应注射成型（简称“RIM”）是指将具有高化学活性、相对分子质量低的双组分材料经撞击混合后，在常温低压下注入密闭的模具内，完成聚合、交联和固化等化学反应并形成制品的工艺过程。这种将聚合反应与注射成型相结合的新工艺，具有物料混合效率高、流动性好、原料配制灵活、生产周期短及成本低的特点，适用于大型厚壁制品生产，故而受到了世界各国的重视。

RIM最早仅用于聚氨酯材料，随着工艺技术的进步，RIM也可应用于多种材料（如环氧、尼龙、聚脲及聚环戊二烯等）的加工。用于橡胶与金属成型的RIM工艺是当前研究的热点。为了拓宽RIM的应用领域，提高RIM制品的刚性与强度，使之成为结构制品，RIM技术得到了进一步的发展，出现了专门用于增强型制品成型的增强反应注射成型（RRIM）和专门用于结构制件成型的结构反应注射成型（SRIM）技术等。RRIM和SRIM成型工艺原理与RIM 相同，不同之处主要在于纤维增强复合材料制品的制备。目前，典型的RIM制品有汽车保险杠、挡泥板、车体板、卡车货箱、卡车中门和后门组件等大型制品。它们的产品质量比SMC产品好，生产速度更快，所需二次加工量更小。

RIM成型工艺

1.工艺过程

RIM工艺过程为：单体或预聚物以液体状态经计量泵以一定的配比进入混合头进行混合。混合物注入模具后，在模具内快速反应并交联固化，脱模后即为RIM制品。这一过程可简化为：贮存→计量→混合→充模→固化→顶出→后处理。

2.工艺控制

(1)贮存。RIM工艺所用的两组分原液通常在一定温度下分别贮存在2个贮存器中，贮存器一般为压力容器。在不成型时，原液通常在0.2~0.3 MPa的低压下，在贮存器、换热器和混合头中不停地循环。对聚氨酯而言，原液温度一般为20~40℃，温度控制精度为±1℃。(2)计量。两组分原液的计量一般由液压系统来完成，液压系统由泵、阀及辅件（控制液体物料的管路系统与控制分配缸工作的油路系统）所组成。注射时还需经过高低压转换装置将压力转换为注射所需的压力。原液用液压定量泵进行计量输出，要求计量精度至少为±1.5％，最好控制在±1％。

(3)混合。在RIM制品成型中，产品质量的好坏很大程度上取决于混合头的混合质量，生产能力则完全取决于混合头的混合质量。一般采用的压力为10.34~20.68MPa，在此压力范围内能获得较佳的混合效果。

(4)充模。反应注射物料充模的特点是料流的速度很高。为此，要求原液的粘度不能过高，例如，聚氨酯混合料充模时的粘度为0.1Pa.s左右。

当物料体系及模具确定之后。重要的工艺参数只有2个，即充模时间和原料温度。聚氨酯物料的初始温度不得超过90℃，型腔内的平均流速一般不应超过0.5m/s。

(5)固化。聚氨酯双组分混合料在注入模腔后具有很高的反应性，可在很短的时间内完成固

化定型。但由于塑料的导热性差，大量的反应热不能及时散发，故而使成型物内部温度远高于表层温度，致使成型物的固化从内向外进行。为防止型腔内的温度过高（不能高于树脂的热分解温度），应该充分发挥模具的换热功能来散发热量。

反应注射模内的固化时间，主要由成型物料的配方和制品尺寸决定。另外，反应注射制品从模内脱出后还需要进行热处理。热处理有两个作用：一是补充固化，二是涂漆后的烘烤，以便在制品表面形成牢固的保护膜或装饰膜。

(6)成型制品缺陷产生的原因及解决方法。RIM制品缺陷产生的原因及解决办法见表1。

表1 RIM成型常见制品缺陷和对策

RIM模具与制品设计

1.模具设计

（1）浇注系统。浇注系统又称“注入系统”，由浇口、流道和排气孔组成。在进行RIM模具设计时，浇口形状与高度取决于成型制品的壁厚与型腔流量。大容量的模具通常宜采用直棒状浇口，而小容量模具则宜采用扇形浇口。

主流道的位置应直接设在模具上，但应注意，在确定流道位置时，务必使物料从制品的横截面的最低处进入型腔。排气孔的位置则应设在物料流动的末端，以便注射时将空气赶出型腔。（2）模温控制系统。这里仅以RIM金属模具为例加以说明。模具温度的控制方法通常是在模内埋设套管，通入水进行加热或冷却。金属模具厚度应为50mm，而套管间距要因加工树脂不同而有所不同。通常，聚氨酯RIM的模温为40~80℃，模温控制精度为±4℃，最好为±1℃。套管间距为80~100mm，冷却孔与模具腔壁之间的距离应为9.5mm。

（3）分型面。对分型面的位置设置有一总体要求，就是将分型面位置设在加工制件轮廓的附近稍下方，这样可使正在膨胀并充满型腔的物料将型腔内的残留空气排至模外。

2．制品设计

（1）制品厚度。与常规注射制品相同，在进行RIM制品的壁厚设计时，同样应避免壁厚过厚或过薄。以聚氨酯泡沫塑料RIM制品为例，常规壁厚应控制在6.35~12.7mm，当壁厚大于12.7mm或小于3.17mm时，则应采取适当的补救措施。

（2）加强筋。使用加强筋的目的是提高制品的刚性与强度。应选用细而长的加强筋，避免选用粗而短的加强筋。加强筋的设置应沿物料流动方面为宜，这样不会影响物料流动过程中的气体排放。

（3）脱模斜度。RIM制品的脱模斜度应选择2°，太大或太小都不利于制品脱模。

（4）圆角。RIM制品的内部圆角半径不得小于3.175mm，外部圆角半径不得小于1.578mm。（5）凸台。凸台应采用2°的脱模斜度并沿制件周边或内筋布置，若凸台的设计高度超过6.57mm，则必须由撑板相辅。在导入孔中成型，必须准确确定定位螺纹和自攻螺纹的位置。凸台和导入孔的尺寸对于脱模强度影响很大，应加以注意。

多种多样的RIM技术

1.聚氨酯RIM

聚氨酯RIM所用原料与通用型聚氨酯原料不同的是：要求液体原料粘度低、流动性好及反应活性高，而且原料应配制成A（多元醇）、B（二异氰酯）两组分。其工艺过程包括：将A、B两组分原料分别置于注射机的原料罐中，并使它们在N2气氛中、于一定温度下保持适宜的粘度（1Pa·s以下）和反应活性；用定量泵将两组分原料按一定比例压入混合器并注入密封的模具中；混合物在模具内迅速聚合，固化成型。在这一过程中，从原料压出到充满模腔只需1~4s，而完整的生产周期则为30~120s。

2．聚氨酯RRIM

聚氨酯RRIM工艺所用的双组分是多元醇和异氰酸酯。多元醇为聚醚型，相对分子质量为1?800~2?400，官能度为2~3；异氰酸酯一般为二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）或多异氰酸酯及其异构体的混合物，官能度为2~7。RRIM的增强材料主要有两种，即短切增强纤维和磨碎增强纤维。纤维的长度一般为1.5~3.0mm，这种长度既能保证增强效果，又便于通过注射系统。纤维长度的分散性越大，则增强效果越差。RRIM制品中的增强纤维含量（质量分数）一般在20%以下，对于特殊要求的高强度制品，增强纤维的含量可达50%。

3.环氧树脂RIM

环氧树脂是继聚氨酯之后开发的又一热固性RIM品种。双组分环氧树脂RIM工艺过程与聚氨酯RIM大致相同。环氧树脂与固化剂配比及工艺条件见表2。

表2 环氧树脂配方及工艺条件