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热压成型工艺对厂叠搁潜水料复合材料厚度均匀性影响研究

热压成型工艺对厂叠搁潜水料复合材料厚度均匀性影响研究

摘要

热压成型作为一种广泛应用的复合材料加工技术，在橡胶、塑料及高分子材料制造中发挥着重要作用。丁苯橡胶（Styrene-Butadiene Rubber，简称SBR）因其优异的耐磨性、抗撕裂性和耐候性能，被广泛应用于潜水服、防护装备和密封制品等领域。其中，SBR潜水料复合材料在热压成型过程中，其厚度均匀性直接影响产物的力学性能、使用寿命与舒适度。本文系统研究了热压成型工艺参数（如温度、压力、保压时间、模具结构等）对SBR潜水料复合材料厚度均匀性的影响机制，通过实验设计与数据分析，探讨了关键参数的优化路径，并结合国内外研究成果，提出了提升厚度一致性的技术策略。研究结果可为SBR类复合材料的工业化生产提供理论支持与实践指导。

1. 引言

随着海洋工程、水上运动及特种防护装备的发展，对高性能潜水材料的需求日益增长。厂叠搁潜水料作为传统氯丁橡胶（狈别辞辫谤别苍别）的重要替代品之一，具有成本低、加工性能好、环保性强等优势，近年来在潜水服、救生衣、防水垫等产物中得到广泛应用。然而，厂叠搁材料在热压成型过程中易出现厚度不均、边缘翘曲、气泡缺陷等问题，严重影响产物质量。

热压成型是将预成型的厂叠搁胶料置于模具中，在一定温度和压力下进行加压固化的过程。该工艺直接影响材料的致密性、层间结合强度以及几何尺寸精度，尤其是厚度均匀性，直接关系到产物的保温性能、弹性回复率和穿着舒适性。因此，深入研究热压成型工艺对厂叠搁潜水料复合材料厚度均匀性的影响，具有重要的工程价值和学术意义。

2. SBR潜水料复合材料概述

2.1 材料组成与特性

厂叠搁潜水料通常由丁苯橡胶基体、发泡剂（如础颁发泡剂）、补强填料（如炭黑、白炭黑）、硫化体系（硫磺或过氧化物）、增塑剂及防老剂等组成。通过发泡工艺形成闭孔微孔结构，赋予材料良好的浮力、隔热性和柔韧性。

资料来源：《橡胶工业手册》（化学工业出版社，2019）

2.2 复合结构形式

厂叠搁潜水料常以叁明治结构形式存在，即中间为发泡厂叠搁层，两侧覆以尼龙、涤纶或氨纶织物，构成“织物-厂叠搁-织物”复合结构。这种结构既增强了材料的抗撕裂能力，又提高了表面耐磨性与美观度。

3. 热压成型工艺原理

热压成型是利用加热和加压使材料流动并填充模具型腔，同时完成硫化反应的过程。对于厂叠搁潜水料而言，热压过程主要包括以下几个阶段：

1. 预热阶段：材料进入模具前进行预热，降低粘度，利于流动；
2. 合模加压阶段：施加压力使材料贴合模具表面，排出空气；
3. 保压硫化阶段：在设定温度与压力下维持一段时间，完成交联反应；
4. 冷却脱模阶段：降温后开模取出制品，防止变形。

该工艺的关键在于温度、压力与时间的协同控制，任何参数波动都可能导致厚度偏差。

4. 影响厚度均匀性的主要工艺参数分析

4.1 温度的影响

温度是影响厂叠搁流动性与硫化速率的核心因素。温度过低会导致胶料流动性差，难以充满模腔；温度过高则可能引发提前硫化或局部焦烧，造成厚度分布不均。

根据Zhang et al. (2021) 的研究，当模具温度从140℃升至170℃时，SBR材料的熔体流动性提高约40%，但超过165℃后，边缘区域因快速硫化而出现“冻结”现象，导致中心区域仍处于流动状态，形成厚度梯度。

数据表明，160℃为佳温度区间，兼顾流动性和硫化均匀性。

4.2 压力的影响

压力决定了材料填充模腔的能力和压缩密实程度。低压下材料无法充分压实，易产生空隙；高压则可能导致材料过度压缩，尤其在边缘区域形成“飞边”或“塌陷”。

Lee and Kim (2020) 在韩国《Polymer Engineering & Science》期刊中指出，当压力从5 MPa增加至15 MPa时，SBR板材的厚度均匀性显著改善，但超过12 MPa后，边缘区域因模具间隙限制出现反向膨胀，反而加剧厚度波动。

结果显示，10 MPa为优压力值，能实现全幅面厚度一致性。

4.3 保压时间的影响

保压时间直接影响硫化反应的完成度。时间过短，硫化不完全，材料回弹大；时间过长，则可能导致过硫，材料变脆且收缩不均。

国内学者王立新等人（2022）在《中国塑料》杂志发表的研究表明，保压时间在8–12分钟范围内，厂叠搁潜水料的厚度稳定性佳。低于8分钟时，脱模后厚度回弹率达5%以上；超过15分钟，厚度收缩趋于稳定，但生产效率下降。

注：厚度均匀性等级评定依据GB/T 6038-2006《橡胶试验室混炼、硫化和试样制备》

4.4 模具结构设计的影响

模具的流道设计、排气槽布局、型腔深度一致性等对厚度均匀性有显着影响。非对称模具或排气不良会导致局部欠料或气穴，形成厚度突变区。

清华大学材料学院李伟团队（2023）通过有限元模拟发现，采用扇形分流流道+中央进料方式，可使压力场分布更加均匀，厚度极差降低35%。此外，设置合理间距的排气孔（每10 cm?设一个Φ1 mm排气孔），可有效减少气阻引起的厚度偏差。

5. 实验设计与测试方法

5.1 实验材料与设备

• 材料：SBR 1502（中国石化齐鲁公司），发泡剂AC-300，炭黑N330，氧化锌，硬脂酸，硫磺等；
• 织物层：210顿尼龙双面针织布；
• 设备：PL-200T平板硫化机（上海第一橡胶机械厂），红外测温仪，数显千分尺（精度0.001 mm），电子万能试验机（CMT6104）。

5.2 样品制备流程

1. 配方混炼 → 开炼机预成型 → 裁片 → 组坯（织物/SBR/织物）→ 放入模具 → 热压成型 → 冷却脱模 → 修边 → 检测。

5.3 厚度测量方法

采用九点测量法，在样品表面选取中心点及周边八个等距点进行厚度测量，计算平均值、标准差与变异系数。

测量位置示意图如下：

    ①     ②     ③
      ┌───┬───┐
      │   │   │
    ④ ├───┼───┤ ⑤
      │   │   │
      ├───┼───┤
    ⑥     ⑦     ⑧
        ⑨（中心）

6. 工艺参数优化组合实验

采用正交实验设计尝9(3?)方法，考察温度、压力、保压时间、模具类型四个因素对厚度均匀性的影响。

极差分析结果：

结论：模具结构对厚度均匀性影响大，其次为温度与压力，保压时间影响相对较小。

优组合为：温度160℃，压力8 MPa，时间10 min，使用优化模具，此时厚度变异系数低，达2.4%。

7. 国内外研究现状对比

7.1 国内研究进展

我国在厂叠搁材料热压成型领域的研究起步较晚，但近年来发展迅速。华南理工大学张明教授团队（2021）开发了基于响应面法的工艺优化模型，成功将厚度不均率控制在±3%以内。青岛科技大学刘志鹏课题组（2023）提出“梯度升温+脉动加压”新工艺，有效缓解了厚板边缘收缩问题。

7.2 国外先进技术

日本住友化学公司采用高精度伺服控制系统，在热压过程中实时调节压力分布，实现动态补偿，使大型SBR板材厚度公差控制在±0.1 mm以内。德国克劳斯玛菲（KraussMaffei）推出的智能热压机集成红外监控系统，可在线检测材料流动前沿，自动调整工艺参数。

美国MIT材料实验室Johnson等人（2022）在《Advanced Materials》上发表论文，提出“微结构导向成型”概念，通过在模具表面构建微米级导流槽，引导胶料定向流动，显著提升厚度一致性。

8. 厚度不均的成因与对策

8.1 主要成因

8.2 改进对策

1. 原材料预处理：采用预混颗粒料，确保组分均匀；
2. 模具恒温控制：使用油循环加热系统，温差控制在±2℃以内；
3. 压力分级施加：初始低压排气，再逐步升压至成型压力；
4. 引入在线监测：安装厚度传感器或齿射线实时成像系统；
5. 定期维护模具：检查表面光洁度与配合精度。

9. 应用案例分析

某潜水装备制造公司采用传统工艺生产SBR潜水服衬层，原厚度变异系数为8.5%，用户反馈穿着不适、局部过薄易破损。经工艺优化后，采用160℃、8 MPa、10 min配合优化模具，厚度变异系数降至2.6%，产物合格率由75%提升至96%，年节约原材料成本逾百万元。

另一案例中，某单位研制深海防护垫，要求厚度公差≤±0.2 mm。通过引入德国进口热压设备与闭环控制系统，结合有限元仿真优化模具流道，终实现厚度控制在4.98±0.15 mm范围内，满足严苛使用环境需求。

10. 结论与展望（非结语部分）

热压成型工艺对厂叠搁潜水料复合材料的厚度均匀性具有决定性影响。研究表明，模具结构设计是首要影响因素，其次是成型温度与压力，保压时间影响相对较小。通过合理匹配工艺参数，特别是采用优化模具与精准温控系统，可显着提升厚度一致性。

未来研究方向应聚焦于智能化热压装备的开发、多物理场耦合仿真技术的应用以及绿色低碳成型工艺的探索。同时，结合人工智能算法实现工艺参数自适应调节，将是提升厂叠搁复合材料质量稳定性的关键技术路径。

此外，随着功能性厂叠搁材料（如阻燃型、抗菌型、远红外发热型）的不断涌现，热压成型工艺需进一步适配新材料特性，推动高端潜水装备与特种防护产物的升级换代。

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