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吸塑技术之片材的成型特性

作者:  来源:   更新时间:2018-10-05  阅读数:10

用于成型加工的片材,不管是单层或多层复合的,都必需具备以下机能:
 
一、塑性记忆,即当拉伸软化的片材时,既有紧缩反抗拉力的倾向,又有尽可能平均拉伸的倾向。这一特性可以使己经成型的制品假如重新加热到原来的成型温度,它会回复到原来平片外形。这特性对成型过程的拉伸有着重要影响。
 
二、热拉伸,即片材在加热时均可以拉伸,这一特性对于产品的外形和质量有很大影响。有些可以拉伸15%~20%,而有些甚至可以拉伸至500%~600%。
 
三、热强度,即加热软化的片材只要稍受压力,就会在模具上形成清楚的轮廓。反之,假如需要太大的压力才能成型,而真空吸塑成型所提供倾压力差有限,对某些细微的花纹就很难显示出来。
 
四、成型温度,即成型片材需具备相宜一定的加工温度范围。既在其受热软化温度,轻易成型,又与其熔融温度有一定间隔,成型温度范围较宽;不能只在较小的某一特定温度范围内成型,温度偏高或偏低时,成型轻易撕裂、熔塌等现象。
 
为了更加深入了解吸塑成型用片材的特性,将从以下几个方面去分析。
 

 

一、热塑性塑料化学组成和结构
热塑性塑料是由分子链长度达到10-3mm的大分子(聚合物)组成的。这些大分子可以是线性的,好比说HDPE,也可以是支化的,如LDPE。大分子完全无序排列,我们称之为无定形热塑性塑料。平均结构的大分子,好比线型聚乙烯或聚甲醛,能形成部门的规则排列,大分子按一定规则部门结晶,我们称之为部门结晶热塑性塑料。
 
无定形和部门结晶热塑性塑料的区别,无定形热塑性塑料因为其分歧错误称结构或大侧基,是不结晶的,在不进行改性和着色的情况下均是透明的。无定形热塑性塑料的使用温度应低于其玻璃化转变温度爪。部门结晶塑料含有分子链规则排列的区域,称之为结晶区。由于结晶作用,部门结晶的热塑性塑料通常是不透明的,并且透明度会跟着结晶度的增加而减小。部门结晶热塑性塑料的使用温度在几和熔点Tm之间。
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假如HDPE的片材被加热到晶体熔点以上,晶体将会熔融,片材将会全部变成无定形,进而透明起来。在冷却过程中,晶体会再次形成。对于很多部门结晶的热塑性塑料而言,结晶作用可以通过将成型的片材和模塑制品快速冷却而得到按捺,终极得到透明的制品(如PET瓶,透明的PET片材和透明的无规聚丙烯片材)。
 
透明的热塑性塑料是无定形的,但并非所有无定形的热塑性塑料都是透明的,好比说进行了着色和改性的无定形塑料就是如斯。因为分子链部门有序排列,部门结晶热塑性塑料不再透明,根据结晶度不同,其透明程度也会不同。无定形和部门结晶的热塑性塑料有一个最高的工作温度范围。

 

在低于玻璃化转变温度Tg时(以前称之为软化温度),热塑性塑料通常长短常脆(好比普通聚苯乙烯PS ),热塑性塑料的刚性(模量E)和强度(σ)会跟着温度的升高而降低,但可变形性(ε)会增大。材料在最高工作温度时,还必需有足够的刚性。热膨胀系数在一定温度范围内可以以为是随温度线性增加的。
 

 


当加热热塑性成型材料时,无定形和部门结晶的热塑性塑料会产生差异。
对于无定形热塑性塑料,温度升高到其玻璃化转变温度(软化点)时就可以真空吸塑成型了。所需要的热量与成型材料的种类和所使用的加工方法有关,真空成型时所需要的温度就比压力成型时所需要的温度要高。
部门结晶的热塑性塑料毫不会完全结晶,分为无定形区和结晶区。当结晶度较低时,材料在温度低于结晶熔融区时就能进行真空吸塑成型,结晶程度高时,就需要更高一些的成型温度。
 
热塑性塑料这种现象是如何影响真空吸塑成型加工的呢?假如用部门结晶热塑性塑料制成的制件在高温下工作,或者说制件本身需要在高温下杀菌消毒,它就需要承受热-应力前提而不发生形变,这就需要在热加工过程中部门结晶区域被完全熔融,也就是说,这种成型材料需要选用足够高的真空吸塑成型温度。
 
以部门结晶的聚丙烯热成型杯子为例,说明了不同的真空吸塑成型温度对制品成型后的外观和而后的高温消毒过程的影响。聚丙烯的结晶熔融区大致为158~165℃,认真空吸塑成型温度低于158℃,结晶区不会完全熔融,它们就像一些小的塑性块一样,在成型过程中产生形变,但仍以固态形式留存在无定形的熔体中。只要再次加热(如高温消毒),杯子开始形变,这是由于结晶区的应力要想恢复到它最初的外形。
 
另一方面,若成型温度为163℃,结晶区会完全熔融,聚丙烯成型材料会变成无定形的,在一定前提下冷却,会形成新的不含应力的晶体,不会在121℃高温消毒的时候发生逆转,因此杯子的几何尺寸不会发生变化。从以上的分析可知,若真空吸塑成型制品在高温下使用,或要进行短暂的高温消毒,那么在材料真空吸塑成型的时候就最好使用较高的温度。对于部门结晶热塑性塑料,真空吸塑成型温度至少应该在晶体熔程范围的中间温度以上。假如用较高的温度成型,无定形热塑性塑料的外形改变也会减小。
 
在实际出产中,假如把这些因素都考虑进去的话,就会产生下面的题目:片材就会由于真空吸塑成型机器达不到所需要的真空吸塑成型温度而无法进行出产(通过机器时无法得到一个光滑平整的表面),或者是材料的熔体强度太低,会产生太大的熔塌,或者是由于材料与口模黏结得过紧。在加热和成型时易于结晶的热塑性塑料,如CPET是一个例外。CPET是含有结晶成核剂无定形的聚酯。作为一种热成型材料,CPET是完全无定形的,但在适当的工作前提下仍具有快速结晶的特性。其结晶速度与材料的成型温度有关,在170℃时结晶温度最大。CPET晶体的熔程是在255~258℃之间,无定形区的软化温度是在78~85℃,故下列前提可用于CPET的真空吸塑成型。
 
真空吸塑成型温度为130~135℃,加热时间应尽可能短,尽量少发生结晶,使材料具有理想的可变形性。结晶度高不利于制品的精确度。真空吸塑成型模具必需加热到170℃。在真空吸塑成型过程中(0.6~0.7mm厚的片材用3.5~4s的时间),材料可以获得25%~30%的结晶度。成型后,制品在60℃下在另一个模具中冷却。CPET真空吸塑成型制品的最大长期工作温度为220℃,但是必需记住,能在如斯高的温度下使用,制品的不乱性取决于结晶度。好比用CPET做成的容器,结晶度也仅仅只有25%~30%。
 
 
二、片材机能及其对真空吸塑成型加工的影响
 
1.吸湿性
当基体树脂具有吸湿性,或者含有吸湿性的添加剂,如滑石粉、碳素或特殊的颜料被加人到树脂基体中,这样一些热塑性片材就具有吸湿性,也就是说他们吸收水分。在这个过程中,水分可能被塑料吸收,主要集中在其表面。
 
ABS、ASA、CA、CdA、CAB、挤出的PMMA、PC、APET、PSU、PES以及聚酰胺都具有吸湿性。吸湿性的成型材料通常都是密封包装,只有在加工的时候才打开。
 
现今还没有一种简便的方法来判断成型材料中水分含量的多少。当受潮的材料在真空吸塑成型过程中被加热时,就会在制品的表面产气愤泡,故吸湿材料必需在干燥的前提下进行加工,要么把密封包装打开后直接使用,要么干燥后立刻进行加工。通常情况下空气中的相对湿度是60%~70%。根据材料的不平等级,PC片材可以在热成型前在空气中存放0.5~5h,但ABS材料可以启齿存放2~3天。
 
若没有特别的要求,一般的预干燥的方法可。干燥可以在空气轮回干燥炉中进行,片材必需垂直放置,两者之间留有旷地空闲,以便热空气可以穿过板的两侧自由轮回。人们已经很少将卷取的薄片进行干燥。受潮的成卷的卷材进行干燥需要花上几天的时间。干燥了的成型材料假如不是在干燥后马长进行成型加工的话,需要立刻包装在PE薄膜中。
 
 
2.成型中片材的摩擦行为
在真空吸塑成型过程中,当在片材和真空吸塑成型的模具之间存在着滑动时,就需要考虑片材的摩擦行为。这种情况可能会在阴模成型中模具的预拉伸过程中泛起,或者在阳模成型中,模具在向里推进的过程中与片材发生接触时泛起。当摩擦力比较大的时候,片材与模具一接触就会黏结在一起。黏在一起的地方进一步牵伸是不可能的了,好比说用黏结剂层合就是一个典型的例子。
 
假如没有摩擦力存在,好比说在模具表面涂层或者用PTFE做成模具,被加工的材料就很轻易在接触表面上滑动,这对于真空吸塑成型加工是不利的。当材料太轻易滑动通过模具时,要想将塑料用这样的模具将其压到阴模的底部是不可能的,由于这样底部老是会太薄。因此在真空吸塑成型过程中,摩擦行为必需引起足够的正视。
 
影响模具侧面摩擦的因素有:真空吸塑成型模具所用的材料;模具与片材接触部门的温度;表面粗拙度。影响成型片材摩擦机能的因素有:接触面上的片材的种类;表面处理和前提(是否加入防黏剂或脱模剂);成型片材与模具表面接触时的温度 。
 
实际应用要点如下:
 
①模具表面稍微砂磨或用人工的方法使其轻微粗拙一些,与非常粗拙的表面或经由抛光的表面比拟,这种表面可使成型材料较好的滑动,只是需要在阳模的拐角处抛光成镜面,以便加热的材料相对轻易滑过。
 
②模具温度在真空吸塑成型的时候起了非常重要的作用。片材在真空吸塑成型时,非常轻易粘接到模具上,降低模具温度会使摩擦力降低。
 
③对于具有显著黏结倾向的成型材料,如带有热封合层的片材和复合的成型材料,接触表面材料的成型温度比主体基材的低。
 
 
但ABS / PMMA双层材料不存在这样的题目,由于ABS和PMMA有相同的真空吸塑成型温度。而SB / PE双层复合的片材,当PE层与模具表面接触,在用辅助模(通常叫上模)进行预拉伸时就会泛起题目。这种片材非常不合用于真空成型,由于SB的热成型温度至少要160℃,而在这样的温度下,PE和密封层都已经变黏,可能和模具黏结在一起。很多带有密封层的材料在真空吸塑成型的时候需要把热合层与温度较低的模具相接触,但这种方法使制品的设计受限。
 
不同情况下解决黏结题目的实际操纵方法:在尽可能低的温度下加工真空吸塑成型用片材;在片材轻易发黏的一侧少加热;假如材料发黏的一侧与模具接触,成型温度应尽可能低;假如材料发黏的一侧与进行预拉伸的模具相接触,就应该选用PTFE的模具或者用PTFE涂层的铝质模具;加人防黏剂(好比PET)涂层热塑性材料时需要特别留意。需要留意的是,片材的滑动摩擦行为与是否有防黏剂涂层而产生很大不同。
 
假如用于某种成型片材的模具的几何尺寸已经确定,那么接下来采用的片材也需要有相同的涂层。假如涂层不同的话,也可以改变模具参数来进行调节。为了将这种具有不同涂层的片材成型出让人满足的壁厚分部的制品,必需有一套不同的预拉伸的模具。
 
 
3.成型片材的收缩
在真空吸塑成型中,收缩(shrinkage)是指在没有任何机械应力作用的受热前提下,热塑性片材或吸塑制件所发生的尺寸变化。在材料进行真空吸塑成型之前,建议对材料进行收缩测试。
①精确丈量并纪录一块200mmX200mm的片材,用箭头标志出挤出方向并记实下切割方向。
 
②将烘箱加热到片材真空吸塑成型的温度。
③将片材放进烘箱中,为了进行丈量,需要在一块木板上笼盖上一层PTFE薄膜(例如Telflon或Hostaflon ),然后喷撒上滑石粉,再将片材放置其上,并再次喷上滑石粉,最后用PTFE薄膜轻轻盖上,薄膜可以用图钉固定在木板边沿。
 
④片材在烘箱中至少置留30min,片材厚度每增加lmm,置放的时间需要增加5min。⑤片材从烘箱中移出并冷却。⑥冷却后丈量片材尺寸,片材的收缩可由下式得到:
 
为了丈量片材的各向异性,建议测定片材的纵向和横向的收缩率。假如新提供的成型片材泛起诸如起褶、夹持处发生断裂、接触加热的连接处发生严峻收缩等题目,就应该用新旧两种片材进行收缩率对比测试。两种片材因具有不同的收缩率,并且在真空吸塑成型时表现出不同的行为,故需要不同的加工参数。真空吸塑成型制品的收缩可以通过比较制品和相应模具的尺寸之间的差异来得到。热收缩包括了加工收缩(VS)、后收缩(NS)和总收缩(GS
),它们之间存在着差异。
 
模具和制品尺寸应在相同前提下测定,如在真空吸塑成型后24h在23℃下进行测定。塑料制品加工后,在室温前提下,经由一段时间可以发现有后收缩。假如真空吸塑成型制品需要进一步加工,好比泡沫填充,那么正确知晓材料后收缩的值就是必要的,以便吸塑制品能够与另外的模具正确配合。
 
总收缩值为:总收缩值(GS)=加工收缩值(VS)+后收缩值(NS )
 
未发泡的ABS / PVC片材在真空吸塑成型后持续5天都会发生后收缩,供给商和消费者都必需知道材料的收缩行为及其加工顺序,这是由于材料的用度和质量会随之发生波动。特别留意的题目是要确定冲模、修边模和真空吸塑成型出产线上的其他一些切割模具的尺寸。由于在真空吸塑成型后制品不会马上完成热收缩,在修边的时候,吸塑制品还是温的,所用的切割工具的尺寸就必需精确测定,最好是切割模具的单个部件能够根据不同的材料分别进行调整。
 
各种塑料的收缩值可这些只是参考值,它们还与加工前提有很大的关系。对于收缩值分布很宽的塑料,要得到准确的热收缩值,就应该在真空吸塑成型之前,要么询问材料的制造商,要么进行测试。精确的热收缩值只有通过在相似几何尺寸的真空吸塑成型模具长进行测试得到。对于尺寸公差要求很高的模塑制品,必需制造出原型的模具进行测试,并且各部位的收缩也必需确定。
 
与收缩有关的最重要的影响因素:塑料种类,用度上的波动也必需考虑;冷却速率高,会减少加工收缩;脱模温度高比脱模温度低会产生更大的收缩;高牵伸在多数情况下就即是低收缩;成型片材的出产前提是用不同的挤出机造粒,或统一台挤出机具有不同的加工参数,出产的成型片材就有可能具有不同的收缩行为;阳模成型制品比阴模成型制品的收缩会更小;在相同前提下,用相同片材真空吸塑成型的吸塑制品,其收缩率波动的最大范围为10%。
 
提示:需要进行收缩测定的制品的测定部位或测定方法本身都应该进行选择,以确定在进行测试的时候不会发生形变,并且制品公差小于收缩值的10%是不可能达到的。
 
4.成型片材的取向
收缩率测试也会得到成型材料和制品中有关大分子取向的信息。假如材料发生高度取向,好比在挤出方向,这将会产生不该有的皱褶。对于纵向和横向间隔相等的多型腔模具,在挤出方向上的皱褶要比横向的显著良多。
 
就真空吸塑成型而言,牵伸会产生另外一种大分子的取向。用高抗冲击聚苯乙烯真空吸塑成型成的制品,它在径向上就很轻易撕裂成条。这些条本身在径向上强度非常高,这是由于在真空吸塑成型时产生高度取向,使与牵伸垂直的方向强度大大降低,故在与牵伸平行的方向易发生撕裂。
请留意,塑料在其取向方向强度非常高(如绳,包装带),但在垂直方向上强度非常弱。
制品中发生取向通过以下方法证明:收缩率测试;从模塑制品中冲出一个圆片,然后测定al和bl,再将圆片放进炉子里加热。经由收缩后,得到尺寸a 2和b 2,假如必要的话,可以得到收缩率。若a2 << b2,则产生严峻的取向。留意:在研究取向的时候,建议对成型材料进行收缩测试,以使制品中存在的取向不能被忽略。
 
 
5.片材的静电荷
除了导电的成型材料,好比说掺人了抗静电剂、填充碳、电镀和镀膜材料而外,真空吸塑成型材料都会在下列过程中产生电荷:从卷筒上展开卷绕的材料;从叠放的材料中抽出;撕掉片材的保护薄膜;加热;冷却。
静电荷的副作用较大的颗粒,好比说塑料的锯屑或锯粉会被带有静电的材料所吸引,会粘到材料的表面上。
 
这种现象,特别是对于高质量的吸塑制品,将会产生次品,这可以通过如下方法来预防和减少:在另一个房间进行最后的机加工;对成型材料表面直接喷射离子化的空气;用导电的光滑的刷子清理成型材料。假如不用抗静电的材料进行出产,吸塑制品在成型加工后会吸收灰尘。一种简朴但很有效的方法是用含有洗涤液的水冲刷。从根本上解决这个题目,必需做好防尘和防污染源的工作,实行无尘无污染化出产环境建设和治理。
 
6.片材加热时的行为
在加热热塑性塑料时,下列都是一些非常重要的影响因素:加热时间;膨胀量和凹陷量;成型温度下成型片材的强度;成型温度范围;成型片材厚度方向的温度梯度。
 
⑴  热时间的影响
加热的方式会影响加热的时间,真空吸塑成型各项参数设置相同时,真空吸塑成型片材的加热阶段主要取决于:塑料的种类(如PS、HIPS、PVC、PP等)及其颜色;片材的厚度。
由于塑料是热的不良导体,加热时间的增长超出成型材料厚度的增长,假如在整个加热过程中,在材料的两个表面以材料所能承受的最大温度进行加热(但不破坏材料),所需要的加热时间就会最短。
 
在实际加工中,人们先用能获得的最大热能进行加热,然后逐渐减少热量输人。作为加热强度和加热时间的函数,用这种方法处理的任何一种成型片材的厚度方向都会产生温度梯度。假如在加热后或者成型过程中,成型材料的温度低于最低成型温度,要么将不可能进行真空吸塑成型,要么真空吸塑成型制品的质量将会非常差。假如不破坏材料的话,其内部的温度是无法丈量的。因此就需要大量的实际经验,以便准确设置最佳的加热参数,如热量单位消耗和加热时间、现代的真空吸塑成型机器、基本设置和加热参数都实现了电脑控制。
 
留意:横截面上温差小的成型材料,如缓慢加热的片材,就更轻易模塑成型,制得的制品具有更好的力学机能。将片材加热到破坏区所得到的模塑制品。其力学机能差,壁厚分布不平均。厚度小于2.5mm的片材可以单方向加热到所需要的时间;厚度超过2.5mm时,片材应该两面同时加热。增韧的聚苯乙烯(HIPS或SB)通常被当作参照物,也就是说假如HIPS的加热时间已知的话,那么其他塑料的加热时间可以通过乘以一个“材料因子”。
 
⑵  胀量和凹陷量
在真空吸塑成型机器上加热热塑性塑料,为了测定其凹陷量,必需知道塑料的线性热膨胀系数l,塑料的热膨胀量基本上是线性的,可以通过线性热膨胀系数l计算得到:加热产生的线性膨胀量。
 
当在真空吸塑成型机器上加热热塑性材料,材料加热到成型温度以上时,将会产生下列情况。
 
①热塑性塑料片材膨胀,直到软化温度。
②当超过软化温度(玻璃化转变温度),冻结的应力将会开释;高度取向的片材,如OPS或LDPE,在模框内及在达到软化点时主链舒展;另外一些材料,好比PP或PVC,继承膨胀直到它们达到成型温度。
③当用接触平板加热时,膨胀会使接触的压力发生改变,在成型片材表面会产生黏结波浪(adhesion strechs)。
④当进行辐射加热时,会产生两个题目。
a.若片材未支撑发生凹陷,由自身重量产生的膨胀必需与热膨胀量相加。辐射加热可能会产生加热不足,或片材受热破坏。出产薄的PP材料时,在真空吸塑成型机上加热时,必需采用冻结应力的方法,否则,片材不发生熔塌是十分难题的。
 
b.在成型材料用空气支撑以防止下垂凹陷的地方,为了保持其水平,会产生皱褶,若在突出和凹陷部门存在显著的温差,将对模塑制品的质量产生负面影响。对于产生严峻凹陷的成型材料,对其进行实际凹陷量的计算是不可能的。
 
就热膨胀和凹陷而言,操纵职员应该知道以下内容。
①凹陷是塑料材料种类与成型温度有关的函数,对于几乎所有的片材而言,都会有不同程度的凹陷;当订货的时候,假如有必要,需要询问相关内容。
 
②就聚丙烯而言,其与10% PE的共混物或填充的PP片材,都几乎不会产生凹陷,并且高收缩的片材在加热的时候就会表现出较少的凹陷。
 
③带有空气支撑的片材的加热工艺中,PP片材要适当有一点凹陷,以便尽可能容纳膨胀起皱;假如加热的片材不能在加热期间或之后由空气支撑,除了线性膨胀而外,凹陷成为塑料材料的操纵因素,凹陷与材料在成型温度下的强度有关,也与片材在出产过程中引入的内应力有关。
 
⑶成型温度范围
成型温度范围决定于以下几方面。
①在保证足够精度的情况下,材料能被模塑成型的最低温度。
②最高温度是指材料不发生热损伤时的温度。热损伤可能由表面燃烧、颜色改变、过亮、气泡、表面裂开,或材料不能再加工(通过机器时表面不再光滑)。HIPS片材有80K宽的成型温度范围:加压成型时的成型温度120~150℃( 200℃);真空成型时的成型温度165 ( 140℃)~190℃( 200℃)。
OPS材料仅有10K的成型温度范围;加压和真空吸塑成型的成型温度110~115℃(120℃)。OPS片材通常在实际出产中纯挚空吸塑成型是很难控制好成型温度的,通常利用空压成型设备。

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