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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定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生气泡,故吸湿材料必须在干燥的条件下进行加工,要么把密封包装打开后直接使用,要么干燥后立即进行加工。通常情况下空气中的相对湿度是60%~70%。根据材料的不同等级,PC片材可以在热成型前在空气中存放0.5~5H,但ABS材料可以开口存放2~3天。
若没有特别的要求,一般的预干燥的方法可(参见附件表1)。干燥可以在空气循环干燥炉中进行,片材必须垂直放置,两者之间留有空隙,以便热空气可以穿过板的两侧自由循环。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。干燥了的成型材料如果不是在干燥后马上进行成型加工的话,需要立即包装在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出现,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出现。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,比如说用黏结剂层合就是一个典型的例子。
如果没有摩擦力存在,比如说在模具表面涂层或者用PTFE做成模具,被加工的材料就很容易在接触表面上滑动,这对于真空吸塑成型加工是不利的。当材料太容易滑动通过模具时,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,因为这样底部总是会太薄。因此在真空吸塑成型过程中,摩擦行为必须引起足够的重视。
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;模具与片材接触部分的温度;表面粗糙度。影响成型片材摩擦性能的因素有:接触面上的片材的种类;表面处理和条件(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将模具表面轻微砂磨或用人工的方法使其稍微粗糙一些,与非常粗糙的表面或经过抛光的表面相比,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容易滑过。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,非常容易粘接到模具上,降低模具温度会使摩擦力降低。③对于具有明显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问题,因为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)进行预拉伸时就会出现问题。这种片材非常不适用于真空成型,因为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。许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问题的实际操作方法:在尽可能低的温度下加工真空吸塑成型用片材;在片材容易发黏的一侧少加热;如果材料发黏的一侧与模具接触,成型温度应尽可能低;如果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(比如PET)涂层热塑性材料时需要特别注意。需要注意的是,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。
如果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。如果涂层不同的话,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意的壁厚分部的制品,必须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条件下,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精确测量并纪录一块200MMX200MM的片材,用箭头标志出挤出方向并记录下切割方向。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,为了进行测量,需要在一块木板上覆盖上一层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缘。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冷却后测量片材尺寸,片材的收缩可由下式得到:
为了测量片材的各向异性,建议测定片材的纵向和横向的收缩率。如果新提供的成型片材出现诸如起褶、夹持处发生断裂、接触加热的连接处发生严重收缩等问题,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。加工收缩可以由下式计算:
模具和制品尺寸应在相同条件下测定,如在真空吸塑成型后24H在23℃下进行测定。塑料制品加工后,在室温条件下,经过一段时间可以发现有后收缩。如果真空吸塑成型制品需要进一步加工,比如泡沫填充,那么准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准确配合。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,供应商和消费者都必须知道材料的收缩行为及其加工顺序,这是因为材料的费用和质量会随之发生波动。特别注意的问题是要确定冲模、修边模和真空吸塑成型生产线上的其他一些切割模具的尺寸。因为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,吸塑制品仍是温的,所用的切割工具的尺寸就必须精确测定,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,它们还与加工条件有很大的关系。对于收缩值分布很宽的塑料,要得到正确的热收缩值,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上进行测试得到。对于尺寸公差要求很高的模塑制品,必须制造出原型的模具进行测试,并且各部位的收缩也必须确定。
与收缩有关的最重要的影响因素:塑料种类,费用上的波动也必须考虑;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等于低收缩;成型片材的生产条件是用不同的挤出机造粒,或同一台挤出机具有不同的加工参数,生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;在相同条件下,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。如果材料发生高度取向,比如在挤出方向,这将会产生不该有的皱褶。对于纵向和横向距离相等的多型腔模具,在挤出方向上的皱褶要比横向的明显很多。
就真空吸塑成型而言,牵伸会产生另外一种大分子的取向。图3-6是用高抗冲击聚苯乙烯真空吸塑成型成的制品,它在径向上就很容易撕裂成条。这些条本身在径向上强度非常高,这是因为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。
请注意,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实: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。经过收缩后,得到尺寸A
2和B 2,如果必要的话,可以得到收缩率。若A2 <<
B2,则产生严重的取向。注意: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,比如说掺人了抗静电剂、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,比如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。如果不用抗静电的材料进行生产,吸塑制品在成型加工后会吸收灰尘。一种简单但很有效的方法是用含有洗涤液的水冲洗。从根本上解决这个问题,必须做好防尘和防污染源的工作,实行无尘无污染化生产环境建设和管理。
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加热时间的影响
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。因为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,如果在整个加热过程中,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。如果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。如果不破坏材料的话,其内部的温度是无法测量的。因此就需要大量的实际经验,以便正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。
注意:横截面上温差小的成型材料,如缓慢加热的片材,就更容易模塑成型,制得的制品具有更好的力学性能。将片材加热到破坏区所得到的模塑制品。其力学性能差,壁厚分布不均匀。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,也就是说如果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膨胀量和凹陷量
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,必须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
式中△L―产生的热膨胀量,MM L1―材料在温度T1下的长度或尺寸,MM
;Λ―线性膨胀系数;T1―初始温度,通常为温度;T2―加热结束时的温度。上式仅适用于真空吸塑成型过程中的操作温度和低温情况。连续操作温度范围内产生的膨胀举例:
ABS材料,
线性膨胀量
收缩量可以按下式简单计算:
收缩量
式中—收缩量,MM BL—机器加持框内的片材宽度或者是输送片材的宽度;△B—温差为T2 -
T1时片材产生的线性膨胀,按上式的△L计算得到。注意:按上式计算收缩量时,没有考虑成型材料的内应力。例:
线性膨胀量
故,收缩量
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),冻结的应力将会释放;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伸展;另外一些材料,比如PP或PVC,继续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,会产生两个问题。A.若片材未支撑发生凹陷,由自身重量产生的膨胀必须与热膨胀量相加。辐射加热可能会产生加热不足,或片材受热破坏。生产薄的PP材料时,在真空吸塑成型机上加热时,必须采用冻结应力的方法,否则,片材不发生熔塌是十分困难的。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,若在凸起和凹陷部分存在明显的温差,将对模塑制品的质量产生负面影响。对于产生严重凹陷的成型材料,对其进行实际凹陷量的计算是不可能的。表3-10聚氯乙烯片材在真空吸塑成型中对温度要求
片材加热温度模具温度辅助柱塞温度脱模温度130~140℃41~46℃60~149℃﹤50℃
就热膨胀和凹陷而言,操作人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,如果有必要,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;如果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作因素,凹陷与材料在成型温度下的强度有关,也与片材在生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片材通常在实际生产中纯真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。附件表1列举出供参考的成型温度。真空吸塑成型片材加热的主要目的是使整个成型表面受热均匀。对于辐射加热而言,值得注意的是,在加热区的模框和模芯也要起到良好的作用。
7.成型片材的牵伸
每一种热塑性塑料在一定温度范围内,都会发生很大的牵伸,在最佳成型温度范围内牵伸只需要很小的力。如果真空吸塑成型机器不能提供必要的成型力,就需要对成型片材进一步加热,以便制品获得所要求的尺寸精度。这相当于片材没有在最佳的拉伸性范围内模塑成型。如果在实际加工中精度要求高,并且需要高牵伸率,成型片材就需要更高的温度,比如说用阳模真空成型冰箱内胆,其边缘部分的半径要小于6MM,或者用阴模压力成型底部半径小于1.5MM的制品就是这样。
设计要求越高,就会偏离其最佳拉伸性越远,这会使壁厚分布不均匀,吸塑制品的侧壁上呈现薄斑。当成型非常尖锐的部件,用某些成型材料在进行真空吸塑成型的时候就会变得不稳定。对成型材料厚度上要求非常小的尺寸公差非常容易产生次品。工艺支撑设计十分有意义,但设计者经常没有对其产生足够的重视。如果在未成型的片材上划有格子,在真空吸塑成型后,就可以对牵伸进行评价(见图3-9)。
8.片材对制品细节的清晰度的影响
制品细节的清晰度被理解为成型模具的轮廓被模塑复型的精度,其标准是看与模具接触表面的半径非常小的拐角和表面结构(皮革和木材纹理)。细节的清晰度受下列因素影响:·塑料的种类·片材的厚度·成型片材厚度方向的成型温度·真空吸塑成型系统中的成型力·成型模具的温度·成型模具的排气孔·牵伸率HIPS、PP、PE、ABS和PPE都是能成型为清晰度很好的制品的塑料。而PC、APET和一些等级的PVC只能在特定条件下获得足够的清晰度。
片材厚度决定了真空吸塑成型模具的设计和细节精度,表3-2和图3-10表示其相互关系。
名称面积牵伸①低(< 2 : l )中(2~3 )高(> 3 : L )推荐半径R / MM>
0.5S> ( 0.5~L ) S> 1.5S
①相应的厚度减小。
选择的成型温度越高,细节的精度也就越好。只是对于结晶型的塑料,如APET、CPET是一个例外。如果材料的厚度在4MM以上,若要得到较好的细节清晰度的话,就要对材料有足够的加热。若有必要的话,可以减小加热强度,延长加热周期。成型作用力越大,得到高清晰度就越容易。请注意:对于许多塑料片材,机器的成型力不足(如真空吸塑成型)可以通过更高的成型温度来弥补。
上述标准也适用于面积牵伸为4:1或成型高宽比达到1:2的情况。在高温下进行更大的牵伸,很难获得均匀的壁厚。真空吸塑成型模具温度越高,细节清晰度就越好。就压力成型而言,模具温度低可以通过提高成型压力来弥补。这种方法通常被用来成型OPS的薄片材,不能用过冷的模具获得到较好的制品细节。如果片材将被模塑成表面有工程结构的制件,模具就必须加热到接近材料的玻璃化转变温度。
排气好的模具可以得到更高的细节清晰度。当空气被包裹在模具的平面或结构中,模塑制品上的结构深度会变浅,表面呈光滑状。整体牵伸越大,对获得高清晰度越不利。就真空吸塑成型而言,被模塑成型的塑料仍然会保持弹性,并没有完全塑化,因此具有橡胶片的特性。为了使制品得到更好的细节清晰度,随着整体牵伸增大,所需要的成型力也就越大。
9.成型片材的冷却过程行为
一旦在真空吸塑成型机上完成加热过程,比如将加热源从真空吸塑成型机上移走,或者是成型材料从机器上的加热部分传送到成型部位,材料开始冷却。但是到真空吸塑成型开始时,成型材料仍然具有必要的成型温度。
事实上,在加热结束到开始成型这段时间必须尽可能短。这段时间越长,成型材料就需要越热。然而有些塑料不能被加热到成型温度以上,因为它们在高温下会被破坏,加工性能得不到保证。从单工位机器上移走热源应尽量快,带有独立加热、成型工位的加热片材也要快速移出,开始进人真空吸塑成型工序。预成型采用吸或吹的方式预拉伸,然后通过热辐射、对流开始冷却,并且与模塞助压局部接触。
由于与成型模具接触,真空吸塑成型一开始,冷却就很迅速。随着与模具的接触,冷却加剧。在成型周期中,薄制品只花十分之一秒,厚制品要花几秒,因此,为使制品良好,片材应保持足够的温度。如图3-11所示,A表示薄片在真空吸塑成型时,随时间变化的温度曲线。这种情况下,表面温度一内部温度。B是厚片的温度曲线,其表面温度与内部温度不等。
对于真空吸塑成型来说,冷却时间与下列因素有关:塑料的种类;拉伸后的材料厚度;成型温度;真空吸塑成型模具的材质;模具间的接触程度;由空气或其他介质冷却,制品表面不接触模具的冷却方式。由于具体加热量(材料的热容值)不同,塑料种类对冷却性有很大的影响,HIPS为0.361W·H/
(KG·K)或1.3KJ/(KG·K), PP为0.555W·H/(KG·K)或2.0KJ/( KG·K
),也就是说,冷却过程中,PP消耗的热量是HIPS的1.5倍。
塑料自身消耗的热传导也是不同的,各级各类的塑料材料均可如PP那样,与标准值类比。若已知标准HIPS的冷却时间为TR,相同厚度的另一种材料的冷却时间TX可按下式计算:冷却时间TX
=
TR·材料的冷却时间系数式中TR―标准材料HIPS的冷却时间;TX―不同塑料材料的冷却时间。材料的冷却时间系数可从(附件表1)中查取。由于成型材料与模具表面直接接触的热传导作用,使得拉伸后的厚度非常重要,即片材越拉伸,面积越大,厚度越薄,冷却时间越短。
请注意:当拉伸最小,制品壁最厚处冷却充分时,冷却工序即告结束,制品可以脱模了。对于厚制品,芯部材料的实际温度无法测出,这种情况下,可以参考塑件变形的时间,如逐步减少冷却时间,直至得到制品不再变形和回复的时间。成型所需的温度越高,冷却过程排出的热越多,冷却周期就越长。
由于这个原因,真空吸塑成型机的操作循环时间比压力热成型系统长。大多数情况下,脱模温度仅低于玻璃化转变温度,冷却时间越长,制品刚性越大。真空吸塑成型模具的材质导热性越好,冷却时间越短,因此,环氧树脂、铝和热平衡铝材质模具的冷却时间比为18
: 12 : 7。例如:假设厚度为3MM的HIPS片材,拉伸比为1:2,用环氧树脂的冷却时间为54S,采用热平衡铝的冷却时间为:TKA1 = 54
X(7/18)= 21S
B厚片在真空吸塑成型时的温度随时间变化的曲线,适用于表面温度(连续方向)与芯部温度(断面方向)不等RT-室温,ET-软化温度(玻璃化转变温度几);
TU-成型温度;THMAX-片材的最高加热温度;TMAX-对片材加热的最大温度;1-加热操作结束时间;2-成型开始时间(预拉伸、吹胀等);3
-成型时间;4-片材与模具充分接触时间;4~5-冷却时间;5-脱模时间
自动卷片的真空吸塑成型机,模具部分由铍-铜合金制造,这使得导热性比铝材有所改进,薄片达到0.5MM,冷却时间减少了15%~20%。低温真空吸塑成型模具需要的冷却时间较短,但模具温度不能随便降低。最低模温取决于:塑料材料;所需的型腔斜度;板坯材料的厚度,若模塑件不能在各向等速冷却,随壁厚的增加,变形的可能性增加;换言之,壁越厚,模具的温度就应越高;制品的形状,轴向对称的制件比一侧的制件脱模温度高。当塑件和模具间夹带空气时,接触不良且冷却时间增加。当模具表面太滑或排气槽太少时,会存在接触不良。若真空吸塑成型制品畸变,说明与模具存在不良接触,其结果是导致冷却时间延长,否则,制品太软会变形。对于真空吸塑成型,片材与模具接触一侧的冷却通常比不接触的更有效(表3-3)。当然,若双面均匀冷却,效果更优。
项目无模冷却空气冷却喷雾式空冷与铝接触传热值/〔W / ( MZ·K)〕5.757570→∞
空气冷却的改进由下述条件达到:加强空气流动;气流直接对着塑件厚的部位;尽可能排出制件中的空气;加水产生气流;使用过冷的空气。请注意:静止的空气几乎没有冷却效果。对于卷喂料的真空吸塑成型机的模具冷却,空冷和接触式冷却区别很小,每个周期的最大冷却时间为3S,使用冷却的空气对减少冷却时间不明显。