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熱成型加工過(guò)程中需考慮的材料的熱性能方面較多,包括材料的熱變形溫度、軟化溫度范圍、熱態(tài)力學(xué)強(qiáng)度、比熱容、熱導(dǎo)率、熱胞脹系數(shù)、熔融熱、熱擴(kuò)散系數(shù)和熱穩(wěn)定性等。
熱變形溫度是熱成型加工中需考慮的重要的溫度條件,理論上成型過(guò)程中材料內(nèi)部溫度上限不能高于材料本身的無(wú)負(fù)荷熱變形強(qiáng)度,否則成型過(guò)程個(gè)制件自身重力就會(huì)破壞制件。
對(duì)于大型制件一般采用1.82MPa下材料的熱變形溫度作為加工時(shí)的溫度,而對(duì)于小型制件則一般按0.46MPa負(fù)荷下的材料的熱變形溫度作為熱成型上限溫度。實(shí)際成型中由于塑料片材的表面溫度高于內(nèi)部溫度,因此工藝控制溫度往往比材料的熱變形溫度高得多。表2-2是常見(jiàn)塑料板(片)材的熱成型加工溫度。
熱成型過(guò)程中材料的溫度下降很快,需要材料在較寬的溫度范圍都能保持適當(dāng)?shù)娜犴g性、可塑性和彈性,才能保證最終制品邊角部分的完整性。材料還需要具有較高的熱態(tài)力學(xué)強(qiáng)度,否則熱態(tài)下一經(jīng)牽伸就會(huì)厚薄嚴(yán)重不均,這就要求用于熱成型的熱塑性塑料分子量不宜過(guò)低。另外,可通過(guò)在分子鏈中引入強(qiáng)極性基團(tuán)或交聯(lián)結(jié)構(gòu)限制分子鏈的相互滑移,提高材料的熱成型加工性能。
材料的比熱容反映單位質(zhì)量材料升高單位溫度所需要的熱量,根據(jù)片材的比熱容和密度大小可以計(jì)算成型時(shí)加熱器需要提供的有效熱量。塑料的熱導(dǎo)率都比較低,厚壁制品熱成型過(guò)程的預(yù)熱階段可能會(huì)出現(xiàn)表面已熔化、起泡甚至分解,而內(nèi)部尚未軟化的現(xiàn)象,因此在選材上應(yīng)考慮采用熱導(dǎo)率較高的塑料品種,工藝上也應(yīng)考慮采用雙面加熱或遠(yuǎn)紅外加熱等加熱方式。
實(shí)際生產(chǎn)中,加熱階段塑料的熱膨脹可以不予考慮,但冷卻階段的尺寸收縮卻不能忽略。在制品含有金屬嵌件或需要將塑料制品嵌入金屬容器中時(shí),都應(yīng)考慮到塑料的收縮率大于金屬。采用陽(yáng)模成型時(shí),塑料由于收縮緊貼在模具表面,陽(yáng)模難以拔出,在成型熱膨脹系數(shù)較大的材料如聚烯烴和聚氯乙烯(pvc)等時(shí)尤其要注意這一點(diǎn)。
熱擴(kuò)散系數(shù)是用來(lái)計(jì)算熱成型過(guò)程冷卻時(shí)間的,因?yàn)闊崞牡睦鋮s所需時(shí)間正比于材料厚度,反比于熱擴(kuò)散系數(shù)。熱擴(kuò)散系數(shù)可用下式表述:
熱擴(kuò)散系數(shù)=熱導(dǎo)率/(密度X比熱容) (2-1)
式(2-1)中等號(hào)右邊的三個(gè)參數(shù)在熱成型過(guò)程中并非保持不變,而且結(jié)晶或半結(jié)晶聚合物在冷卻過(guò)程中的結(jié)晶放熱也未核考慮進(jìn)去。因此在實(shí)際生產(chǎn)中依靠熱擴(kuò)散系數(shù)來(lái)計(jì)算冷卻時(shí)間往往存在較大偏差。但從式(2—1)個(gè)至少可以知道片材厚度的增加、模具溫度增加和材料密度的降低,這三方面對(duì)于所需冷卻時(shí)間的影響趨勢(shì)是一致的。
熱成型同擠出、注塑等成型工藝相比,加工溫度低很多,一般不考慮材料的熱穩(wěn)定性問(wèn)題,但在熱穩(wěn)定性較差的Pvc等材料制作厚壁制品時(shí),也需注意避免片村表面過(guò)熱分解。
對(duì)于吸濕性較強(qiáng)的或?qū)λ窒拗埔筝^嚴(yán)的塑料如abs、聚酰胺和聚碳酸酯等,在加熱前應(yīng)該干燥,否則會(huì)出現(xiàn)加熱片材表面起泡、成型制品表面租糙等現(xiàn)象。