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[热成形钢] PET泡沫材料热成型新方法

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发表于 2012-6-9 14:31:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

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目前,大多数复合夹芯结构都是由热固树脂制成的。尽管热塑性塑料已成为普通塑料生产的主流,但在复合材料界它们尚未得到广泛应用。加铝(Alcan)复合材料集团介绍了热塑性PET泡沫AIREX®T90和T92的新型处理技术及其应用方式和潜力。

这些新型处理过程的周期非常短,可能会促进复合夹芯结构在某些领域的应用,即目前还只是采用金属或普通塑料的领域。

热成型

虽然泡沫材料在常温下具有一定的强度和刚度,但加热后,就会变软。这样,就可以塑造成任意形状。把温度降回室温后,这些泡沫材料就会再度变硬,并保持塑造后的形状。一般而言,热成型过程可以细分为三个阶段:加热、塑型和冷却。根据周期时间、要求精度及拟塑形状的复杂程度,可通过热传导(如有特氟隆涂层的加热板)、热辐射(如红外线加热器、陶瓷板加热器、卤素加热器)或热对流(如烘箱)等方式对泡沫材料进行加热。通常,成型过程中都需要使用模具。有些模具由上下两部分组成,上部起压合作用 ;有些模具则只有下半部分,外加一个对泡沫塑料施压的器械(如真空袋、沙袋)。AIREX®T90和T92是两种最简单且易于处理的泡沫材料。它们可以被热塑成各种复杂形状而几乎不会产生任何反弹。在应用了模压成型和冲压热成型等加工方法后,AIREX®T92的塑型优势在实验室测试中得到充分证实。

模压成型

在对流炉中将泡沫平板加热至170℃后,可以把泡沫板压入模具。经短暂冷却后,已成型样品即可脱模,其表面均匀,不会发生任何形状反弹(图1)。局部泡沫材料因受到挤压而密度变高,泡沫结构也会出现更大变形。
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图1. 模压成型
冲压热成型

这是一种板材塑型过程,它利用机械撞击力将热塑板压入塑型模具。可热成型的AIREX®PET泡沫夹芯材料和一流生产设施相结合,就可以提供周期短、质量稳定的夹芯部件新生产方法。为了将实际厚度控制在误差允许范围内,热成型时最好采用闭合模具。通过与瑞士Horchdorf的巴鲁马格热塑成型公司(Plastika Balumag AG)合作,生产了厚度10毫米(0.4英寸)的AIREX®T92.100样品。800×500毫米(31.5×19.7英寸)的泡沫板被钳框固定于开阔区域,再用两盏户外卤素灯从两边同时加热至指定温度。由于每一处的光照强度都可以单独进行调节,所以泡沫板的每一处都能受热均匀。在170℃(338°F)加热30秒后,将卤素灯背过来,再以80℃(176°F)对上下冲压器具加热3秒钟。取出部件前,需冷却20秒钟。

作为复合材料基体的树脂可分成两大类:热固性和热塑性。热固性树脂通常为液态,加入催化剂混合后产生化学反应,成为固态。热塑性树脂则拥有可反复融化和重复利用的分子结构。正因如此,热塑夹芯材料的生产过程通常比热固材料更为快捷(后者的生产周期更长),使热塑材料得以大量应用成为可能。与热固塑料相比,热塑材料的回收利用方式更为简便;温度只要高过基体的熔点,热塑复合材料的不同部分就可以被分离开。

此外,热塑性材料能自我粘接,无须另外添加胶水、树脂等粘合剂。

单独加热面板

通过烙铁、红外线或卤素加热器,可以在不影响夹芯材质的情况下,将表层加热到非常高的温度,足以将基体与面板粘为一体。这一生产工艺使高温表层基体与耐低温的夹芯材料组合在一起成为可能。加热后的表层必须迅速与温度较低的泡沫材料结为一体。在实践中,自动化操作必不可少;与泡沫材料压合前,表层都必须一直保持高温状态。只有将相关技术参数控制在合理范围内,表层材料和夹芯材料才能达到理想的粘合状态,这也是决定成品表面是否光洁、漂亮的决定性因素。通常,泡沫材料本身并不需要另行加热。泡沫材料从表层吸收的热量足够对其进行热成型。泡沫材料的厚度和所需形状的不同会对应用产生一些限制。试验表明,用烙铁将表层加热到熔点230℃(446°F)时,表层的PBT基体就开始软化。经过短时间装配,数层130×50毫米(5.1×2英寸)的样品被压合约20秒钟后融合,再用大致等量的时间进行冷却。

该工艺所需时间非常短(如小部件仅需90秒),此外,由于不需要特殊的粘合剂或树脂,可节省材料成本。

模压加热蠕变成型

在模压加热蠕变成型过程中,需先将面板和夹芯材料放入模具后,再置入对流炉加热。由于模具的压合力是恒定不变的,所以,逐渐加热至所需温度时,表层和核心就会慢慢变型。热塑面板基体的熔化温度必须低于泡沫核心材料的稳定温度。为保证面板和夹芯能适当粘合,模具上下两端都必须被施以足够的压力。这就要求夹芯材料在规定温度下仍具有足够的抗压能力。夹芯材料的这种抗压能力对热塑产品能否获得高质量的外观有着举足轻重的作用。将夹芯结构压入闭合模具内数分钟后,零件即可冷却脱模。对AIREX®T92采用此工艺时,最佳温度为170-180℃(338-356°F)。在这个温度范围内,可选用附有PP基体的热塑面板和织物面板。与前述面板加热工艺相比,这一处理过程需要更长的加工周期。图2为汽车后扰流器样品。

图2. 汽车后扰流器样品
夹芯复合板的热粘接

对所有复合材料夹芯结构来讲,为了将表面和夹芯材料粘接起来,基体或其他粘接剂必不可少。这种粘合层或树脂基体不仅增加了重量和成本,延长了生产周期,还会排放有害气体。此外,它们还妨碍材料的回收利用。

通常认为熔融胶合法是最佳的热塑复合材料粘接术。和焊接一样,要先熔化两个部件的接触面,然后加压冷却,使两者牢牢粘为一体。与热熔粘接类似,将PET泡沫的表面加热至280℃(536°F)左右,超过其熔点,形成PET粘连层,使面板与夹芯粘合。下述实验证明了在整个混合过程不添加任何粘合剂的情况下,制成铝-PET-泡沫夹芯结构的可能性。实验中,铝板被烙铁加热至290℃(554°F),然后被压到温度较低的AIREX®T92的两面。铝板除经简单打磨外,未进行任何预处理。在低压成型阶段,铝板必须保持恒温状态,使泡沫材料和铝质表层之间形成PET熔层。可加热数秒钟使1.5毫米左右的泡沫材料液化压入PET熔层。几秒钟内,该混合物将在加压情况下冷却至室温。剥去核心材料的泡沫表层后,就可以看到极佳的粘合效果。

与传统的夹芯结构生产方式相比,这种新方法的优势就是生产工艺周期极短。这就使大批量生产成为可能。此外,由于这种简化处理过程中不需要使用粘合剂,所以它质轻、节约成本且无须对表层进行预处理,抗冲击性能更佳,也更易于回收利用。从工业生产的角度来看,所有270℃(518°F)左右具备热导性的面板材料都可以运用这种不间断的加热、挤压和冷却的工艺流程。
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