工艺技术_吸塑成型工艺学

吸塑成型工艺学第一章 绪论 真空吸塑成型工艺的起步与发展 真空吸塑成型工艺，早在20世纪初已为人所知，但应用于工业生产还只是20世纪40年代以后的事，而在60年代才有较大的发展。近20年来，它已发展成为加工包装材料的最重要的方法之一。这种技术迅速发展的原因是真空吸塑成型工艺及设备的不断创新，以及具有成型性能的新片材的开发；同时也是由包装工业的发展及真空吸塑成型包装本身的特点所决定的。 真空吸塑成型是塑料包装容器最常用的成型方法之一。它是一种以热塑性塑料片材为成型对象的二次成型技术。在国外，真空吸塑成型是一种老的成型工艺，由于不断的开发和变化，目前已高度自动化、机械化，并做到了无任何废边料产生，100%的原辅材料变成制品。全流水线生产的成型系统工程。 真空吸塑成型在下列条件中存在差别： 加热成型材料至高弹态所需要的再成型温度 吸塑成型时通常用的成型模具 将制品冷却到其不发生尺寸变化的冷却温度 尺寸稳定后制件脱模 在大多数情况下，吸塑成型的后处理也是必须的，比如： 修边 熔接 粘接 热封 涂层 金属喷镀 植绒 印刷 真空吸塑成型如今已经成为加工领域内大家普遍接受的一个术语：“真空成型”（vacuum forming）。而“压力成型”（pressure forming）是指一些特殊的利用空气压力加工过程的工艺。“热成型”（Thermo forming）是各种热塑性成型（包含真空和压力，或混合成型）的总称。 一、真空吸塑成型的优缺点 判断任何一种加工生产工艺过程是否成功，要与另外一种加工方法相比，用该种方法生产的制品的成本是否合适；或者是这两种方法生产的制品成本相同，但用这种方法生产的制品质量得到改进。在许多应用方面，注射模塑成型或吹塑成型都与真空吸塑成型相竞争。 但就包装技术而言，除非是用纸板作为包装材料，否则真空吸塑成型技术是没有其他加工方法能与之相竞争的。真空吸塑成型主要的优点是它的工程经济性。成型复合片材、发泡片材和印刷片材的制品，以适当改变模具来代替变化真空吸塑成型机械。壁很薄的制品可以用高熔体黏度的片材真空吸塑成型，而注射相同壁厚的则需要低熔体黏度的粒料。对于少量的塑件，有利的模具成本是真空吸塑成型的又一优点，而对大批量的制件，制品能达到非常薄的壁厚及真空吸塑成型机器的高产出比则非常有利。 真空吸塑成型可生产的最小制件是药片的包装材料或手表用的电池，也可以生产非常大的制品，比如35m长的花园水池。成型材料的厚度可以从0.0515mm ，对于发泡材料，厚度可达到 60mm 。任何一种热塑性塑料或具有相似性能的材料都可以进行真空吸塑成型加工。 真空吸塑成型所用的材料是厚度为0.0515mm的片材，这些片材是用粒料或粉料制得的半成品。因此，与注射成型相比，真空吸塑成型的原料会增加额外的成本。 在真空吸塑成型时需要对片材进行切割，这将会产生边角料。将这些边角料粉碎后，与原来的材料相混，可再一次制成片材。 在真空吸塑成型中，片材只有一个表面与真空吸塑成型模具相接触，因此只有一个表面与真空吸塑成型模具几何尺寸相一致，制品另外一个表面的轮廓是由牵伸得到的。 在塑料加工领域，真空吸塑成型被认为是一种具有很大发展潜力的加工方法。它采用模塑成型，适合塑料包装各领域。真空吸塑成型也是一种需要熟练操作与经验的加工方法。如今，通过模拟过程与必要的专业技术，真空吸塑成型已经发展成为在技术上可控的，并且可重复的一种加工方法。 近年来，在真空吸塑成型过程中产生的边角料的循环利用已日趋重要。如今，边角料通过破碎后与原生材料混合来进行回收利用已经形成了一种工艺。废弃的塑料模塑制品，比如说包装材料，甚至工程制件，它们的回收利用在很多条件下都是可能的，但有些仍有待发展。目前可进行的回收主要是一些化学材料和能源材料。要使循环利用得到突破，必须在加工过程的生态性和节约性上下功夫。 真空吸塑成型制品具有价格低廉、生产效率高、形状及色彩选配自由、耐腐蚀、重量轻和对电的绝缘性能等优点，在文具、玩具、日常用品、五金交电、电子产品、食品、化妆品等产品的包装，现已发展到广告牌、汽车、工业配件、建材、安全帽、洗衣机和冰柜内衬、周转箱及农业用品等产品的应用。 二、真空吸塑成型存在自身的局限性 真空吸塑成型只能生产结构简单的半壳型制品，而且制品壁厚应比较均匀（一般倒角处稍薄），不能制得壁厚相差悬殊的塑料制品。 真空吸塑成型制品深度受到一定限制。一般情况下容器的深度直径比（H/D）不超过1。 制件的成型精度较差，相对误差一般在1%以上。采用真空吸塑成型法不仅很难得到不同制件间构型或尺寸的一致性，同一制件各部位壁厚的均匀性也很难保证，另外，真空吸塑成型过程中模具的某些细节并不能完全反映到制品中。第二章 真空吸塑成型基本原理和术语 本章将就真空吸塑成型的基本原理和相关术语进行介绍，对往后了解成型特性有着重要关系。 一、真空吸塑成型原理 真空吸塑成型工艺（图2-1）是一种热成型加工方法。利用热塑性塑料片材，制造开口壳体制品的一种方法。将塑料片材裁成一定尺寸加热软化，借助片材两面的气压差或机械压力，使其变形后覆贴在特定的模具轮廓面上，经过冷却定型，并切边修整。 真空吸塑成型这种成型方法是依靠真空力使片材拉伸变形。真空力容易实现、掌握与控制，因此简单真空成型是出现最早，也是目前应用最广的一种热成型方法。 图2-1 基本原理示意图 二、无模成型 真空无模成型过程如图2-2所示，将片材加热到所需温度后，置于夹持环上，用压环压紧，打开真空泵阀门抽真空，通过光电管控制真空阀调节真空度，直到片材达到所需的成型深度为止。由于自由真空成型法中制件不接触任何模具表面，制件表面光泽度高，不带任何瑕疵。如果塑料本自身是透明的，制件可以具有最小的光吸收率和透明性，故可用于制造飞机部件如仪器罩和天窗等。 真空无模成型法在成型过程中只能改变制件的拉伸程度和外廓形状，因此不能成型外型复杂的制件。另外，成型过程中，随着拉伸程度的增大，最大变形区（即片材中心）的厚度不断减小，因此实际生产中拉伸比（H/D）一般应小于75%。 在运用此法进行加工时，操作员必须有熟练的技巧，调节好真空度，以得到符合设计要求的轮廓和尺寸一致的产品。 图2-2 无模真空吸塑成型装置 图2-3 无模真空吸塑成型壁厚分布表2-1 不同模具所允许的拉伸比 成型模单阳模单阴模用柱塞协助成型 允许牵伸比0.511 三、阳模（凸模）和阴模（凹模）成型 对于真空吸塑成型，受热的材料仅有一面与成型工具相接触。这样，材料与模具相接的面就具有与成型模具完全相同表面轮廓。而成型制件的未接触面的轮廓和尺寸就只有取决于材料的厚度。根据成型材料与成型模具的接触面的不同，成型过程可分为阳模和阴模成型。 1.真空吸塑阳模成型工艺过程如（图2-4）所示。 本法对于制造壁厚和深度较大的制品比较有利。 制品的主要特点是：与真空阴模成型法一样，模腔壁贴合的一面质量较高，结构上也比较鲜明细致。壁厚的最大部位在阳模的顶部，而最薄部位在阳模侧面与底面的交界区，该部位也是最后成型的部位，制品侧面常会出现牵伸和冷却的条纹，造成条纹的原因在于片材各部分贴合模面的时候有先后之分。先与模面接触的部分先被模具冷却，而在后继的相关过程中，其牵伸行为较未冷却的部位弱。这种条纹通常在接近模面顶部的侧面处最高。 图2-4 阳模成型 2.真空吸塑阴模成型工艺过程如图（图2-5）所示。 真空阴模成型法生产的制品与模腔壁贴合的一面质量较高，结构上也比较鲜明细致，壁厚的最大部位在模腔底部，最薄部位在模腔侧面与底面的交界处，而且随模腔深度的增大制品底部转角处的壁就变得更薄。因此真空阴模成型法不适于生产深度很大的制品。 图2-5 阴模成型 对于阳模成型，制件的内尺寸是很精确的，因为它是与真空吸塑成型工具相接的一面。相反，对于阴模成型，制品的外尺寸是很精确的，因为其外部与真空吸塑成型模具相接触如（图2-6）。图 2-6a 阳模成型（简图）和b 阴模成型（简图） 1-厚部位；2-薄部位；3-成品的内尺寸；4-外尺寸 对于阳模成型，制件的内尺寸是很精确的，因为它是与真空吸塑成型工具相接的一面。相反，对于阴模成型，制品的外尺寸是很精确的，因为其外部与真空吸塑成型模具相接触如（图2-6）。图 2-6a 阳模成型（简图）和b 阴模成型（简图） 1-厚部位；2-薄部位；3-成品的内尺寸；4-外尺寸 对于阳模制件我们必须注意如下问题： 在使用高的角式模具进行加工时，特别是当模具与夹持框架间的距离很大时，容易产生皱褶（图2-7) 在角落处容易产生冷却条纹（图2-7)； 在凸缘处壁厚不均匀（图2-7)； 由于侧壁斜度不够而使脱模困难； 在成型区（夹持模框）多腔模具的嵌件和下夹持器之间会产生小的缝隙； 阳模成型模具通常比阴模价格低廉。图2-7 阳模制件中的缺陷及其典型特征（简图） 1-冷却痕迹；2-皱褶；3-薄部位；4-厚部位 对于阴模制件我们必须注意其（图2-8) ：厚的边缘；均匀的边缘厚度；薄的角隅；单阴模有很好的脱模性；阴模模具通常比阳模价格高。 但是，对于每一种情况之中的不利影响都可以通过采用适当的加工方法来降低。图2-8 阴模制件的典型特征1-均匀的边缘；2-薄的角隅 四、机器基本装置 1夹紧设备 塑料片材成型时，片材被固定在夹紧装置上。在真空吸塑成型的通用型机和复合型的热成型机上多采用便于固定各种尺寸片材的夹紧装置。有的是整个成型机配一套夹紧框架。 夹紧装置可分为两类：一类是框架式，另一类是分瓣式。框架式夹紧装置由上、下两个框架组成。片材夹在两个框架之间。框架打开时，下框架一般保持固定状态。各种类型单工位成型机上框架的下部直接固定在成型室上。用手装型坯和成品取出的手动和半自动成型机上，当框架尺寸很大时，都装有在框架打开范围内的安全操作装置。对成型滑移性较大的型坯，要求夹紧力能在比较宽的范围内调节，为此，采用两个包胶辊，用弹簧相互压紧，并配有压力调节装置。连续拉片成型机的夹紧是两边拉链与前后闸的共同作用。 夹紧装置最好采用自动控制，以期动作迅速，可有助于提高制件质量和效率。 2加热设备 热塑性塑料片材和薄膜的真空吸塑成型过程，主要工序之一就是片材加热，让片材软化成可塑性的设备。电加热的持续时间和质量取决于加热器的结构，辐射表面后温度传热的热惯性，片材与加热器间的距离，辐射能吸收系数，加热器表面的特性以及材料的热物理性能。常用的加热器有电加热器、晶体辐射器和红外线加热器。 3真空设备 真空系统由真空泵、储气罐、阀门、管路以及真空表等组成，在真空成型中常采用单独机型真空泵，此种泵的真空度应达到0.070.09 Mpa（520mmHg）以上。储气罐一般是用薄钢板焊接的圆柱形箱体，底是椭圆形的。蓄气罐的容量至少应比最大成型室的容量大一半。真空管路上，必须装有适当的阀门，以控制真空窄容量。 真空泵的转动功率由成型设备的大小和成型速度决定，较大或成型速度较快的设备常用大至24KW的。真空中央系统的大小视工厂具体生产和发展的要求而定。 4压缩空气设备 气动系统可由成型机自身带有压缩机、储气罐、车间主管路集、阀门等组成。成型机需要压力为0.60.7MPa的压缩空气,各种真空吸塑成型机广泛采用活塞式空气压缩机。也可以用大型的螺旋式空气压缩机整厂供给。压缩空气除大量应于成型外，还有当一部分用于脱模、初制品的外冷却和操纵模具框架和运转片材等机件动作的动力。 5冷却设备 为了提高生产效率，真空吸塑成型制品脱模前常需进行冷却。理想的情况是制件与模具接触的内表面和外表面都冷却，而且最好采用内装冷却盘管的模具。对于非金属模具，如木材、石膏、玻璃纤维增强塑料、环氧树脂等模具，因无法用水冷，可改用风冷，并可另加水雾来冷却真空吸塑成型制件的外表面。 生产中若采用自然冷却可以获得退火制件，有利于提高制件的耐冲击性。用水冷却虽然生产效率高，但制件内应力较大。 6脱模设备 脱模是将制品移出模外，通常无论是凹模还是凸模，多数场合是由于制品冷却收缩而贴紧模具，所以通过真空吸引孔或向相反方向吹风使之脱模。 尤其对于脱模斜度小的或有凹模的模具，同时使用脱模机构顶撞或震荡脱模。 7控制设备 控制系统一般包括对真空吸塑成型成型、整饰等过程中包括仪器、仪表、管道、阀门各个参数和动作进行控制。控制方式有手动、电气-机械自动控制、电脑控制等，具体选用要根据最初投资人工费、技术要求、原料费用、生产和维修设备费用等因素综合考虑。 五、有效成型压力 除了成型温度、模具温度和牵伸作用的影响外，真空吸塑成型制件的成型精度还主要依赖于热制件与模具之间的有效接触压力。? 模具在预牵伸的过程中会产生一定的接触压力（图2-9a ）。而制品成型时，若在接触处抽真空或者使用柱塞的机械压力，又就会产生一定的成型压力。这也就是说接触处的有效压力是牵伸产生的接触压力和由真空或柱塞的机械压力产生的成型压力之和。对于其他的区域，成型材料在预成型之后未与模具相接触，有的甚至阻碍牵伸。这些区域其有效接触压力等于成型压力和成型材料成型时产生的反向压力之差（图2-9）。 图2-9 由材料的成型压力和反向压力之和得出有效成型压力的简图 a 和b 阳模；c 和d 阴模 (+）模具面积，在该面积区域材料的有效成型压力因接触压力而增加；（-）模具面积，在该面积区域有效成型压力因成型材料的反向压力而降低 对于模压成型（阳模）通常的成型压力：大面积模制件0.2 0.3MPa ( 2 3bar ) ；小的制件高达0.7MPa ( 7bar ）。? 对于真空成型，成型压力较低，且主要取决于的大气压力。? 在海拔高度为。时，当使用高质量的真空泵时，模塑压力可达到约0.O98MPa ( 0 . 98bar ）。? 由于真空产生的压力等于成型材料一侧所受到的大气压与另一侧产生的真空的压差，所以接触压力就取决于空气压力和密封度。因此，即使使用最好的真空泵，随海拔高度的增大，成型压力也会不断降低（图2-10）。 图2-10 成型机器的海拔高度对真空成型中的空气压力的影响 六、成型面积、切入面积、夹持边缘 夹持框表面内部宽度大小范围区域的面积被称为成型面积（图2-11）。切人面积就是指在成型过程中发生牵伸的区域的面积。它依赖于制件的规格，而与夹持边缘是否需要加热无关。? 应用如下：成型材料未受热的区域（如未受热的夹持边缘）不收缩，而成型的部分则在成型后收缩；但是不同收缩的区域会造成模塑物的变形。 对于实际应用的意义：若制件的夹持边缘在脱模后立即就被切断，那么它就不必进行加热；若夹持边缘留在制件上（无修边成型过程），夹持边就必须加热到材料的Tg以上。 图2-11 成型面积和切人面积 a 对于阳模成型，成型面积等于切人面积； b 在阳模成型中由于附加的保护物的作用而使切人面积减小； c 在阴模成型中规定的加工切人面积 L B-成型区域；Ll B1-切人面积；?-夹持边缘； E-阳模成型中牵伸起始处（壁厚发生变化） 图2-12 矩形盒用料制品简图（右边为裁边后的成品图） AB-模具底面，C-高度，L1和L2-模具延伸到片坯边缘的长度，D-夹持边缘 七、废料（边料）面积和废料比率 掌握废料分寸，对成本核算有着重要意义。成型制品四周的切边余量是没有精确数据的，因为它会由拉伸情况影响。我们利用以下着个案例来分析： 例：计算成型矩形盒(如图2-12)高200mm ，模具底面积（430x950) mm2，制品在模具底平面四周延伸10mm边位剪切（即产品尺寸440x960mm2），若用料片坯面积（610x1200) mm2 ，夹持边缘四边各20mm，求此种情况时的废料比。 片材的废料由夹持边缘面积和经成型拉伸裁出制品后的片坯面积组成，最主要是计算经过拉伸后，出制品后还剩余多少份量的边料。 注：裁边面积制品的剪口面积 根据此公式计算： 成型/型腔面积= (610-20x2)(1200-20x2)/(430x950+430x200x2+950x200x2)+ (610-20x2)(1200-20x2)- 430x950 = 66120/1174720 = 0.056 废料面积= 0.056x(610-20x2)(1200-20x2)-440x960+610x1200-(610-20x2)(1200-20x2)= 142353.2 mm2 废料比率 = 142353.2/(610x1200) = 0.194或19.4 八、排气面、排气孔、排气槽、槽口 在真空吸塑成型加工过程中，为了除去塑料材料与模具之间所存留的气体，模具必须是能排气的或有足够的排气孔或排气槽；这可以使空气通过抽气装置（或转移）快速的除去。具体的设计将在模具设计章节详细介绍。 九、脱模斜度 对于阳模成型，制品会收缩而紧贴在模具上，而对于单腔阴模成型，制品收缩后可以脱离模具表面。为了能够脱模，模具侧面必须具有一定的倾斜度。在脱模方向上，模具侧面的倾角被称为脱模斜度（见图2-13）。脱模斜度应该取得尽可能大。脱模斜度越大，脱模越快，成型周期越短，而且在脱模的过程中制品变形的可能性小。单阳模和单阴模的脱模斜度一般为：a=3o5o ；对于收缩率0.5的和慢速脱模a 0.50 。 图2-13 脱模斜度 a单阳模； b 单阴模 十、成型比和牵引比 成型比（图2-14）是指制品的最大抽拔深度H 与成型面B 之比，或与成型面直径D 之比。成型比并不能准确反映出牵伸比。成型比可根据图2-14 得到。 成型面积：L B ，当L B （长方形模制品） 成型比：H ：B （长方形）或H ：D （圆形模制品） 牵伸比是指模件修边前的表面（不含夹持边），与成型面积之比，其结果根据图2-15。 牵伸比S = F2/F1 式中F1 不含夹持边的最初成型材料面积； F2 制品的模塑面积 测定实际牵伸比的技巧：对于几何形状非常复杂的模制品，牵伸比可以在最大牵伸处用一个软尺很容易地进行测定（见图2-16 ）。宽度B 方向的牵伸比 = 卷尺测量尺寸宽度B 图2-14 成型比 a 和b 不同几何体的成型比H ：B ; c 圆形几何体的成型比 图2-15 用于计算壁厚的制件尺寸 图2-16 某塑件宽度B 方向的牵伸比 1 -软尺测量 成型的牵伸比不宜过大，实际生产中选用牵伸比时不超过1/3为宜，否则转角、底部的部位将急剧变薄，甚至成型不了。 成型时，造成制品厚薄不均的主要原因是片材各部分所受的拉伸情况不同，一般来说，阳模成型时，易造成顶部过厚，两侧逐渐变薄；阴模成型时，口径部位过厚两侧延至底部变薄，特别侧面与底部的转角部位最薄。 牵伸比应控制在一个极限范围内。如果采用单阴模成型时牵伸比通常不超过0.5；采用单阳模成型时拉伸比可以适当增大，如果采取柱塞协助成型，牵伸比可以更大些。 十一、壁厚计算、吸塑成型制件 当未成型材料的厚度已知时，我们可以粗略地估计出吸塑成型制件的厚度。由于制件的设计壁厚和最终成型壁厚的不规则分布，最终的计算结果要考虑30的壁厚分布。对于这种计算，必须假定材料的体积在整个成型的过程中保持不变。 因而有如下成立：V1 = V2 这样：F1s1 = F2s2 从而： s2 = F1/F2s1 式中 Vl 不含夹持边缘的材料体积； V2 热成型制件的体积； F1 不含夹持边缘的材料面积； F2 制件表面积； s1 原材料厚度； s2 制件壁厚。 壁厚计算示例：1 长方形成型制件的壁厚的确定 根据图3-21，有如下尺寸： a=800mm, b=500mm, c=400mm, L=880mm, B=580mm用这些数据计算面积和面积比得： F1 = L B = 510400mm2F2 = L B + 2bc + 2ac = 1550400 mm2F1/F2 = 0.3293? F2/F1 = 3.0367对于原材料厚度s1=4mm, 且厚度均匀分布的成型制件，其壁厚： s2 = F1/F2s1 = 0.3292X4mm = 1.32mm 由于成型制件的壁厚的波动不均一，实际上制品的厚度分布在0.91.7mm之间 s2act = s230% = 1.3mm0.4mm 0.91.7mm 若制件壁厚指定，所需材料的厚度确定根据图3-21中所示的制件的平均厚度为s2 = 2mm,那么所需原材料的厚度应该是多少？ 如下是材料厚度的计算结果： s1 = F1/F2s2 = 3.0376X2mm = 6.075mm由于制件壁厚分布不规则，所选材料的厚度应比计算值增加30%： s1act = 6.075+30% 8mm十二、吸塑成型制件的收缩和变形 在片材章节我们已经介绍过材料的缩水问题，在这里我们将借助吸塑成型制件进行解说。 1收缩 在冷却阶段成型模具和施加真空，避免模塑件的尺寸发生变化，然而一旦脱模，制件就会发生尺寸变化，且随时间的增大变化就越大。 这些尺寸变化就是所谓的收缩，它包括加工过程的中的收缩和后收缩。 影响收缩情况的还与成型模具结构有关，在成型过程中阳模比阴模收缩小，如图2-17： 图2-17 左为阳模成型和右为阴模成型的制品缩水情况 2变形 变形就是制品的形状偏离原先形状的设计。如在圆形模具上成型的制件变成了椭圆形。与模具水平面相接的模塑件的成型表面，在脱模成为三维尺寸的制品时，往往会发生变形，如发生扭曲或者翘曲。 收缩和变形的原因密不可分的，两者都与以下因素有关：片材原料、片材生产条件、成型中的牵伸量、冷却速度、脱模温度。十三、痕迹、冷却痕迹、条纹、皱褶 痕迹（图2-18）、冷却痕迹（图2-19）、条纹和开裂（图2-20）都是制品中常见的缺陷，但是可以通过相应的措施来避免，将在后面的章节里详尽讲解。 图2-18 透明制品上的排气孔痕迹图2-19 a 阳模制品上的冷却痕迹和b 图3-18a 的A - A 断面图2-20条纹和开裂 a 阳模制品上的条纹；b 阳模制品上的开裂 第三章 片材的成型特性 本章将就吸塑成型常用片材的性能进行介绍，成型的成败和质量与片材的特性有着重要关系。 用于成型加工的无论单层或多层复合片材，都必须具备以下性能： 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，又有尽可能均匀拉伸的倾向。这一特性可以使己经成型的制品如果重新加热到原来的成型温度，它会回复到原来平片形状。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形状和质量有很大影响。有些可以拉伸1520，而有些甚至可以拉伸至500600。 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晰的轮廓。反之，如果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，即成型片材需具备适宜一定的加工温度范围。既在其受热软化温度，容易成型，又与其熔融温度有一定距离，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，成型容易撕裂、熔塌等现象。 为了更加深入了解吸塑成型用片材的特性，我们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，比如说HDPE ，也可以是支化的，如LDPE 。大分子完全无序排列（如图3-1a ) ，我们称之为无定形热塑性塑料。均匀结构的大分子，比如线型聚乙烯或聚甲醛，能形成部分的规则排列，大分子按一定规则部分结晶，我们称之为部分结晶热塑性塑料（如图3-lb ）。图3-1 热塑性塑料结构示意a 无定形的；b 部分结晶的 无定形和部分结晶热塑性塑料的区别? 无定形热塑性塑料由于其不对称结构或大侧基，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，见图3-2a 。部分结晶塑料含有分子链规则排列的区域，称之为结晶区。因为结晶作用，部分结晶的热塑性塑料通常是不透明的，并且透明度会随着结晶度的增加而减小。部分结晶热塑性塑料的使用温度在几和熔点Tm 之间。如果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。对于许多部分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抑制，最终得到透明的制品（如PET 瓶，透明的PET 片材和透明的无规聚丙烯片材）。图3-2 说明了无定形和部分结晶热塑性塑料与温度相关的行为，表3-1 为重要的无定形和部分结晶热塑性塑料。表3-1 重要的无定形和部分结晶热塑性塑料无定形热塑性塑料部分结晶热塑性塑料聚氯乙烯（PVC-U 和PVC-P )高密度聚乙烯（HDPE )苯乙烯聚合物（PS/SB/SAN/ABS/ASA )低密度聚乙烯（LDPE )聚甲基丙烯酸甲醋（PMMA )聚丙烯（PP )聚碳酸醋（PC )聚酰胺（PA6/PA66/Pall/PA12 )聚苯醚（PPE )聚甲醛（POM )纤维素衍生物（CA 、CAB 、CP )线型聚酷（PET 、PBT )无定形聚酞胺（PA6 一3 一T )聚苯硫醚（PPS )聚矾（PUS ) 聚醚矾（PES ) 图3-2 热塑性塑料状态区示意图a 无定形的；b 部分结晶的 12-工作温度；23-软化区（玻璃化转变温度Tg）; 34-成型温度区；1112-无定形部分的软化区（Tg）; 1213-工作温度区；1314-结晶区的熔程（晶体熔融温度Tm ) ; 1415-成型温度区；E-弹性模量，-强度；-热变形率 表3-4 APET片材的技术指标指 标 项 目指标密度，g/cm31.381.42机械性拉伸强度，MPa断裂伸长率，%58280光学性透明度，%雾度，%905.0热特性适用温度，oC成型温度，oC-40757585透气性水分透过率，g/(cm224mm)氧氮透过率，mL/（m224hMPa）0.2120 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，比如说进行了着色和改性的无定形塑料就是如此。由于分子链部分有序排列，部分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。无定形和部分结晶的热塑性塑料有一个最高的工作温度范围，后面将会介绍。在低于玻璃化转变温度Tg时（以前称之为软化温度），热塑性塑料通常是非常脆（比如普通聚苯乙烯PS ) ，热塑性塑料的刚性（模量E ）和强度（）的会随着温度的升高而降低，但可变形性（）会增大。材料在最高工作温度时，还必须有足够的刚性。热膨胀系数在一定温度范围内可以认为是随温度线性增加的，后面将会介绍。 当加热热塑性成型材料时，无定形和部分结晶的热塑性塑料会产生如下的差异。对于无定形热塑性塑料（图3-2a)，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。? 部分结晶的热塑性塑料绝不会完全结晶，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？如果用部分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-应力条件而不发生形变，这就需要在热加工过程中部分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。 图3-3 是以部分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。图中的各种不同现象可以作如下解释：聚丙烯的结晶熔融区大致为158165 ，当真空吸塑成型温度低于158 （如图2-3 左侧示意图），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，但仍以固态形式保留在无定形的熔体中。只要再次加热（如高温消毒），杯子开始形变，这是因为结晶区的应力要想恢复到它最初的形状。另一方面，若成型温度为163 （图3-3 右侧），结晶区会完全熔融，聚丙烯成型材料会变成无定形的，在一定条件下冷却，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。对于部分结晶热塑性塑料，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。如果用较高的温度成型，无定形热塑性塑料的形状改变也会减小。? 在实际生产中，如果把这些因素都考虑进去的话，就会产生下面的问题：片材就会因为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生产（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，或者是因为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，但在适当的工作条件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（如图3-4 ）。CPET 晶体的熔程是在255258 之间，无定形区的软化温度是在7885 ，故下列条件可用于CPET 的真空吸塑成型。 图3-3 热成型聚丙烯容器的外观 左侧：热成型温度为155 ；右侧：热成型温度为163a成型后的示意图；b 经过lh 高温消毒后的示意图；c经过高温消毒后的制品实物照片（真空吸塑成型温度从左到右不断增加） 表3-6 食品包装级聚氯乙烯片材的物理性能项 目指标拉伸强度（MPa）44.1落球冲击破碎率（%）40弯曲温度（）52加热伸缩率（%）厚度0.10.2mm厚度0.20.5mm厚度0.50.8mm 15以内10以内7以内透湿度（g/24h0.1mm）20 真空吸塑成型温度为130135 ，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须加热到170 。在真空吸塑成型过程中（0.60.7mm 厚的片材用3.54s 的时间），材料可以获得2530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 ，但是必须记住，能在如此高的温度下使用，制品的稳定性取决于结晶度。比如用CPET 做成的容器，结晶度也仅仅只有2530。图3-4 CPET 结晶行为示意图 表3-7 食品包装级聚氯乙烯片材的卫生性能项 目指 标聚氯乙烯单体残余量/1061 溶出试验重金属（4%乙酸）（以Pb计）/1061 蒸发残渣正已烷/10630乙醇/10630乙酸/10630蒸馏水/10630高锰酸钾消耗量/10610 褪色试验65%乙醇阴性浸泡液（水，20%乙醇，4%乙酸，正已烷）阴性冷餐油或无色油脂阴性 二、片材性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6070。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0.55h ，但ABS 材料可以开口存放23 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。 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。 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。 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。 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。 将烘箱加热到片材真空吸塑成型的温度 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。 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 。 片材从烘箱中移出并冷却。 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（参见附件表1） 。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，