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溫度對(duì)高壓成型 PET 薄膜厚度與回彈性的影響
  瀏覽次數(shù):11356  發(fā)布時(shí)間:2020年03月18日 09:38:39
[導(dǎo)讀] 以聚對(duì)苯二甲酸乙二酯 (PET) 薄膜為研究對(duì)象,自制了板式輻射加熱裝置輔助的模內(nèi)與模外裝飾一體的 超高壓成型機(jī),采用控制變量法,在 6 種不同加熱溫度下進(jìn)行高壓成型實(shí)驗(yàn),研究了 PET 薄膜對(duì)溫度變化的敏感性, 探討與分析了溫度對(duì)高壓成型件周向厚度分布和回彈的影響。結(jié)果表明,在拉伸作用下,材料沿拉伸方向流動(dòng),高壓 薄膜厚度減薄明顯,溫度對(duì)薄膜的減薄有顯著影響。
沈忠良 1,2,3,張強(qiáng) 1,鄭子軍 3,歐長(zhǎng)勁 3,孫圣 2,鄧益民 1
(1. 寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,浙江寧波 315211 ; 2. 寧波歐琳廚具有限公司,浙江寧波 315000 ; 3. 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江寧波 315012) 

摘要:以聚對(duì)苯二甲酸乙二酯 (PET) 薄膜為研究對(duì)象,自制了板式輻射加熱裝置輔助的模內(nèi)與模外裝飾一體的 超高壓成型機(jī),采用控制變量法,在 6 種不同加熱溫度下進(jìn)行高壓成型實(shí)驗(yàn),研究了 PET 薄膜對(duì)溫度變化的敏感性, 探討與分析了溫度對(duì)高壓成型件周向厚度分布和回彈的影響。結(jié)果表明,在拉伸作用下,材料沿拉伸方向流動(dòng),高壓 薄膜厚度減薄明顯,溫度對(duì)薄膜的減薄有顯著影響。當(dāng)加熱成型溫度在 160°C時(shí),周向厚度的減薄率出現(xiàn)最大值,為 47.6% ;當(dāng)溫度為 60°C時(shí),出現(xiàn)最小值,為 29.6%,并且減薄率和溫度的升高成正比。回彈量在 160°C時(shí)出現(xiàn)最大值, 為 6.3 mm ;60°C時(shí)出現(xiàn)最小值,為 0.7 mm,且回彈量和溫度的升高成正比。另外,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在溫度超過(guò) 100°C時(shí), 回彈量的增長(zhǎng)會(huì)驟然加快;在凹模圓角及其周邊厚度減薄較小,回彈也較小。 
關(guān)鍵詞:聚對(duì)苯二甲酸乙二酯薄膜;厚度;回彈;溫度;高壓成型 

高聚物薄膜的成型特性研究是模內(nèi)裝飾 (IMD) 技術(shù)的重要技術(shù)支撐 [1],而在高聚物薄膜的成型特 性的影響因素中溫度是重要參數(shù) [2],厚度變化與回 彈變化是僅次于成型過(guò)程中褶皺與破裂的關(guān)鍵實(shí)際問(wèn)題 [3],因此,開(kāi)展溫度對(duì)高聚物薄膜成型過(guò)程厚度 變化與回彈變化的研究具有重要意義。 

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高聚物薄膜成型特性方面開(kāi)展 了各有特色的研究,主要的研究方法包括:基于厚 度測(cè)試儀 [4–5]、萬(wàn)能拉伸機(jī) [6–8] 等實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)研 究;基于有限元軟件的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究 [9] 和基于本構(gòu) 模型等原理的理論研究 [10] 等。 J. H. Yoon 等 [11] 探 討了由于注塑過(guò)程引起高溫而導(dǎo)致的高聚物薄膜變 形 ( 局部撕裂 ) 特性研究,采用單向耦合的方法對(duì) 聚合物膜的注射成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,給出了 一種分析與預(yù)測(cè)薄膜變形的有效方法,同時(shí)從機(jī)理 與微觀角度給出了研究高聚物薄膜受溫度變化影響 的實(shí)驗(yàn)手段 [12]。Y. H. Lin 等 [13] 整合了萬(wàn)能拉伸機(jī) 測(cè)試獲得的塑料薄膜的力學(xué)特性,通過(guò)有限元數(shù)值 實(shí)驗(yàn)的方式探討了溫度變化、溫度的不對(duì)稱(chēng)性對(duì)高 聚物塑料薄膜在 IMD 領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)成型特性的影響, 結(jié)果表明,薄膜在溫度不對(duì)稱(chēng)情況下引起的結(jié)晶度 差異是導(dǎo)致薄膜變形與翹曲的主要原因。 

C. O. Phillips 等 [14] 基于萬(wàn)能拉伸機(jī)所獲得的 材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)與 ( 電子 ) 油墨印刷過(guò)程的相關(guān) 參數(shù),分析和探討了適合油墨均勻印刷的關(guān)鍵技術(shù)、 油墨印刷過(guò)程對(duì)高聚物薄膜成型特性的影響,之前 他們 [15] 還基于有限元數(shù)值模擬的方法開(kāi)展了 IMD 工藝下高聚物薄膜的成型特性研究,利用拉伸試驗(yàn) 數(shù)據(jù)建立的材料模型,對(duì)該鍵盤(pán)表面覆膜高壓成型 過(guò)程進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明,模具和薄膜之間的摩 擦防止了薄膜的畸變,上述兩者的界面是有效控制 薄膜成型特性的關(guān)鍵界面。G. Kim 等 [16] 認(rèn)為,薄 膜插入成型 (FIM) 是提高產(chǎn)品表面功能或美學(xué)質(zhì)量 的方法之一,并采用黏彈性本構(gòu)關(guān)系描述了聚合物 膜的流變行為,采用恒速單軸高溫拉伸試驗(yàn)方法獲 得了流變學(xué)參數(shù),提出了一種可視化的模式變化預(yù) 測(cè)方法,并與實(shí)際產(chǎn)品的分析結(jié)果進(jìn)行了比較,驗(yàn)證 了該方法的有效性。 

T. Azdast 等 [17] 以聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 片材作為研究對(duì)象,通過(guò)有限元數(shù)值模擬方法,利用 自由成型和插塞輔助成型進(jìn)行了高聚物變形過(guò)程中 材料厚度的變化研究,研究了不同溫度下自由成型 和插塞輔助成型方法的不同組合,并根據(jù)每種方法 在最終成型件總高度中所占的比例進(jìn)行了最優(yōu)化研 究。 S. C. Chen 等 [18] 探討了 0.125~0.2 mm 厚度 的 IMD 成型用高聚物薄膜深拉伸成型與模具溫度、 預(yù)涂膜加熱溫度、插塞速度、插塞保溫時(shí)間、插塞熱 成型深度等的影響關(guān)系,研究了薄膜的壁厚變化規(guī) 律和壁厚分布規(guī)律,結(jié)果表明,結(jié)晶溫度對(duì)膜的拉伸 比和膜厚變化率影響最大。 

綜上所述,溫度對(duì)高聚物薄膜成型特性的影響是塑料件 IMD/模外裝飾 (OMD) 成型的關(guān)鍵問(wèn)題, 且影響成型特性的因素較多,存在一定的相互作用 關(guān)系。上述研究已給出了溫度對(duì)高聚物薄膜成型影 響的基本研究方法,但是,研究尚未明確給出溫度對(duì) 高聚物薄膜成型特性影響的作用關(guān)系。同時(shí),表征 高聚物薄膜的本構(gòu)模型所采用的參數(shù)多數(shù)為常溫下 獲取,并不能準(zhǔn)確表征隨著溫度變化引起的高聚物 薄膜力學(xué)參數(shù)變化對(duì)成型特性帶來(lái)的影響。 

筆者在上述研究的基礎(chǔ)上,以聚對(duì)苯二甲酸乙二酯 (PET) 薄膜為研究對(duì)象,通過(guò)自主研制的超高 壓 IMD/OMD 一體高壓成型機(jī)進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn),開(kāi)展了高聚物薄膜的厚度與回彈性對(duì)溫度變化敏感 性的研究,探討了溫度變化對(duì)薄膜厚度、回彈量的影響,同時(shí)探討了薄膜成型結(jié)構(gòu)對(duì)薄膜溫度敏感性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法
1.1 主要原材料 
單 面 加 硬 防 刮 花 PET 薄 膜:T60,厚 度 為250 μm,表面無(wú)明顯彩虹紋,拉伸強(qiáng)度 ≥ 160 MPa,標(biāo)稱(chēng)加熱收縮率≤ 1%,日本東麗株式會(huì)社。

1.2 主要儀器與設(shè)備 
高壓 IMD/OMD 氣體成型一體機(jī):HPFM– 350C 型,自制; 千分尺:103–137型,精度為±2 μm,日本 Mitutoyo 公司。 

1.3 實(shí)驗(yàn)方法 
通過(guò)進(jìn)行不同溫度下的高壓成型實(shí)驗(yàn)研究高聚物薄膜熱成型的規(guī)律。超高壓 IMD/OMD 氣體 成型一體機(jī)的紅外輻射加熱部件的工作原理如下: 以高熔點(diǎn)的合金材料作為輻射體,通電后由電阻發(fā) 熱而產(chǎn)生熱輻射作為輻射源 [13]。與傳統(tǒng)的加熱方 式相比,紅外輻射加熱可以透入薄膜表面一定深度, 在薄膜厚度只有 0.25 mm 的情況下,具有非常好的 加熱效果。此外,紅外輻射加熱裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備 維護(hù)方便,加熱方式易于控制,并且加熱的速度快、 熱量散失小,因此具有很高的加熱效率。 

膜片的加熱需要一定的加熱面積,因此在設(shè)計(jì) 加熱裝置時(shí),選用板式加熱方式,將輻射元件按一定 的秩序排列在一塊方形板上,板式輻射使得膜片受 熱均勻,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1 所示, 加熱裝置共有 6 排輻射元件,每排 5 個(gè),共 30 個(gè),每 個(gè)輻射元件的溫度都可以單獨(dú)控制,在實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)不斷調(diào)整各區(qū)域的溫度,以達(dá)到膜片最好的成型狀 態(tài)。 


實(shí)驗(yàn)采用的 PET 薄膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為 79°C,而熱成型工藝溫度通常控制在 100~150°C 之間 [14],因此在進(jìn)行高壓成型實(shí)驗(yàn)時(shí),選擇的膜片 加熱溫度分別為:60,80,100,120,140,160°C,實(shí)驗(yàn) 過(guò)程中,上、下模的溫度分別始終控制在 140°C和 130°C。 

圖 2 是高壓成型實(shí)驗(yàn)的流程圖,具體的實(shí)驗(yàn)步 驟如下: 
(1) 放膜。首先將膜片放置在型腔中,并用夾邊 模具固定,利用夾邊模具上的定位銷(xiāo)定位,利用 Y 型密封圈實(shí)現(xiàn)裝置的密封; 
(2) 加熱膜片。彈出加熱板,所有溫度均采用紅 外輻射的方式來(lái)控制,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)控制; 
(3) 合模。利用液壓缸控制開(kāi)模、合模,并提供 所需要的合模力; 
(4) 吹高壓。合模完成后,通過(guò)氣壓泵向模具內(nèi) 吹高壓,高壓吹氣壓力為 30 MPa ; 
(5) 保壓。高壓保壓時(shí)間為 4 s ; 
(6) 泄壓開(kāi)模。達(dá)到保壓時(shí)間后,泄壓 5 s,之 后開(kāi)模取件,更換膜片。保持其它工藝參數(shù)不變,僅 改變加熱溫度,繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 


圖 2 高壓成型實(shí)驗(yàn)流程圖 

2 結(jié)果與討論 
2.1 溫度對(duì)厚度的影響 
為了研究溫度對(duì)高壓成型件厚度的影響,定義 減薄率 (m) 為:


式中:d0——高聚物薄膜的原始厚度; 
         d——高聚物薄膜成型后的厚度。

以 某 產(chǎn) 品 成 型 件 為 例 ,將 其 沿 周 向 切 開(kāi) ,選 取 40 個(gè)測(cè)量點(diǎn),如圖 3 所示,分別測(cè)量這 40 個(gè)點(diǎn)所在位置的壁厚。成型件薄膜的原始厚度為 0.25 mm,選用千分尺作為測(cè)量工具。為了減小誤差,每個(gè)點(diǎn) 需要進(jìn)行兩次測(cè)量然后取平均值,記錄并統(tǒng)計(jì)各個(gè) 溫度下壁厚的測(cè)量值。不同加熱溫度下高壓成型件 壁厚的分布如圖 4 所示,其減薄率數(shù)據(jù)列于表 1。 
 
 

圖 3 成型產(chǎn)品與測(cè)量點(diǎn)分布 

圖 4 不同加熱溫度下高壓成型件壁厚的分布 
表 1 不同加熱溫度下高壓成型件壁厚減薄率數(shù)據(jù) 
表1
 
由圖 4 和表 1 可以看出,隨著加熱溫度的升 高,高壓成型件壁厚的減薄率越來(lái)越大,最小減薄 率發(fā)生在 60°C時(shí),最小減薄率為 29.6% ;最大減薄 率發(fā)生在 160°C時(shí),最大減薄率為 47.6%。在高壓 成型件的成型高度最高處,60°C下成型后的厚度為 0.151 mm,160°C下的厚度為 0.131 mm,由此可見(jiàn), 溫度對(duì)高壓成型件壁厚的影響較大。 

通過(guò)對(duì) 6 種不同加熱溫度下高壓成型件壁厚分 布曲線進(jìn)行對(duì)比分析,可以得到如下結(jié)論: 
(1) 溫度越高,高壓成型件的厚度越來(lái)越薄,因 此,最大減薄率和最小減薄率都隨之升高; 
(2) 材料在成型時(shí)受到來(lái)自各個(gè)方向上的拉應(yīng) 力,通過(guò)厚度分布可以得出最容易產(chǎn)生破裂的區(qū)域, 在工業(yè)生產(chǎn)中,該區(qū)域是需要重要關(guān)注的位置; 
(3) 分析高壓成型件壁厚最薄處的成型情況,發(fā) 現(xiàn)該區(qū)域材料的成型高度最高,由于拉伸作用,沿拉 伸方向流動(dòng),在材料一定的情況下,該區(qū)域的厚度也就變得薄。 

2.2 溫度對(duì)回彈性的影響 
高壓成型后部分產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)起皺,這是由于材料的回彈造成的,因此在研究薄膜的起皺現(xiàn)象時(shí),實(shí) 際上是在研究材料的回彈現(xiàn)象。材料的回彈性是一 個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程,受到各種因素的影響,例如模具 的形狀、材料的厚度以及性能、摩擦力等眾多因素。 在成型完成后,當(dāng)壓力被卸載,累積在薄膜材料中的 彈性能都會(huì)釋放出來(lái),使得零件的尺寸發(fā)生變化。 在高壓成型時(shí),薄膜會(huì)發(fā)生彎曲作用,根據(jù)彎曲性能 原理 [15],一定會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象,只是回彈的程度有 高有低。因此,如何預(yù)測(cè)回彈是控制高壓成型件質(zhì) 量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 

在預(yù)測(cè)和控制回彈方面,常用的方法有解析 法、數(shù)值模擬法以及實(shí)驗(yàn)法。在運(yùn)用解析法時(shí),首先 通過(guò)理論分析研究材料成型的過(guò)程,然后依靠數(shù)學(xué) 模型揭示回彈產(chǎn)生的機(jī)理,但解析法在應(yīng)用時(shí)有很 大的局限性,只能適用于簡(jiǎn)單的沖壓成型,對(duì)于復(fù)雜 的成型,數(shù)學(xué)模型難以建立,計(jì)算太龐大,對(duì)技術(shù)人 員的要求過(guò)高,且不適用于生產(chǎn)實(shí)際。數(shù)值模擬法 通過(guò)建立模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究,本質(zhì)上也是從 理論上研究問(wèn)題,加工的環(huán)境過(guò)于理想化,經(jīng)常與生 產(chǎn)實(shí)際不符合。而實(shí)驗(yàn)法與前二者不同,實(shí)驗(yàn)法立 足于生產(chǎn)實(shí)際,理論結(jié)合實(shí)踐,通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中獲取不 同的工藝參數(shù)對(duì)回彈的影響,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)研究 回彈的規(guī)律。綜上所述,實(shí)驗(yàn)法是研究回彈基本規(guī) 律的可靠手段。 

不同加熱溫度下高壓成型件壁厚的回彈性如 圖 5 所示。 
由圖 5a 可以看出,隨著加熱溫度的升高,高壓 成型件壁厚的回彈量增大。當(dāng)加熱溫度低于 100°C 時(shí),回彈量的增長(zhǎng)較為緩慢,當(dāng)加熱溫度超過(guò) 100°C 后,回彈量的增長(zhǎng)會(huì)驟然加快。60°C時(shí)的回彈量為 0.7 mm,160°C時(shí)上升到 6.3 mm,表明加熱溫度對(duì) 高壓成型件壁厚的回彈量有顯著的影響。 
回彈百分比按式 (2) 計(jì)算 : 

式中:w——回彈百分比; 
h——回彈量; 
h0——高壓成型件設(shè)計(jì)高度。

由圖 5b 可以看出,高壓成型件壁厚的回彈百分比與加熱溫度成正比,加熱溫度越高,回彈越嚴(yán)重。 

 a—回彈量;b—回彈百分比
圖 5 不同加熱溫度下高壓成型件壁厚的回彈性 
高壓成型件壁厚回彈的本質(zhì)是:高壓成型件成 型后,卸載高壓空氣,在成型過(guò)程中儲(chǔ)存的彈性變形 能需要釋放,從而引起內(nèi)應(yīng)力的重新分布,導(dǎo)致高壓 成型件的外形尺寸發(fā)生了相應(yīng)的改變,如圖 6 所示。 

圖 6 高壓成型件壁厚回彈示意圖 

隨著高壓成型過(guò)程中腔內(nèi)的壓力越來(lái)越大,在成型高度越高的位置,薄膜的減薄越嚴(yán)重,該位置也 是變形最大的位置。高聚物薄膜的成型方式是高壓 吹氣成型,現(xiàn)有的技術(shù)基本能保證厚度的均勻分布, 但在變形區(qū)域較大、成型高度較高的位置,成型完成 后殘余的內(nèi)應(yīng)力越大,當(dāng)高壓卸載完成后,該區(qū)域的 應(yīng)力得到釋放,導(dǎo)致在變形較大的區(qū)域回彈越明顯。 但在凹模圓角及其周邊的厚度減薄和變形程度則沒(méi) 有那么嚴(yán)重,卸載后,產(chǎn)生的回彈量較小。 

3 結(jié)論 
通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究溫度對(duì)高聚物薄膜成型件厚度分布和回彈的影響。設(shè)計(jì)了膜片加熱裝置,使用自 制超高壓 IMD/OMD 氣體成型一體機(jī),對(duì) 6 種不 同加熱溫度下的高壓成型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到如下結(jié)論: 
(1) 在拉伸作用下,材料需要不斷沿拉伸方向補(bǔ) 足,并且材料是定量的,因此在成型高度越高的位置,厚度越薄,隨著溫度的升高,高壓成型件的厚度 變薄,在 160°C下具有最大減薄率,在 60°C時(shí)具有最 小減薄率,通過(guò)分析厚度的分布情況,得到薄膜最易 產(chǎn)生破裂的危險(xiǎn)區(qū)域。 
(2) 保壓 4 s 后泄壓,由于腔內(nèi)持續(xù)高壓,產(chǎn)生 的內(nèi)應(yīng)力需要釋放,因此成型件厚度出現(xiàn)回彈,在成 型高度越高的位置,成型件厚度的變形量越大,產(chǎn)生 的內(nèi)應(yīng)力越大,回彈量也越大,在凹模圓角及其周邊 厚度減薄較小,卸載后,回彈也較小。 

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