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與木塑復合材料共舞余姚數控編程培訓

與木塑復合材料共舞



由于木塑復合材料(WPC)顆粒中木纖維的大量囤積和儲存時間很長,含水率可能會超過1%,預干燥就顯得至關重要了。

18年前創立的天然材料技術研究所(奧地利IFA圖爾恩自然資源和生命科學大學)開發了用于注塑成型的專利產品Fasal和用于擠出型材的Fasalex。這兩種熱塑性模塑化合物最初由完全可再生原料如天然樹脂、玉米和木粉組成。由于產品需求的增長,尤其是對防水性能、加工穩定性,及更短的循環時間的需求,隨著時間的推移,熱塑性合成樹脂取代了天然樹脂。除了與維也納/圖爾恩Fasal木業公司在科研方面進行密切的合作之外,天然材料技術研究所也為加工企業提供了工具規劃、注塑制品的成型試驗和優化等支持。
 
水分對熱塑性的影響

且不論其配方或組成,以及機器參數,熱塑性塑料的加工性能和成品注塑件的質量主要取決于所使用的顆粒含水率。在吸濕性塑料的熱塑性加工過程中,即使是非常小的含水率,也可能會導致氣泡和煙霧的產生,以及聚合物分子鏈的降解。降解會使機械性能嚴重受損,特別是對水解敏感的塑料,如聚酯。為了防止損失強度,完善加工,通常在熱加工之前對諸如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚丁烯對苯二酸酯(PBT)類的塑料進行預干燥,至其含水率低于0.04%。在注塑成型聚烯烴時,填充較高比例的木粉(WPC木塑復合材料)或其他天然材料,也可能發生類似的加工問題。木材是吸濕性材料,會吸收空氣中的水分,這取決于周圍環境的氣候,然后存儲并將水分粘附在細胞壁上(吸附作用)。





木材的吸濕性

經過一個相對較長的儲存時期之后,根據周圍空氣的相對大氣濕度和溫度,一個特定的水分平衡就在木材中建立了。對于烘干的木材,有三種不同的機制導致了空氣中的水分吸收和結合?;瘜W吸附占據主導地位,特別是當木材的含水率低至處于0和6%之間時。在這種情況下,水分子通過相鄰纖維素鏈之間的氫鍵和單分子水膜形式被吸附。木材的含水率在6%~15%之間時,水通過吸附機制被吸入進細胞壁。水分子受到范德華力或靜電引力的作用,形成了多分子的水薄膜。毛細凝聚現象主要發生在木材含水率超過15%之后,直到細胞壁里的水完全飽和(纖維飽和)。水被納入到細胞壁空隙的毛細管力中,直到細胞壁無法再進一步擴展。所有這些吸附過程的發生都伴隨著熱量排放。當對低于纖維飽和點的木材進行干燥時,除了水的蒸發熱,這種潛熱必須額外提供。除水時每千克需提供的能量取決于有多少木材已經干透了,與每種吸附機制的相關鍵能一致。

WPC注塑成型的挑戰

在天然材料技術研究所為Ubongo3D游戲件進行
模具試驗的過程中,明顯發現,足夠的預干燥對WPC注塑成型大批量生產是必要的。這些產品邊長至少14毫米,最大體積為13.72立方厘米。使用了顆粒材料Fasal Bio F337,以及四個不同顏色的色母粒。相對來說,這些顆粒是高填充木粉/聚丙烯(PP)的化合物。由于木材比例高,此模塑化合物中的含水率可以超過1%,并且存儲很長時間,這意味著,注塑成型的預干燥是必不可少的。

根據對產品的不同需求,生產中使用了四種不同的、每種均有10個模腔的模具。生產試驗開始時,將顆粒在120℃下,用循環式空氣干燥器預干燥四個小時。循環式空氣干燥器使用周圍的空氣進行干燥??諝饪赡軡穸确浅8?,這取決于氣候。與干空氣干燥器相比,即使在高溫下使用,干燥效率會因此而降低。這些干燥系統使得用于干燥的空氣質量具有季節依賴性,因為夏季的濕度一般比冬季高。注塑機料筒的溫度調整為約190℃,且循環時間為45秒。

第一個生產試驗的問題包括長時間冷卻的必要性,不均勻的色素沉著,難聞的燃燒氣味,非均相填模和由模具噴射器上的灰塵引起的部件暗痕(見圖1)。


在機器方面,模具的銹蝕增加了維護需求,同時對分型面和噴射器的清洗要求也更高了。這些質量缺陷是由于干燥不充分,水分滯留在了木材細胞壁里而造成的。在注塑過程中,氣缸內的顆粒被加熱到高達200℃,從而導致了吸附在木材里的水分的蒸發。在封閉的氣缸里,水蒸汽無法逃逸,仍保留在熱成型化合物中。在注塑進型腔的過程中,塑化材料被迫以很高的速度通過一個狹窄的柵極,從而導致了模塑化合物中壓力和溫度的進一步增加。注塑鏈只能在進入模具之后進行擴張。由于游戲件籌碼的大體積與模具可能相對較低的蒸汽出口面積的比例,在高壓下,釋放工序貫穿了所有的凹陷和模具的氣孔。由此產生的污染可能是熱量和水分帶來的木質部件提取物。在原生類型的木材中,僅水溶性萃取物,如低分子量的酸、皂角苷或酚類的構成比例就高達4%。

優化干燥參數

用于注塑成型的WPCs預干燥不足會影響生產的可靠性,注塑成型件的質量和注塑模的壽命。WPC注塑最重要和最經常被忽視的準備工序為粒料的最佳預干燥。良好的干燥質量的決定性因素是干燥器的類型(循環空氣,真空,干燥空氣),干燥溫度和干燥時間??紤]到注塑成型的質量,時間和能耗成本,為了優化Fasal Bio F337顆粒的干燥工序,天然材料技術研究所進行了大量的干燥試驗,采用的是由奧地利維也納Witt-mann Kunststoffgeräte公司提供的干燥空氣型干燥器Drymax D60-150-PDC-180C(見圖2左)。這種干燥系統的一大優勢在于所使用的干燥空氣質量是恒定的。干燥器還額外配備了一個回氣冷卻器和一個冷凝水存儲器,以從干燥線路上消除木質組件的質量降低。使用Feedmax A206-PDC輸送機(制造商:Witt-mann)來為干燥料斗的上部區域供給新顆粒。干顆粒由安裝在注塑機上的Feedmax B203-PDC輸送機計量并送入計量單元。干燥料斗上部、中間和下部有三個溫度傳感器,它們的特殊功能使得顆粒中的溫度分布可以進行精確的跟蹤,并且長達好幾個小時(見圖2右)。




將干燥溫度的變化設置為110、120和130℃。每兩小時測定一次干燥時間對顆粒最終含水率的影響。由于所有的干燥試驗開始于室溫,干燥時間還包括加熱階段。采取不同方式干燥的顆粒樣品通過移動填充料斗直接注入到注塑機中去,并存儲在水蒸汽的密封容器里。

為了測定含水率,首先用無水甲醇將水分從顆粒中萃取出來。萃取需要兩個星期。這種萃取物等分試樣中的水,根據卡爾費休法通過化學方法進行定量測定。從每個干燥試驗和未干燥的參照樣品中各選取兩個樣品,進行雙重測定(四個測量/樣品)。此外,通過注射成型來加工用不同方式干燥的顆粒樣品,并對模具表面和游戲件質量進行檢測。

干空氣干燥器中的溫度分布

圖3顯示了從干燥機的加熱階段開始,干燥料斗中各個區域的溫度分布與時間的關系。在干燥料斗的較低區域中,顆粒在第一個半小時之內達到了100℃以上溫度。干燥料斗中心區域顆粒的加熱需要較長的時間,因為這部分的溫度約在1.5小時后才達到100℃。而最頂層的顆粒在三個多小時之后才達到100℃。


干燥料斗中排出的空氣溫度達到設定值時,就會降低干燥溫度,以防止材料的過度干燥和熱損傷。這項措施同時也實現了節能。干燥試驗的結果和最終顆粒的含水率如圖4所示。

不考慮溫度,干燥兩小時后,顆粒的含水率從1.71%降到了0.5%以下。正如預期的那樣,最低含水率0.25%是在最高干燥溫度130℃下獲得的。在最低溫度110℃,干燥兩小時后顆粒的含水率為0.5%。四個小時后,數值為0.24%和0.23%,所得到的含水率沒有差異,無法確定干燥溫度是110℃還是120℃。在干燥溫度為130℃時,顆粒的含水率只有0.08%。即使在干燥6小時后,最低測試干燥溫度只會導致相對高的含水率0.22%,而這不適合注塑成型。在較高的溫度120℃和130℃下,顆粒的含水率分別為0.05%和0.03%,達到了注塑成型最佳的最低含水率。

初始含水率為1.71%的Fasal F337干燥試驗表明,要使WPC粒料得到快速高效的干燥,干燥溫度必須至少是120℃。正如意料之中的,在高的含水率下,顆粒的干燥速度明顯比含水率在0.3%以下的快。


至于注塑成型的加工性能,所有含水率在0.08%以上的顆粒顯現出了凝結和模具上的污物沉積(見圖5),以及游戲件上的暗痕(見圖6)。粒料在130℃下干燥4和6小時后,得到了出色的可加工性和非常高的產品質量(標題圖片)。

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