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PE及复合材料的滚塑加工知识

  

无锡新龙科技有限公司经过十余年的努力在聚乙烯(PE)及其复合材料的滚塑技术上具有突破性的研究成果。在滚塑制品中,市场上聚乙烯(PE)及其复合材料的滚塑占整个滚塑产品的比例目前约75%左右,所以,本资料重点介绍与聚乙烯及其复合材料的滚塑有关的知识与技术。
      (一)聚乙烯(PE)原料及相关特性
      聚乙烯是由乙烯进行加聚而成的高分子化合物。根据聚合条件的不同实际分子量从l万至几百万不等。很先发明的聚乙烯是采用高压法获得的低密度聚乙烯,其比重为0.9l0-0.925g/cm3。随后由低压及中压法获得的聚乙烯比重为0.94l-0.965g/cm3,称为高密度聚乙烯。聚乙烯为白色蜡状半透明材料,柔而韧,稍能伸长,无毒,易燃,燃烧时熔融滴落,发出石蜡燃烧时的气味。聚乙烯的性能与其分子量有关,也与其结晶度有关。
      聚乙烯的机械性能
      聚乙烯的很多机械性能都决定于材料的密度和熔融指数。从低密度聚乙烯到高密度聚乙烯,其密度在0.90-0.96g/cm3范围内变化。聚乙烯的熔融指数(熔体流动指数)变化范围很大,可从0.3到25.0以上。聚乙烯的很多重要性能都随着密度和熔融指数而变化。
      聚乙烯的热性能
      聚乙烯材料的玻璃化温度较低,为125℃,但在较宽的温度范围内,能保持它的机械性能。线性高分子量聚乙烯的平衡熔点为137℃,但一般很难达到平衡点,通常在加工时的熔点范围为132—135℃。聚乙烯的着火温度是340℃,自燃温度是349℃,其尘埃的着火温度是450℃。聚乙烯的熔融指数决定于其分子量的大小。不同分子量的聚乙烯材料混合时,其熔融指数也按一定的规律取其一定的值。
      环境对聚乙烯性能的影响
      聚乙烯耐水,在高湿度或水中物理性能不变。浓硫酸、浓硝酸及其他氧化剂会缓慢侵蚀聚乙烯。在脂肪烃、芳烃和氯代烃中,聚乙烯会发生溶胀现象,但溶胀剂挥发后能恢复原来的性能。在60℃以下,聚乙烯能耐大多数溶剂,但温度高于70℃时烃类的溶剂会迅速侵蚀聚乙烯。当温度继续升高时,聚乙烯会溶解在某些溶剂中。从溶液中分离出来的聚乙烯,经冷却后根据温度的不同形成糊状或胶态。
      聚乙烯容易光氧化、热氧化、臭氧分解和卤化反应。由于化学上的惰性和表面的非极性,聚乙烯很难粘接,很难印刷。但经过氧化剂、火焰和电晕放电处理后,聚乙烯会有良好的粘接性及印刷性能。
      聚乙烯经受辐射时会发生交联、断链及形成不饱和基团等反应,但主要的反应是交联。在惰性气体中辐照聚乙烯时,会产生氢气的溢出而失重;在空气中辐照聚乙烯,则由于氧气的加入而使其增重。辐照之后在聚乙烯分子中增加了不饱和基团,导致氧化稳定性的降低。受辐照时聚乙烯的交联反应胜过断链和形成不饱和基闭的反应,交联反应可以提高聚乙烯的耐侯性,因而经辐照的聚乙烯制品比未经辐照的聚乙烯制品具有更好的耐候性。
      聚乙烯在空气个受氧气的作用而缓慢降解,这个过程会由于热、紫外线和高能辐射的作用而加速。降解老化的表征是制品褪色、发脆,直至损坏。碳黑对聚乙烯有显著的光屏蔽作用,加入2%的碳黑可以有效地提高聚乙烯制品的使用寿命。除了碳黑之外,在聚乙烯中加入某些紫外线吸收剂,也能起到抗老化作用。
      聚乙烯粉末
      聚乙烯塑料导热性能差,为了使在滚塑过程中热量能够较快地传入塑料粉末颗粒的全部体积内,用作滚塑的聚乙烯粉末颗粒尺寸应满足一定的要求。颗粒越小,热量越容易传入,材料的温度就越容易达到其熔点。但颗粒过小时,材料则易吸湿结块,不利于在模具内的翻滚运动。在市场上买到的聚乙烯塑料往往是粒料,需要把它磨碎、过筛,才能满足滚塑工艺要求。
      聚乙烯粒料的磨碎
      聚乙烯是一种韧性较高的塑料,当采用通常的磨碎机加工时,其粒料会被撕拉成不利于再次进行磨碎的形状。聚乙烯粒料的粉碎需要专门的高速切碎设备。
   (二)聚乙烯滚塑工艺过程中的关键要素控制
      1、脱模剂
      在滚塑工艺过程的加热阶段,在聚乙烯粉末或熔体与模具内表面的分界面上,由于表面氧化的作用会发生化学或物理粘接。当模具内表面有局部缺陷时,聚乙烯熔体会流进这些缺陷而形成局部嵌入。这将使冷却之后的制品难以从模具中取出。为了避免上述情况的发生,需要在模具内表面涂一层热稳定的材料以防止粘联,这类材料称为脱模剂。工业用脱模剂有很多种,聚乙烯的滚塑工艺对脱模剂有较高的要求,主要是耐热性能的要求。油类、蜡和硅油是常用的脱模剂,但它们需要每次加料前涂一次,故称为一次性脱模剂。这类脱模剂成本较低,脱模效果很好,但易于迁移到制品表面影响其表面性能。交联硅氧烷是一种半永久性的脱模剂,它不需要频繁的涂抹,不会发生迁移现象,不会受温度变化的影响,具有较好的脱模效果,但成本较高。
      在模具型腔表面复合一层聚四气乙烯薄层(就像市售的不粘锅那样)可获得永久性的脱模效果,聚四氟乙烯属于永久性脱模剂。
      2、 温度控制
      聚乙烯的滚塑上艺过程有一个特殊的现象:在粉末熔融过程中,粉末颗粒之间滞留的空气形成了气泡,随着加热过程的持续、这些气泡又消失了。进一步的研究表明,这些气泡的消失并非由于它们在浮力的作用下移向熔体的自由面,而是因为气泡中的空气逐渐融合在熔融的塑料熔体中。实验表明当温度升至150℃时,聚乙烯熔体中形成了不同尺寸的气泡。由于聚乙烯熔体粘度很大,气泡的浮力不足以把气泡推向自由面。当温度升至200℃时,所有的气泡都消失了。因此,对于聚乙烯的滚塑来说,科学地控制加热过程对消除聚乙烯制品中的气泡,提高产品质量有十分重要的意义。由于滚塑的加热时间有时会较长,特别是制品壁较厚时。可能会持续半小时到一小时以上。这时就要求采取措施以防止材料在加热过程个的热氧化和材料性能的降低,通常在聚乙烯塑料中加入抗氧化剂可达到预防的目的。但是,当聚乙烯材料被加热到过高的温度或加热时间过长时,抗氧化剂并不能防止材料的氧化。当制品厚度较大需要加热较长的时间时,必须降低加热温度。如果利用提高温度来缩短加热时间,则有可能因气泡中的空气来不及消失而使气泡保留下来。当聚乙烯塑料被加热到熔融状态时,材料将经历一个从结晶态向熔体转化的过程,这正是聚乙烯颗粒开始熔化变软时所发生的过程。它首先出现在和模具内壁接触的一层材料,形成一个均匀的熔融材料层。然后,逐渐向内层扩展,直到全截面完全变成塑料熔体为止。接下来是继续加热使气泡逐渐消失的过程。这一过程的温度控制和时间控制需要调节。
    3、冷却过程
      在冷却过程中,聚乙烯熔体的温度将从200℃降至接近室温,聚乙烯的分子将从无序的状态转变为较为有序的晶态。结晶的过程需要一定的时间,结晶的速度和聚乙烯熔体的粘度有关。当聚乙烯熔体被迅速冷却时,聚乙烯熔体的粘度迅速增加,使其晶粒的生长受到阻碍,从而影响聚乙烯的结晶度。当结晶度不同时,聚乙烯制品的密度就不同,物理性能也将有所差别。由此,急速冷却的聚乙烯滚塑制品具有较低的密度,而缓慢冷却的制品则具有较高的密度。当然,制品冷却越慢,其生产周期越长,成本越高。用于滚塑生产的聚乙烯粉末本身具有一定的密度,它决定于材料的生产厂家。但经过滚塑生产后,由于冷却速度的不同,聚乙烯滚塑制品的密度将发生一定的变化。

 

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