木塑复合异型材特性及其挤出模具设计

木塑复合异型材特性及其挤出模具设计 第21卷第3期 2005年6月 黄石理工学院学报 JOURNALOFHUANGSHIINSTITUTEOFTECHNOLOGY V01.21No.3 Jun2005 文章编号:1008—8245(2005)03—0026—04 木塑复合异型材特性及其挤出模具设计 丁晚景肖新华 (,黄石理工学院机电S-程学院,湖北黄石435003) 摘要:介绍了木塑复合材料的特性及其在门窗用异型材等方面的应用前景.结合木塑复合型材挤出模具 研发过程,分析了该类模具的设计要点,描述了木塑复合型材挤出生产的工艺特点. 关键词:木塑复合;结皮发泡;型材;挤出模具;挤出工艺 中图分类号:TG76TQ325.1文献标识码:B CharacteristicsofPlastic?—?woodCompositeProfiles andDesignofExtrusionMoulds DingWantingXiaoXinhua (SchoolofMechanical&ElectricEngineering,HuangshiInstituteofTechnology,HuangshiHubei 435003) Abstract:Thecharacteristicsofwindowsanddoorsprofilesofplastic,woodcompositeandprospectsinusageare presented.ThemainpointsindesignaccordingtodevelopingworkofextrusionmouldSareanalyzed.Sp ecialextru— siontechniqueforplastic—woodcompositeprofilesisalsodescribedinthisarticle. Keywords:plastic—woodcomposite;continUedfoaming;profiles;extrusionmolds;extrusiontechni que 在建筑门窗行业内,塑料异型材和木材的使 用一直处在激烈的竞争之中.当优质木制产品越 来越受到人们青睐,原木产品在都市越来越流行 的时候,森林消失的速度也越来越快.为此人们 希望用塑料异型材门窗取代木制门窗,但塑料异 型材门窗的使用又带来一些无法回避的缺憾,如 塑料型材的质感和颜色等.塑料异型材行业为了 使PVC型材在视觉和质感上接近木材做出了很 多努力,如PVC通体仿木纹型材,PVC表面共挤 仿木层等,但效果不尽人意【?.在塑料型材的研 究和应用领域涉足较早的欧洲国家,又率先推出 将木材纤维和塑料结合起来制成的复合型材,并 已经在诸多方面成功地实现了应用.木塑复合型 材的出现拉近了塑钢与木材之间的距离,给塑料 异型材行业注入了新的活力. 近年来,新加坡一家公司已成功将木材纤维 填充量提高到50%,而所制造的门窗强度也能满 足有关 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 要求.从环保角度,木材资源综合利 用角度,门窗型材的多彩化角度来看,用木塑复合 材料制造门窗用型材是一个具有强大优势的新型 应用方向. 为填补国内木塑复合型材挤出设备和模具的 空白,我们进行了该类模具的研发,并获得了成 功 1木塑复合材料的物料性能 1.1木塑复合原料 木粉由软质木材除去树皮,树节后经机械粉 碎,研磨而得.主要是使用木制品加工行业生产 中的边角余料和木屑.其颜色根据树种配比不同 而不同,有白色,淡褐色至褐色等不同品种.按粒 度一般分为4个等级,l5目,30目,30目,50 收稿日期:2004—11—12 作者简介:T晚景(1966一).男,湖北麻城人,高级工程师,硕士. 第3期丁晚景肖新华:木塑复合异型材特性及其挤出模具设计27 目,50目,80目和80目以上.木粉制备后,将树 脂,木粉和其它助剂按一定的体系和配比混合经 塑炼和造粒即可获得木塑复合粒料. 颗粒料根据不同的型材发泡要求配置了发泡 及调节体系.根据不同的颜色要求,结合木粉添 加量配置了颜料调节体系. 造粒的成品原料根据木粉的填充量分为3个 等级,其基本组分和适用场合如表1所示,其中木 粉填充量为质量百分比. 表1木塑复合原料的等级 1.2木塑复合挤出制品 木塑复合型材是以塑料为基,特别制备的木 屑作为主要填充料,表面结皮,芯层发泡的一种低 发泡挤出制品.它的表层必需形成硬皮,所以它 属于发泡类型中的可控制发泡(结皮发泡,Celuca 发泡).熔体一离开口模,发泡熔体表面受到强烈 的冷却,材料的表面形成硬皮,截面不再增大,发 泡只在芯部进行. 1.2.1木塑复合材料与木材的比较 木塑复合材料经挤出工艺的制成品的外观和 质感酷似木材,并具有和木材一样的加工性能,施 工性能.制品密度在600kg/m0,1000kg/m0之 问,根据木纤维填充量的多少和发泡率的高低有 所不同,一般在600kg/m.,800kg/m.,和木材相 当接近.含水量约为2%,而木材的含水量在 12%,13%,与原木相比木塑复合型材具有更好 的抗水,抗腐蚀等功能.此外,还不存在木材自然 的缺陷,如龟裂,翘曲,疤结,明显色差等J. 除机械的,理化的损伤外,木制门窗还有一个 致命的弱点,那就是虫害的损伤,如白蚁,蠹虫等 害虫的侵害.而木塑复合型材含有多种化学制 剂,可以抵御虫害. 此外,挤出制品断面设计灵活,可以设计装饰 性强的装饰结构和各种功能结构.而木制品的功 能结构和装饰结构往往受木材纹理和加工方法的 限制. 1.2.2木塑复合材料与PVC发泡型材的比较 木塑复合材料具有PVC发泡型材的绝大部分 优点,如阻燃,抗老化等,同时又具有PVC型材不 能替代的其它优点,如色泽,质感,重量轻等品质 性能,可钉,可钻,可锯,可刨,可上油漆,可粘接 等加工性能. 木塑复合材料的挤出制品焊接性能较差,基 本上不适宜焊接,因此,门窗的组装要采用螺接形 式.一方面,由于不需要焊接设备,可以减少设备 投资;另一方面,可以在现场进行施工,给门窗的 运输和安装带来很多方便. 挤出制品的主要性能指标如表2所示. 1.3挤出加工性能 由于木粉的加入,熔融物料的流动性能较UP— VC材料大大降低,从I级到?级,流动逐渐变低. 因此,挤出模具的压缩角度和扩张角度都不宜太 大,防止滞料区的产生与存在. j/ /’./ . / / 0421O0j582j6274334 实验温度:180,相关系数:0.99169剪切速率(s一) 图1流动曲线(双对数坐标) 入\,L \\. \. \ 实验温度:180,丰?关系数:099085非牛顿剪切速牢(s一) 图2粘度一非牛顿剪切速率(双对数坐标) 图1和图2分别为3级木塑复合料的流动曲 线和粘度一非牛顿剪切速率曲线. ? 655 剪切应cP? ?的?? 43322 粘度I)a.?一 黄石理工学院学报2005钲 表2第3级木塑复合料的制品性能指标 注:本检验报告是采用美国材料实验协会(ASTM)和英国标准(BS)规定的测验方法,由新加 坡工业鉴定局 鉴定. 木塑复合材料在挤出加工过程中对温度的变 化相当敏感,要求料筒,模头各区的温度有非常严 格的控制:一方面各区温度要适合发泡,另一方面 温度的设置除考虑塑料降解外,还应该考虑木粉 的炭化.因此对挤出设备,模具,工艺条件要求也 相对苛刻. 2制品结构及工艺特点 2.1产品的壁厚较大 由于木粉的填入,强度值有一定的下降.因 此,对不同的使用场合,型材壁厚应有不同的设 计.用作室内装饰材料的,如护墙板,墙角线,踢 脚线等,可考虑壁厚较薄,一般壁厚在(3,5)mn.1 如图3所示,而用于门窗的型材,则应设计较大壁 厚,通常在(5,7)mm,如图4所示. 2.2通常是低发泡制品 根据使用场合和功能要求的不同,木塑复合 型材的发泡率有高有低,装饰型材一般采用相对 较高的发泡率(600kg/m左右),用作门窗构件 的型材则采用较小的发泡率(800kg/m左右). 结皮厚度则可以根据要求通过工艺在一定范围内 进行调整. 图3100×5踢脚板 2.3过渡圆角大 普通型材园角半径可小至R0.3,R0.5,少 数特殊要求”尖角”的地方还可以做到R0.2以 下.但木塑复合材料型材的圆角达不到此种要 求,一般在R1以上,否则不利于成型. 2.4内筋的设置不同 普通PVC型材断面设计中,内筋设置是为了 加强或用来分隔功能腔室,分隔功能腔的内筋往 往很长.对于木塑复合型材,则应尽量避免长的 内筋.在不影响使用功能的情况下,尽可能使用 开放结构. 第3期丁晚景肖新华:木塑复合异型材特性及其挤出模具设计 料在压缩之前充分融合J.尽量不要采用内流 道.对长内筋非采用独立供料不可时,要考虑独 立流道有足够大的截面面积.独立供料流道的压 缩比应比主流道的压缩比小,约为主流道的 87%. 由于壁厚较大,导热系数小,型材内部热量不 容易传出,因此,冷却定型部分应考虑加快热交换 速度,并增加有效冷却时间.根据经验,壁厚 6mm左右的型材,除干式定型外,需要6m长的水 浸式冷却,才能冷却充分. 图4平开窗窗框4挤出工艺参数 3模具设计要点 基于上述物料特性和制品特点分析,结合该 类模具的开发试制的成功经验,木塑复合异型材 模具设计的要点如下: 基于木塑复合物料对温度的敏感性,模具应 采用较大的结构尺寸,以增加热容量,使整个挤出 机头的温度稳定性得以加强. 机头挤出方向的尺寸尽量取小,缩短物料在 机头中经过的时间,结合发泡的要求选较小的稳 定段长度,一般为口模问隙的l0,l5倍,如图5. 图5平开窗窗扇机头 取较大的压缩比以增加模具压力.保证有足 够的熔体强度,以利于发泡.一般情况下,木塑复 合发泡型材压缩比在6,l0. 尽量不要使用阻流块等结构来调整流道截面 上各处的流量,各个局部流量的平衡要依靠流道 尺寸变化来调节. 在结构强度足够的情况下,尽量减少支架筋 的数量.同时应该设计足够长度的汇料段,使物 木塑复合物料的温度敏感性强,发泡制品对 温度要求比较高,因此从料简到机头各部分的温 度设置对制品的发泡率,颜色影响很大-4J.针对 不同的机组应给出不同的温度系列,以免系列产 品的颜色不一致,不能配套.实际生产中使用的 温度如表3所示. 表3木塑复合型材挤出温度(?) 5结语 木塑复合型材的断面设计,工艺设计,模具设 计有许多不同于PVC低发泡型材的特点.由于 木塑复合型材有着与塑料型材和木材不可比拟的 优势,是具有广泛前景的应用方向. 参考文献 [1]刘宝山,吴德珍,方平.影响仿木纹异型材挤出的几 个因素[c].见:卢鸣.塑料异型材精华本[M].北 京:化学工业出版社.2002:l80—183 [2]丁晚景,吴从喜.木塑复合异型材[J].塑料挤出, 2002(1):15—17 [3]屈华昌.塑料成型工艺与模具设计[M].北京:机 械工业出版社.2000:286—287 [4]唐志玉.挤塑模设计[M].北京:化学工业出版社. 1997:138—142