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塑料瓦楞板(塑料中空板)的性能优势及研究进展

来源:admin 日期:2010-8-26  点击:5367

    塑料瓦楞板又叫塑料中空板、万通板、波纹板、波浪板、双壁板,是一种具有类似瓦楞纸形状特点的塑料异型板材。
    塑料瓦楞板有多种截面形状,如图1 是Omipa 公司生产的几种塑料瓦楞板的截面形状示意图。
    目前生产瓦楞板的主要原料是PP(聚丙烯) 和PC(聚碳酸酯) 。
    塑料瓦楞板的成型有两种方法[3 ] ,一种是在单台挤出机上同时挤出芯材和平板,在机头的流道中将熔体分为3 层,上下层成型平板,中间层成型塑料瓦楞板的芯层,为保持芯层和面层的形状,采用风冷和冷却辊代替三辊压光机来定型。另一种是先挤出片材再成型塑料瓦楞板。芯层和面层用不同的挤出机挤出,然后再贴合成制品。
    塑料瓦楞板在生产、生活中已经得到了广泛的应用,但其理论研究还非常薄弱,本文对塑料瓦楞板的应用与研究进展进行了介绍,为塑料瓦楞板的进一步研究提供了资料。
    1  塑料瓦楞板的优势
    塑料瓦楞板在很多领域可作为纸板、木板、铝板、玻璃板等板材的替代产品,由于塑料瓦楞板的塑料材质,决定了它与纸板、木板、铝板、玻璃相比占有很多优势。与同样材质的塑料实心板材相比,塑料瓦楞板有许多独特的优势,具体为:
    1) 良好的力学性能。塑料瓦楞板的特殊结构,使其具有韧性好、耐冲击、抗压强度高、缓冲防震、挺硬性高,弯曲性良好等优良的力学性能,这些力学性能是瓦楞纸、蜂窝纸板所达不到的。
    2) 质轻节材。塑料瓦楞板的力学性能优良,因此要达到同样的效果,使用塑料瓦楞板耗材少,成本低,重量轻。
    3) 隔热/ 隔声。由于塑料瓦楞板的中空结构,使其传热、传声效果明显低于实心塑料板,有良好的隔热/隔声功能。
    4) 缩短加工时间。壁厚过大会延长模塑时间[4 ] ,据计算,壁厚增加1 倍,冷却时间增加4 倍。塑料瓦楞板将提高机械强度的方法由增加壁厚改为薄壁组合,提高了加工效率。
    5) 防静电或导电。采用改性、混合、表面喷涂等方法可以使塑料瓦楞板具有防静电或导电的性能[5 ] 。
    6) 化学性能稳定,可以防水、防潮、防虫蚀、防腐蚀,与瓦楞纸、蜂窝纸及木板相比具有明显的优势。
    7) 表面光滑美观、颜色齐全。
    8) 制造过程污染少,可重复利用。虽然难以降解,但是从原材料到制造到使用的全过程来看,综合环保效果明显占有优势。
    2  塑料瓦楞板的应用领域
    塑料瓦楞板广泛适用于建材、汽车行业、电子业、广告业、邮政业等方面。目前,应用最为广泛的是以下几个方面。
    1) 零部件周转箱,仪器周转箱,饮料周转箱,农药周转箱,精密仪器的内包装,药品包装箱,邮政包装箱,电子元器件包装的垫板、隔板等。
    2) 各种箱包、旅游包的衬板。
    3) 广告装潢:展示牌、商品标识牌、广告牌、灯箱、橱窗造型等。
    4) 防静电周转箱,卡板系列产品以其灵活的尺寸、结构变化及优良的防静电性能更适合电子行业特别是微电子企业使用。
    5) 阳光板:工业、商业、民用建筑的采光棚,温室、农业、园艺保温,公路隔声屏障,公共汽车棚等。
    3  应用实例
    实际应用中,由于生产厂家、生产工艺、原材料、使用目的等的不同,生产的塑料瓦楞板有各自独特的特点。下面是GE(通用电器) 普特阳光板(中山) 有限公司生产的以PC 为原料的普特阳光板的技术特性。
    3. 1  质轻
    阳光板单位质量轻,安全不易破碎,易于搬运、安装,可降低建筑物的自重,简化结构设计,节_?/ _约运输、安装费用,减少投资。对同等厚度阳光板和玻璃板的单位面积质量进行比较,具体结果见表1。
    3. 2  耐冲击性能
    由PC制成的阳光板有极佳的抗冲击性能,且能在相当宽的温度范围内( - 40 ℃~120 ℃) 长时间保持良好的抗冲击性能,可以防止在运输、安装和使用过程中破碎。
    3. 3  透光性
    无色透明的阳光板有很高的透光率。透光性不会因使用时间而降低,着色的阳光板可以减少热量聚集,获得适宜的室内温度,并且能阻挡太阳光中最强的部分,从而使透过的光线柔和。
    3. 4  隔音性能
    阳光板是良好的隔音材料,在国际上是高速公路隔音的首选材料,与相同厚度的玻璃相比,隔音性能提高3~4 dB。上海市内环线高架天桥、北京三环快速路隔音屏障都采用了阳光板,路段交通噪音下降17 dB ,隔音效果非常显著。
    3. 5  节能性能
    阳光板的特殊中空结构,使其与普通玻璃和其它塑料相比有更低的热导热率( K) ,从而使热量损失大大降低。无论是冬季取暖,还是夏季调温,都可以有效降低能量耗费,有显著的经济效益和社会效益。表3是不同材料的热损失值K 单位为W?(m2?℃) - 1 。
    3. 6  防结露性能
    空气中的水分遇上低于其露点温度的表面时会发生凝结现象,凝结的水滴会降低材料透光率,在园艺和工业中,水滴会对下面的植物或一些仪器设备造成损伤。通常高K 值的材料易发生水分凝结现象,如玻璃在室外温度为0 ℃,室内温度为23 ℃,相对湿度为40 %时,内表面就会结露,而阳光板的相对湿度要达到80 %时内表面才会结露。
    4  研究进展
    目前,塑料瓦楞板的研究成果主要集中在加工方法和应用两个方面,特别是应用领域的拓展方面。郭海针、程华文研究了CAN 局域网在中空板生产中的适用性,并给出了基于CAN 总线的中空板生产线控制方案[6 ] 。梁卫东分析了广泛用于建筑中的宽型塑料中空墙板的挤出模具设计与制造工艺[7 ] 。张振宽等研究了以PE 中空板代替镀锌钢板在冰箱下地板上使用的可行性,以及在生产中出现的问题和解决方法[8 ] 。廖玄戈发明了一种保温隔热耐候高强度复合塑料中空板[9 ] ,提供了一种自身搭接或自身板材和其他类型板材搭接配合都方便快捷的保温、隔热及耐候性能好、强度高的复合塑料中空板。扈响亮等发明了一种双层钙塑瓦楞板及其制造方法和热粘合机[10 ,11 ] 。付连祥发明了一种承压式塑料中空薄壁格子板太阳热水器[12 ] ,采用一种耐高温、高强度、优质、无毒无味塑料制成的塑料瓦楞板作为集热板芯,有效地利用了塑料瓦楞板薄壁、价廉、力学性能优良等优点,在成本降为真空管热水器成本的1/ 8~1/ 10 的同时,单位采光面积日产40 ℃热水量提高一倍。李瑞盛等发明了邮政包装箱用塑料中空板及其制造工艺[13 ] ,采用聚乙烯或聚丙烯为原料,具有重量轻、防潮、防震、成本低、承载强度大、抗压强度高等优点,解决了现有包装箱所用材料寿命短、成本高、重量重等缺点。方德军发明了一种折叠式塑料中空板周转箱[14 ] ,具有用料省、加工工艺简单、寿命长、强度大、成本低、折叠方式简单、折叠后所占空间小等优点。
    塑料瓦楞板与瓦楞纸有极其相似的几何形状,但瓦楞纸的理论研究比塑料瓦楞板成熟很多,因此,瓦楞纸的研究成果对研究塑料瓦楞板非常有借鉴意义。国内外学者常用于分析瓦楞纸板性能的方法是通过进行大量实验,对得出的实验数据进行分析,找出瓦楞纸板具有的基本特征,利用数值分析的方法建立数学模型,再使用优化方法对模型参数进行识别[15 ] 。这种方法费时、费力又浪费资源。随着计算机的发展,有人尝试用有限元法对瓦楞纸板进行分析,并取得了一定成果。
    M. E.Biancolini 研究了用有限元法计算瓦楞纸板硬度的方法[16 ] 。Poorvi patel 等人用有限元法研究了轴向应力下, 塑料瓦楞板的局部弯曲和塌陷问题[17 ] 。
    Tomas Nordstrand 分析和检测了瓦楞纸板变形后的情况[18 ] 。Ulf Nyman 和Per Johan Gustafsson 研究了判定瓦楞纸材料和结构失效的依据[19 ] 。刘伯利用有限单元法分析瓦楞纸板的力学性能[15 ] : 运用ANSYS 建立了近似瓦楞纸板的实体模型;模拟实验条件,对模型施加边界约束,把实体模型转换为有限元的数学模型,并利用屈曲分析,对瓦楞纸板竖向边压的临界载荷进行计算;通过求解,获得了瓦楞纸板结构竖向边压压溃的临界载荷,再利用通用后处理器,绘制了大量的应力云图并对实验结果进行了对比。朱东红针对纸箱受压时,棱角处承载能力最大,对传统的四角四立面0201型纸箱进行改进,使其增加棱角及受力面,从而达到提高抗压强度的目的[20 ] 。朱丽萍等以瓦楞纸箱为材料,较系统地研究了纸箱尺寸、瓦楞方向、接合方式和纸板材质等因素对纸箱抗压力的影响[21 ] 。郭娟等研究了一种新型组合结构的4 层双拱瓦楞纸板。通过大量的分析及对该新型纸板的各项性能测试得出了较理想的结果[22 ] 。
    塑料瓦楞板属于中空异型材的一种,因此,除对塑料瓦楞板的直接研究以外,由研究中空异型材得出的所有结论,都可以经过改造而应用于塑料瓦楞板的生产研究中。
    5  研究方向
    综上所述,塑料瓦楞板的实际应用已经取得了一定的成果,但有关塑料瓦楞板的理论研究较少。为了指导塑料瓦楞板的生产和革新,有必要对塑料瓦楞板开展一系列的理论研究。
    5. 1  材料及配方的研究
    对塑料瓦楞板来说,原材料及配方的设计关系到生产的稳定性及塑料瓦楞板的质量,是塑料瓦楞板质量的决定性因素之一[23 ] 。配方设计的目的是优选助剂,合理搭配并最终达到配方构成的低成本、高性能。配方合理的基础上还要求树脂和助剂质量可靠,即使只有一种原料出现问题,也会使塑料瓦楞板的质量受影响,甚至不合格。
    另外,更换材料也是一种很好的创新思路。塑料瓦楞板的创意本身就是在瓦楞纸的基础上更换材料而来的。可以预见,将橡胶、铁、陶瓷以及复合材料等制成类似塑料瓦楞型的产品也将取得独特的效果。
    5. 2  塑料瓦楞板结构的研究
    塑料瓦楞板本身就是结构设计的重要性的体现。通过合理的结构设计,可以达到提高强度,均匀扩散荷载,避免应力集中等目的。处处等壁厚、圆弧或斜角过渡是塑料瓦楞板结构设计中必须遵循的原则,而改变横截面的形状是得到不同力学性能塑料瓦楞板的主要方式。
    在结构设计方面,关于瓦楞纸的许多成果值得我们借鉴。例如,如前文所述,有限元方法已经在瓦楞纸板的研究中得到应用,用此方法可以进行静力分析、自然震动分析、屈曲分析、瞬态动力学分析、热应力分析、形状最优化分析等。可以预见,将此方法用于塑料瓦楞板的结构优化中,必将产生良好的效果。
    5. 3  设备与模具的研究
    设备包括配料、混料设备及挤出机和辅机,模具包括机头和定型模。设备的完善程度对塑料瓦楞板外观、尺寸精度、物理性能至关重要。因此,必须不断进行改进以保证设备可靠好用、状态稳定、便于控制,能够准确有效地实现塑料瓦楞板生产的各项工艺参数及要求。
    5. 4  生产工艺的研究
    生产工艺包括从原料到最终产品的全部过程中的加工程序、工艺参数、操作方法等。在塑料瓦楞板工艺控制中,关键是控制成型各阶段的温度、压力及速度。

 

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