PVC发泡复合建筑模板调研报告(陈腊梅,王悦荟)

摘要:木塑复合材料是指将生物质纤维加工后,与热塑性塑料进行混合成型制备而成的复合材料,而硬质低发泡PVC板更有“合成木材”的梅城,在我国“以塑代木,节能环保”的指导思想下,市场前景巨大。但是,如何制备符合用户要求的建筑模板,在天亿新材料公司还是一个需要攻克的问题。为研究PVC发泡建筑模板的配方改进以及力学性能,我们查阅文献,实地观摩,对PVC发泡板有了较为深入的了解。然后与工程人员一起积极探讨,提出三种结构改进方案,四种配方改进建议,供工作人员参考。与此同时辅助工程人员进行了大量力学性能测试实验,且将密度-弹性模量模型应用到ANSYS有限元分析中,对解决问题起到重要的指导作用。

关键词 PVC发泡建筑模板结构改进


1.PVC发泡建筑模板

所谓PVC塑料模板,是以聚氯乙烯树脂为主要材料,以发泡剂、碳酸钙、加工助剂等为辅助材料,经过挤出工艺制成的一种用于混凝土结构工程的模板。

PVC塑料模板的主要特点:力学性能优异,化学性能稳定,不怕虫蛀,不生霉菌,吸水率低,周转次数高,废旧模板和边角料100%回收利用;生产工艺比较成熟,与木模板一样可锯可钉可刨,施工操作简单。

基于PVC塑料模板具有以上特点,塑料模板在建筑工程上得到了广泛的推广应用。

本文研究的PVC夹心塑料模板是使用三层结皮工艺生产,皮层是硬质PVC,芯层是发泡层。

1.1原料

1.1.1PVC(聚氯乙烯)

PVC材料作为合成材料中产量、用量最大的品种之一,具有非常优良的综合性能,如阻燃、绝缘、耐酸碱、耐磨损等,而且成本低廉、原材料充足、废旧产品大部分可回收利用,在日用品、外包装、建筑行业、农业、电子等领域应用广泛。

虽然PVC材料的综合性能很好,但缺陷也很明显,主要有如下几点:

(1)  耐老化性差:在光、氧气的综合作用下将缓慢分解,在80℃左右就开始释放HCl气体,该温度远低于材料的加工成型温度,同时对已成型材料的日常使用也产生较大影响。正因为这样,研究PVC 材料的抗老化性能在该材料的发展中一直处于重要位置。

(2)  耐热性差:PVC树脂在高温时易分解,当温度高于100℃时,开始分解并释放HCl,其分解速度随温度的提高而加快,同时,该材料受力时会变软,出现流动性,因此在加工时需掺加稳定剂。

(3)  抗冲击性能差:硬质PVC 抗冲击性较差,易发生脆断,PVC板材一般选用软质材料,以发泡挤塑工艺成型。

1.1.2轻质活性碳酸钙

碳酸钙作为PVC中的填料,是所有填料中用量最大、使用最普遍的一种材料。作为塑料中使用的碳酸钙,种类较多。一般分为轻质碳酸钙、活性碳酸钙和重质碳酸钙;从表面活化剂来划分,有硬脂酸活化碳酸钙和钛酸酯偶联剂活化碳酸钙。作为改性填充剂,在提高制品的弯曲强度和弹性模量方面,作用明显。

轻质活性碳酸钙能够均匀地分散在PVC基体中,与基体界面间无明显间隙,起到填充增强的作用;但当碳酸钙添加量增多后,多余的粒子在基体中分散困难,易产生粒子团聚现象,容易引起体系的应力集中。且添加过量的碳酸钙对生产体系造成不可逆转的影响。

1.1.3发泡剂

发泡剂的配方非常重要,它影响到产品的质量和成本。常用的化学发剂分为有机发泡剂和无机发泡剂两类。无机发泡剂中最常用的是NaHCO3。有机发泡剂中AC(偶氮二甲酰胺)发泡剂以其发气量高,分解产物无毒等优点而成为目前应用最广泛的发泡剂。AC发泡剂由于热分解温度高、分解剧烈、易产生泡孔合并现象,在木粉/PVC复合材料加工时会导致木粉降解烧焦,因此必须添加一些助发泡剂对其进行活化以降低它的热分解温度,使分解温度与PVC挤出温度相适应(可降到160℃一175℃)。常用的助发泡剂种类有:三盐基硫酸铅、二盐基亚磷酸铅、硬脂酸钙、硬酷酸锌、ZnO等。

发泡剂的增加,能有效降低模板密度,降低产品重量,但是模板力学性能、弯曲强度和弹性模量都有明显下降。由于硬质聚氯乙烯熔体强度低、流动性差,很难保证泡孔的均匀性和稳定性,特别是当发泡剂添加量增加时,低熔体强度的熔体很难有效包裹气泡,泡孔很容易坍陷,在模板芯层形成大泡孔甚至空洞,严重影响模板力学性能。

塑料模板的发泡质量直接影响最后产品的力学性能。好的发泡质量是芯层泡孔密细多,且发泡均匀。如果熔体强度不够,容易使泡孔合并,形成大泡孔,就会使得塑料模板力学性能下降。我们使用白发泡剂和黄发泡剂配合使用,在调整模板密度时发现,增加发泡剂用量能有效降低产品的密度,但是由于发气量的增加,熔体强度不足,制品的弯曲强度和弹性模量会下降。

1.1.4发泡调节剂

在PVC发泡制品中,加入超高分子量聚合物的目的:一是为了促进PVC的塑化;二是为了提高PVC发泡物料的熔体强度,防止气泡的合并,以得到均匀发泡的制品;三是为了保证熔体具有良好的流动性,以得到外观良好的制品。由于不同的发泡制品生产厂家的产品不同,所用的设备、工艺、原料及润滑体系均有差异,因此我们开发了具有不同性能的发泡调节剂,以满足用户的不同需求。

发泡调节剂分为外润滑剂和内润滑剂,外滑有利于脱模,对板材表面的光洁性有好处,外滑太少,挤出机5区温度不易控制,易升温,这会导致合流芯温度高,板材中间出大泡、串泡、发黄等问题,板材表面也不光滑;外滑多,析出会变得严重,表现在模具内的结构和板材表面外滑的析出,也会表现为某些个别现象在板面上不定期的来回移动。内滑有利于塑化和熔体的流动性,内滑不足板面难以控制厚度,表现为板材中间厚两边薄;内滑多,易出现合流芯温度高的现象。

 PVC发泡调节剂实际上也是丙烯酸酯类加工助剂,它具备PVC加工助剂的所有基本特点,与PVC通用加工助剂的唯一不同就在于分子量,PVC发泡调节剂的分子量要远高于通用型加工助剂。

1.1.5热稳定剂

目前木塑复合材料还没有开发出专用的加工助剂,在使用上仍然使用纯PVC树脂的加工助剂。热稳定剂主要有以下三类:

(1)铅盐类热稳定剂

铅盐类稳定剂是PVC最早使用的热稳定剂,现仍然在大量使用,主要品种有三碱式硫酸铅、二碱式亚磷酸铅及二碱式硬脂酸铅稳定剂。

铅盐稳定剂的优点是耐热性良好,电绝缘性优良,具有白色颜料的性能,附着力大,耐候性良好,价格低廉。缺点是所得制品不透明,毒性大,有初期着色性,不耐硫化,相容性和分散性略差,在生产过程中所排含铅废度水,严重影响环境,随着环保事业的发展及我国加入,它的生产和应用也越来越受限制。

(2)金属羧酸盐热稳定剂

这类热稳定剂主要是由脂肪族羧酸盐和芳香族羧酸盐按不同比例复合而成的一类稳定剂。固体金属羧酸盐通常由硬脂酸盐或月桂酸盐组成,液体金属羧酸盐一般由不饱和酸(油酸)盐或由分子链较短的羧酸的盐类组成。固体金属羧酸盐常被称为金属皂。

这类稳定剂热稳定性能一般,但是透明性与润滑性较铅盐类稳定剂好,通常与铅盐类或有机锡类稳定剂配合使用。近年来,钙锌稳定剂是复合稳定剂中最常用的品种。

(3)有机锡热稳定剂

常用的有机锡类热稳定剂有三大类:

1)肪酸盐类:主要是指二月桂酸二丁基锡、二月桂酸二正辛基锡等。该系稳定剂商品以月桂酸盐为主,特点是有优良的透明性、耐热性、耐光性和润滑性,但单独使用时有初期着色和黏辊现象。为了弥补这些缺点,通常是和锌系、有机锡马来酸酷系、有机锡硫醇盐系化合物并用。

2)马来酸盐类主要是指马来酸二丁基锡、双马来酸单丁酯(二丁基锡、马来酸二正辛基锡等)。该系稳定剂有卓越的耐热性、透明性和良好耐光性,缺点是没有润滑作用,加工时发黏。用于软制品时有喷霜现象,还略有臭味。

3)硫醇盐类:将至少含有一个Sn-S键的有机锡化合物称为有机锡硫醇盐和含硫的锡热稳定剂,其中双硫基羧酸酷用量最多。有机硫醇盐能与氯化氢反应,或者通过取代反应使氯化氢在引发点消失,同时也具有协助阻止自动氧化的作用。由于有机硫醇盐具备这两类功能,表现出优异的热稳定性,是目前稳定剂中性能最好的品种。二正辛基二基锡是该系的无毒稳定剂,其无毒性也分别得到美国FDA,西德BGA、英国BPF、日本HPA等机构的承认。

有机锡热稳定剂的最大特点是耐热性强。有机锡硫醇盐具有极好的高温色度稳定性和长期动态稳定性,与金属羧酸盐或铅盐稳定剂相比,可明显降低熔融黏度,所以有机锡是目前加工硬质PVC的最好稳定剂。有机锡稳定剂通常价格较高,该品种在美国使用较多,国内较少使用。在美国甲基锡用量较多,日本丁基锡类使用较多,而欧洲辛基锡类更普遍一些,这是欧洲认可的标准无毒稳定剂。

4)有机辅助热稳定剂:如亚磷酸壬基酯,通常用于美国食品和药品管理局所批准的那些非毒性应用中,这是被环保及绿色包装人士所公认和提倡的。这类稳定剂的特点是热稳定效率较高、无毒,美国在这方面发展较快,而我国在这方面应用较少。

从PVC热稳定剂使用和发展来看,美国PVC热稳定剂的构成较为合理。美国在热稳定剂无铅化方面走在世界的前列,有毒的(铅盐类)稳定剂使用较少,日本虽然加紧了无毒稳定剂的开发工作,但还未见成效,铅盐类热稳定剂的用量依然偏高。我国已开始限制铅盐类稳定剂的使用,重点开发复合型钙/锌稳定剂和稀土热稳定剂来替代有毒的铅盐稳定剂,解决铅盐对环境的污染问题。目前,有机锡类稳定剂国内一直较少生产和使用,铅盐类稳定剂仍然是我国用量最大的热稳定剂体系。

1.1.6木粉

木粉作为唯一具有长径比,呈纤维束状的材料,对PVC木塑模板的贡献主要在于增加产品的刚性和弯曲弹模。木粉不易过细也不易过粗,以50~60目为宜。木粉过细,失去了自身拥有长径比的优势,微观结构呈现为球状而不是纤维束状,失去对刚性和弯曲弹模的贡献;木粉过粗,木粉分散性差,与树脂机体相容性变差;木粉填量不宜过多,否则木粉聚集现象加剧,颗粒引起的应力集中及产生的缺陷几率加大,材料受到冲击后不能很好分散外应力,从而大大影响了材料的韧性。

1.2加工工艺

图1.1:挤出加工工艺流程图

木塑复合材料的研究在国外己经有近百年的历史。从发明酚醛树脂开始,人们采用模压法将其与木粉复合制成“电木”材料。随着塑料助剂、挤出设备的不断开发以及人们对保护森林资源等环保问题关注,开发生产新型木材替代品的呼声也越来越高,因而世界上一些知名的大公司也纷纷的参与进来。我国从上世纪年代开始研制热塑性塑料与木粉复合制作木塑复合材料,但在产品外观质量,力学性能及设备制造上与国外有一定的差距。

木塑复合材料工业化生产中所采用的主要成型方法有挤出成型、热压成型和注射成型。由于挤出成型加工周期短、效率高、成型工艺简单,它在工业化生产中与其它加工方法相比有着更广泛的应用。从国内外普遍采用的木塑复合材料生产工艺来看,木塑复合材料的挤出成型主要可分为一步法卜和两步法降”。采用一步法,即直接使用同向平行双螺杆挤出机进行木塑复合材料的混合与成型。两步法,即先进行共混造粒,再进行成品挤出。目前国内外工业化生产所采用的主要是两步法。

木塑复合材料挤出工艺中所用的加工设备主要有单螺杆挤出机、异向锥型双螺杆挤出机、同向平行双螺杆挤出机等。

单螺杆挤出机设备简单,投资少,常用两步法来生产木塑复合材料。即先用一台挤出机造粒后再用另一台挤出机挤出成型。这是因为单螺杆挤出机混合、输送及塑化能力较差,对于结构篷松的木粉等植物纤维不易喂料,因此常规的单螺杆挤出机在木塑复合材料挤出过程中受到较大的限制。经改进后的如采用销钉型排气式单螺杆挤出机可用一步法生产木塑复合材料。

异向锥型双螺杆机被称之为低速、低能耗“型材”型设备,采用非组合式螺杆。与一般锥型双螺杆机比,为适应热敏树脂加工要求,有许多新的特点和要求,要求螺杆设计能适应较宽的加工使用范围,对木纤维切断少,树脂少时仍能使木纤维均匀分散和物料完全熔融。由于木粉、植物纤维比重小、填充量大,加料区体积比常规型号的大和长。若木粉、植物纤维加入量大,熔融树脂刚性大,要求耐高背压齿轮箱,螺杆推动力强,采用压缩和熔融快、计量段短的螺杆,确保木纤维停留时间短,防止其断裂和性能劣化。

同向平行双螺杆挤出机为高速、高能耗配混型设备,一般为组合式螺杆。目前同向平行双螺杆挤出机为木塑复合材料造粒的主要加工设备。挤出机依靠正位输送原理输送物料,螺杆中设的捏合盘对物料有很好的剪切、分散作用。通常设有两段排气,能够充分地排除木粉中的可挥发成份。木粉用量相对较低时,物料在双螺杆中停留时间短,不会出现木粉烧焦。它也可适用于高含水的植物纤维与塑料一起造粒,是一种理想的造粒设备。

1.3发泡方法

木粉用复合材料发泡方法有多种分类方法。根据使用发泡剂类型的不同,为自由发泡法和可控发泡法。

(1)自由发泡法:如图1.2的左图所示,含有发泡剂的熔体离开模口之后,开始自由膨胀,在距离口模一定范围内,通过定型装置获得所需形状和不同发泡密度要求的发泡制品,如图1-2所示。这种发泡制品横截面上的密度大致相同,周边有密实但很薄的外表皮包围。管材、板材、型材在适合的工艺条件下都可由自由发泡法成型。目前比较一致的观点是,自由发泡法应用往往限于较小截面的制品,截面积一般小于3000mm2,主要是薄壁件。


图1.2:发泡方法示意图

(2)可控发泡法(又称结皮发泡):如图1.2的右图所示,定型装置与口模直接相连,其外轮廓与口模相同。这种定型的结果是使含有发泡剂的熔体,一离开模口,整个挤出物表面迅速被冷却,阻止了挤出物表层泡孔的形成以及挤出物横截面上的任何外形尺寸胀大现象。同时,口模内的模芯所产生的空腔在定型过程中被熔体形成的泡孔所充满,这种发泡制品横截面上密度变化很大,芯部密度低,外表层密度高。这种方法同样可以生产管材、板材和型材,而且结构和强度等要比自由发泡好,所以常常用来制造满足不同要求的PVC低发泡结构材料,而且可控发泡允许制品横截面积大于3000mm2,有的可以超过30000mm2。木粉/PVC复合材料通常采用这种发泡方式。


2.PVC发泡板材配方调研研究总结

2.1泡孔结构对材料性能的影响

关于发泡材料的结构研究有两个方向:一是泡孔形态学研究,就是研究泡孔结构与材料的宏观性能之间的关系。二是有关物理化学方面的研究,就是研究聚合物基体材料、发泡工艺、发泡剂、填料与泡孔结构的关系。

2.1.1发泡材料的密度

发泡材料的密度变化范围很大,从3kg/m3到900kg/m3不等,发泡材料的表观密度对材料的力学性能,如拉伸强度、压缩强度、弹性模量等有较好的线性关系。所以发泡材料的表观密度是表征聚合物泡沫材料的最基本参数之一。

发泡材料是气体填充聚合物的两相共混物体系,所以其密度由材料中聚合物、气体所占比重决定。气体在发泡体中的体积分数G介于99.55%和10%之间。

(2)密度和壁厚的关系

在上面密度与炮孔尺寸的讨论中,我们假定其壁厚δ是常数,实际上壁厚δ通常不是常数,而是密度的一次函数。

2.1.2泡孔尺寸与材料的性能

表征泡孔尺寸的数据主要是:Nc-单位体积中气泡的数量,Nc在衡量成核剂效率和气泡结构的均一性时尤为重要,Nc与泡孔直径的关系为:

发泡材料的其他条件(如化学成分、密度、泡孔的闭孔率等)相同时,泡孔的尺寸对发泡材料的性能有相当大的影响。例如,无论对软质还是硬质泡沫塑料,研究结果表明,泡孔的尺寸增加可引起材料的弹性模量增加。

2.2加工工艺参数对材料性能的影响

工艺参数对发泡板的最终性能也有着重要的影响,直接影响板材的质量的好坏,如塑化程度、制品密度、表面光洁度、结皮厚度等。

2.2.1螺杆转速

螺杆转速对制品密度有很大影响。首先,螺杆转速决定了PVC熔料所受剪切力的大小。从而影响到PVC熔体的粘度。熔体粘度对发泡制品的密度起着至关重要的作用。其次,转速造成剪切生热使物料温度升高。这对发泡剂的分解剂PVC的降解稳定有影响,同时也对熔体粘度有影响。还有挤出压力与转速有关。而挤出压力对发泡制品性能的影响不容忽视。所以,过高的转速很可能造成发泡材料泡孔结构不均匀和表面粗糙度等毛病。相反,过低的转速不仅降低生产效率,还会不利于物料熔融塑化及均匀发泡。因此,选择合理的转速非常重要。

一般地,在相同的配方下,相同的其他工艺条件下,只改变螺杆转速,随着螺杆转速的变化,制品密度先随之增大而减小后来又随之增大而增大,这是因为螺杆转速较小时,物料在机筒内的滞留时间较长,发泡剂分解程度大,容易出现气体逸出或并泡现象,使泡孔数目减少,泡孔结构较差,从而制品密度减小;螺杆转速较大时,物料滞留时间较小,发泡剂分解程度小,发气量不足,使形成的泡孔数量多,但泡孔尺寸太小,另外转速太快时,将使塑化不均匀而造成一部分气体逸出,从而产品密度将增大,因而挤出加工过程中的最佳转速为30-40r/min。

2.2.2模具温度

当口模温度的设置温度偏低时,产品表面结皮层较厚,表面光洁度好,但产品密度高。反之,如果口模温度设置偏高,产品密度降低,但产品表面光洁度相对较差,洁皮层变薄。由于挤出生产硬质PVC低发泡材料的关键在于控制泡孔的形成。发泡剂受热分解所产生的气体,在机筒内的高压下溶解在熔体中,形成过饱和液。气体呈高度过饱和状态是一种非稳定状态,易在熔体中形成气泡核,如果挤出物内生成的泡核不足,则形成的气泡就少,因此,在挤出发泡过程中,要求熔体的流变行为、发泡剂的分解与泡核的形成、膨胀相适应。这很大程度上受挤出温度的控制。因为挤出温度对PVC熔体的粘性、弹性以及对气体在熔体中的溶解度和扩散速度都有密切联系。

2.3PVC发泡配方总结

2.3.1PVC发泡板填充物建议

(1)粉煤灰

粉煤灰可以有效增加板材的弹性模量和强度。粉煤灰填充PVC的机械变化规律与碳酸钙填充PVC大体相同,填充量越大,材料的硬度、弹性模量和弯曲强度越大。同时,粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物,粉煤灰中含有大量理想玻璃微珠。它的使用可以有效降低模板成本。且经百度搜索之后,发现淄博市的电厂产生大量粉煤灰,采用粉煤灰当填充物也比较符合当地的情况。


图2.1:淄博博山电厂大量粉煤灰

(2)碳粉

通过对提供的黑色硬质层的观察,其弹性较好,但承压容易变形,为满足其在工程上变形量与价格的要求,因此猜测其芯层与表层采用不同的配方,两者的力学性能各有优势,表层具有较高的韧性和冲击强度,芯层弹性模量和硬度较高,可以承受较高的载荷,良好的抗变形能力。表层PVC材料生产时不添加或者添加少量碳酸钙,以碳粉为填充剂,芯层仍然采用原有的PVC+碳酸钙的原料配方,使整体的抗变形能力提高,并且有效降低成本。附件中文献《碳纤维增强PVC复合材料的制备工艺和力学性能》中指出,采用碳纤维可极大的提高材料的冲击强度,但碳纤维较为昂贵,碳粉较为便宜,并且有工程运用先例(矿用PVC管),故可采用碳粉来改善PVC的力学性能。

图2.2:碳粉

(3)废旧轮胎橡胶

黑色硬质层弹性较好,但承压容易变形,轮胎的原料橡胶的弹性较好,可以有效增加弹性模量和抗弯能力。废旧轮胎是汽车工业的主要废弃物之一,它的使用可以有效降低模板成本。

图2.3:废旧轮胎

2.3.2 PVC发泡配方改进建议

表2.1:PVC发泡改进配方

原料类型

原料名称

含量

木材

木粉

30份

塑料

PVC

100份



热稳定剂

三盐基性硫酸铅

3份

二盐基性硫酸铅

1.5份

硬脂酯铅

0.5份

硬脂酸钙

0.4份

硬脂酸

0.8份

偶联剂/

相容剂

聚乙烯蜡

0.3份

丙烯酸酯类共聚物

5份

抗冲击改性剂

氯化聚乙烯

6份

润滑剂

CaCO3

15份

发泡剂

AC发泡剂

0.9份


颜料

铁黄

0.31份

铁棕

0.15份

(2)改进建议2

表2.2:木塑PVC改进配方1

材料

份数

占比(%)

占PVC比例

PVC

50

40


钙粉

15

12


木粉

40

32


稳定剂

3

2.4

6

硬脂酸

1

0.8

2

PE蜡

1.2

0.96

2.4

CPE

10

8

20

ACR

4

3.2

8

颜色

0.3




(3)改进建议3

表2.3:木塑PVC改进配方2

材料

份数

占比(%)

占PVC比例

PVC

42

43.1


废旧PVC

12.5

12.8


钙粉

25

25.6


木粉

12.5

12.8


稳定剂

1.9

1.95

3.5

硬脂酸

0.35

0.36

0.64

PE蜡

0.4

0.41

0.73

CPE

2

2.1

3.67

ACP

0.8

0.8

1.46

颜色




(4)改进建议4

表2.4:木塑PVC发泡改进配方


PVC

100份

稳定剂(铅盐稳定剂)

4.0份

轻质碳酸钙

50份

PE蜡

0.4份

内润滑剂(氧化聚氯乙烯)

0.6份

AC发泡剂

0.6份

NC发泡剂

1.2份

润滑性加工助剂(LP-175)

1.5份

发泡调节剂(LP-90)

12份

ACR树脂

3.0份

二氧化钛

2.0份

聚乳酸

1.0份

硫酸钡

1.0份

偶氮二甲酰胺

1.0份



3.PVC发泡建筑模板结构改变对力学性能的影响

3.1结构改进方案

PVC发泡板目前处于工艺试验阶段,为获得良好的力学性能,拟对PVC发泡板的分层布置形式进行调整,目前考虑如下三种分层方式:

①1.5mm + 12mm + 1.5mm

② 0.75mm + 6mm + 1.5mm + 6mm + 0.75mm

③2mm + 12mm + 1mm

3.2 ANSYS分析结果

为预测以上三种分层布置形式的力学性能,拟进行有限元模拟分析。根据建筑模版用木塑复合板国家标准GB/T 29500 2013确定试样几何尺寸,已知生产中PVC发泡板的厚度为15mm,因此试样取350mm*80mm*15mm,按照该尺寸在UG8.0中建立几何模型,然后导入workbench 15.0中进行有限元模拟分析。

表3.1:材料属性

材料

密度 t/m³

弹性模量MPa

泊松比

硬质PVC

1.4

3500

0.4

芯层

0.65

172

0.439

载荷施加:上表面中间80mm*30mm矩形区域承受1000N(该数据由历次试验的最大载荷获得)的压载荷。

边界条件:下表面跨距300mm的两端区域施加单纯的压支撑(compression only support)

方案一、1.5mm + 12mm + 1.5mm

图3.1:几何建模



图3.2:应力分布


图3.3:应变分布



图3.4:位移分布



方案二、0.75mm + 6mm + 1.5mm + 6mm + 0.75mm

图3.5:几何建模



图3.6:应力分布


图3.7:应变分布



图3.8:位移分布

方案三、2mm + 12mm + 1mm(受压面1mm,受拉面2mm

图3.9:几何建模

图3.10:应力分布


图3.11:应变分布

图3.12:位移分布

3.3分析和总结

表3.2:分析结果对比

序号

分层形式/mm

试验载荷/N

最大应力/MPa

位置

最大应变/mm2

位移

1

1.5+12+1.5

1000

47.689

下底面

0.013625

15.374

2

0.75+6+1.5+6+0.75

1000

77.683

下底面

0.022195

24.718

3

2+12+1

1000

61.257

上表面

0.017502

16.777

图3.13:分析结果对比


在相同的载荷下,从数值上看,方案一的最大应力以及最大应变最小,但是其位置是均在下表面,而方案三的最大应力位置在上表面,承受压应力,而下底面最大拉应力只有41MPa。因此综合来看,方案二力学性能最差,中间布置的硬质PVC受力较小,支撑效果不显著。方案一变形最小,方案三不易断裂,两种方案均可尝试。


4. PVC发泡板芯层弹性模量与密度关系实验

4.1实验背景

在国家循环经济政策的鼓励和企业潜在效益需求的双重推动下,绿色环保节能建材正成为一个朝阳产业,PVC发泡板作为天亿推出的新材料之一,弹性模量已达到用户要求,但冲击韧性较差,在工地上使用次数达不到预期要求,若添加增韧剂来提高韧性,则需牺牲弹性模量为代价,因此欲提高弹性模量,来更大空间的增加增韧剂的用量,以平衡弹性模量与韧性两者的关系。PVC发泡板由芯层和表面硬层组成,芯层密度较小,力学性能较差,但是厚度大;表皮由结皮工艺产生,密度较大,力学性能较好,但是厚度较小,为保证PVC发泡板整体质量不变,厚度不变,欲改变芯层密度,表层厚度随之发生改变,整体的力学性能也会随之改变。通过ANSYS有限元分析可以从理论上获得随芯层密度和表层厚度变化导致的整体力学性能的变化,但是在给模型赋予材料参数时,由于密度的变化,芯层的弹性模量也随之变化,文献中缺少对该配方下密度与弹性模量关系的研究,因此需进行实验获得不同密度下弹性模量的参数。

4.2实验目的

PVC发泡板芯层弹性模量随密度的关系

4.3实验原理

在规定的实验温度、湿度与拉伸速度下,通过对塑料试样的纵轴方向施加拉伸载荷,使试样产生形变直至材料破坏。记录下试样破坏时的最大负荷和对应的标线间距离的变化情况。(在带微机处理器的电子拉力机上,只要输入试样的规格尺寸等有关数据和要求,在拉伸过程中,传感器把力值传给电脑,电脑通过处理,自动记录下应力—应变全过程的数据,并把应力—应变曲线和各测试数据存储起来。

图4.1:拉伸应力-应变曲线

σt1——拉伸强度;εt1——拉伸强度时的应变;σt2——拉伸断裂应力;

εt2——断裂时的应变;σt3——拉伸屈服应力;εt3——屈服时的应变;

σt4——偏置屈服应力;εt4——偏置屈服时的应变X%;A——脆性材料;

B——具有屈服点的韧性材料;C——无屈服点的韧性材料

4.4试样制备

从PVC发泡板产品上直接切割出样品,选取三组密度,由于制样难度较大,且费时较长,因此每组密度制作3个试样。

图4.2:从产品中切割下的实验样品

PVC发泡板属于硬质热塑性材料,因此按照I型标准制备试样


图4.3:试样国家标准


由于芯层由发泡产生,区别于普通塑料,因此无法通过注塑成型或压制成型获得样品,只能通过机械加工,在试样的制备过程中,芯层与表层的分离采用切割方式,因此厚度不容易控制,且后期通过磨削难度较大,因此厚度较难达到准确的4mm,但理论上弹性模量与厚度无关,因此厚度取4-10mm。

图4.4:试样成品


试样要求

①试样表面应平整、无气泡、裂纹、分层、无明显杂质和加工损伤等缺陷,有方向性差异的试片应沿纵横方向分别取样。

②硬板厚度d<10mm时,以原厚作为试样的厚度;当厚度d>10mm时,应从一面机械加工成10mm。

③测试弹性模量,用厚4~10mm的Ⅱ型试样或用长200mm、宽15mm的长条试样。

④每组试样不少于5个

4.5实验设备

微机控制电子万能实验机;密度测试仪;制样机

万能实验机

①备有适应各型号试样的专用夹具。

②夹具的移动速度应能多级或全程调速,以满足标准方法的需要。

③实验数据示值应在每级表盘的10%~90%,但不小于实验最大载荷的4%读取,示值的误差应在1%之内。

密度测试仪

根据ASTMD297-93,D792-00,D618,D891,GB/T1033,JISK6530,ISO2781标准。采用阿基米得原理浮力法,准确、直读量测数值。

制样机

选用10*150规格制样型号

图4.5:密度测试仪(左)、制样机(右)

4.6实验步骤

1、试样的状态调节和试验环境应按GB1040规定进行。
2、在试样中间平行部分做标线示明标距,此标线对测试结果不应有影响。
3、测量试样中间平行部分的宽度,精确至0.01mm。I型试样中间平行部分的宽度,精确至0.05mm。
4、夹持试样,夹具夹持试样时,要使试样纵轴与上、下夹具中心连线相重合,并且要松紧适宜,以防止试样滑脱或断在夹具内。
5、选定试验速度,进行试验。
6、记录屈服时的负荷,或断裂负荷及标距间伸长。若试样断裂在中间平行部分之外时,此试样作废,另取试样补做。

图4.6:试样的夹持

图4.7:部分断裂试样

4.7数据分析

根据国家标准,进行数据的分析:

执行标准:GB1040

试样类型:I材料名称:PVC发泡板芯层

实验温度:25标距:50mm


表4.1:实验数据汇总

芯层发泡材料的力学性能主要依赖于基体的力学性能、相对密度和表征材料内部几何结构的参数等。对于相对密度小的开孔泡沫材料,可用经验公式拟合密度与弹性模量之间的关系。对于发泡材料,Gibson和Ashby已从大量实验数据总结出相对模量与相对密度间的半经验关系如下:

E/Es=C(ρ/ρs)n=Cpn

其中:Esρs分别为基体材料的杨氏模量和密度;而p = ρ/ρs是相对密度;常数C和n依赖于泡沫材料的内部微观结构,通常n的大致取值范围为1≤n<4。

   PVC发泡板芯层基体材料弹性模量Es=3500 MPa,ρs=1.4 g/cm³,在以上七组数据中,选取三组代表性数据带入模型,获得C与n的数值。

表4.2:拟合提取数据

拟合结果y = 0.265x2.479即 n=2.479   C=0.265

E/Es=0.265(ρ/ρs)2.479=0.265p2.479

图4.8:拟合结果曲线


其中1≤n<4,符合经验公式的要求,获得的相对弹性模量与相对密度的关系较完美的表现了两者的关系,可在后续的有限元分析中加以利用。


5.PVC发泡建筑模板芯层密度与表层厚度变化对整体力学性能的影响

PVC发泡板作为天亿推出的新材料之一,弹性模量已达到用户要求,但冲击韧性较差,在工地上使用次数达不到预期要求。目前欲从结构上进行改进,以平衡弹性模量与韧性两者的关系。PVC发泡板由芯层和表面硬层组成,芯层密度较小,力学性能较差,但是厚度大,对整体的强度起决定作用;表皮由结皮工艺产生,密度较大,力学性能较好,但是厚度较小。为保证PVC发泡板整体质量不变,厚度不变,欲改变芯层密度,表层厚度则必然发生改变,整体的力学性能也会随之改变。通过ANSYS有限元分析可以从理论上获得随芯层密度和表层厚度变化导致的整体力学性能的变化,其中芯层密度与弹性模量的关系已通过实验数据建立的模型获得。

为保证整体质量不变,芯层厚度与表层厚度所占百分比与各自密度的乘积一定,现设定三种方案

①  1.5+12+1.5            (ρ=0.55)

②  1.125+12.75+1.125      (ρ=0.6)

③  0.75+13.5+0.75         (ρ=0.644)

在PVC发泡建筑模板的拉伸实验下,获得的芯层相对密度与相对弹性模量的关系

E/Es=0.265(ρ/ρs)2.479=0.265p2.479

其中ES=3500 MPa, ρs=1.4 g/cm3


根据建筑模版用木塑复合板国家标准
GB/T 29500 2013确定试样几何尺寸,已知生产中PVC发泡板的厚度为15mm,因此试样取350mm*80mm*15mm,按照该尺寸在UG8.0中建立几何模型,然后导入workbench 15.0中进行有限元模拟分析。    

5.1建立几何模型

5.2划分网格

5.3施加载荷

5.4有限元结果分析

方案一:1.5+12+1.5      ρ=0.55)



应力


应变


位移


图5.1方案一应力、应变、位移云图

方案二:1.125+12.75+1.125      ρ=0.6)


应力


应变


位移


图5.2 方案二应力、应变、位移云图

方案三:0.75+13.5+0.75         ρ=0.644)





6.
致谢    

从三种方案的有限元分析结果看,改变芯层密度和表层厚度会对整体力学性能产生较大的影响,在承受相同的压力1000N下,第一种方案的应力应变最小,表示其具有较好的力学性能。

本次社会实践及挂职锻炼在选题及进行过程中得到胡祥书老师的悉心指导。实习报告完成过程中,周童歆老师给予我很大的支持和鼓励。胡老师和周老师严谨求实的态度,踏实坚韧的精神,将使我终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此,谨向两位老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

感谢天亿所有老师对我学习上的帮助和生活上的关怀,正是您们的辛勤工作,才使我得以顺利地完成学业,取得学位。浓浓师恩,终生不忘。感谢天津大学党委宣传部的所有老师对我生活和工作的关怀。在你们的帮助和陪伴下走过的大学岁月,给了我最好的锻炼和最快的成长。

感谢科创所有老师,在我课题研究过程中给予我技术上的极大支持和心理上的鼓励。感谢曹玉鹏和姜鹏,是你们的陪伴让我度过了最难过的时光;感谢吴爽,是你教会了我如何简单地快乐;感谢安莉,是你让我懂得温暖。

感谢浙大所有老师我们一起经历过的聚散喜悲,一起走过的每一段路,我一生都不会忘记。友情的无私为我们的大学时光重重地写下了无悔。

感谢一起实习的小伙伴,尤其是组长陈腊梅同学,给予我工作和生活上的关怀。

一个月的实习生活的生活即将随着实习报告的完成划上句号。最后,我感谢这段时间给过我帮助和关注的所有人。

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