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热处理对PVC发泡复合地板加热尺寸变化率的影响
2019-05-07

聚氯乙烯 (PVC) 发泡复合地板主要是以PVC发泡材料为基材, 在上下表面复合如木皮、UV漆、软木等其他材料制成的地板, PVC发泡复合地板因其质量轻、强度高、防潮、防腐、防霉、脚感良好、价格便宜等优点受到广大消费者的青睐, 应用也越来越广泛[1,2,3]。PVC发泡复合地板因基材是PVC发泡材料故仍呈现塑料的特性, 其中加热尺寸变化率就是一个困扰的问题。按照GB/T 11982.1–2005要求, 复合地板纵、横向加热尺寸变化率均应小于0.4%, 而目前市面生产的PVC发泡复合地板横向加热尺寸变化率一般略高于0.4%, 纵向加热尺寸变化率一般在3%, 纵、横向加热尺寸变化率均不能达到国标要求。

热处理原本是机械制造中的重要工艺之一, 与其他加工工艺相比, 热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分, 而是通过改变工件内部的显微组织, 或改变工件表面的化学成分, 赋予或改善工件的使用性能[4,5]

笔者对PVC发泡复合地板采用低温热处理, 研究了热处理时间、温度等因素对PVC发泡复合地板加热尺寸变化率的影响, 确定了适合工业化热处理的*优工艺。

1 实验部分

1.1 试验材料

PVC发泡复合地板:上表面为UV耐磨层、芯层为PVC发泡基材、底层为软木, 厚度约7 mm, 浙江天振竹木开发有限公司。

1.2 试验仪器

万能试验压机:BY30型, 苏州新协力集团有限公司;

电热恒温鼓风干燥箱:DHG–9030A型, 北京莱凯博仪器设备有限公司;

数显游标卡尺:量程200 mm, 深圳市诚信达精密有限公司;

扫描电子显微镜 (SEM) :S–3400型, 日本电子株式会社;

同步热分析仪:STA490PC型, 德国耐驰仪器制造有限公司。

1.3 试验方法

采用万能试验压机对PVC发泡复合地板进行热处理, 热压单位压力0.05 MPa, 研究了不同热处理温度和时间对热处理效果的影响;为防止表面变形, 热处理后的板材应立即进行冷压, 冷压单位压力约0.02 MPa, 直至冷却至室温。

1.4 性能测试

(1) 加热尺寸变化率。

按照GB/T 11982.1–2005分别对热处理前后板材的加热尺寸变化率进行检测。每种热处理工艺测试3个样品, 取平均值。

(2) SEM分析。

用小刀对PVC发泡复合地板基材 (即芯层PVC发泡材料) 表面进行切片后取样, 然后对样品进行喷金处理后放入样品室进行观测、拍照。

(3) 差示扫描量热 (DSC) 分析。

用小刀对PVC发泡复合地板基材表面切片 (约为1 mm厚) , 进行DSC测试。测试时采用N2作为保护气, 升温速率为10℃/min, 温度范围20~240℃。

2 结果与讨论

2.1 热处理温度对PVC发泡复合地板加热尺寸变化率的影响

表1是处理时间为10 min, 不同热处理温度下PVC发泡复合地板的横向和纵向加热尺寸变化率。由表1可以看到, 未处理的PVC发泡复合地板的横向尺寸变化率为0.44%, 与国标要求的0.4%相差不大, 而纵向尺寸变化率为2.83%, 远超过国标要求, 因此本试验中PVC发泡复合地板主要是纵向加热尺寸变化率不达标, 这是由于基材PVC发泡材料的纵向存在内应力所致。研究中所用PVC发泡材料是通过双螺杆挤出机结皮发泡制成, PVC发泡材料在整个成型过程中经历了以下过程:挤出机加热→机头模具挤出→冷却成型, 在该过程中, PVC分子形态也由无序变为有序, 经拉伸、急速冷却定型[6,7,8], 因而主要在纵向产生内应力, 导致纵向加热尺寸变化率较大。

表1 不同温度热处理下PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率     

表1 不同温度热处理下PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率

对PVC发泡复合地板热处理主要是希望通过热处理消除PVC发泡复合地板的内应力, 使得纵、横向加热尺寸变化率均能满足国标要求。从表1可以看到, 对PVC发泡复合地板进行热处理时横向尺寸变化率减小, 达到国标要求 (小于0.4%) , 但横向尺寸变化率并没有因处理温度的提高而成正比减小, 这可能是由于PVC发泡材料原本的横向尺寸变化率就不是很大, 横向内应力虽然存在但不明显, 热处理后可能消除了部分存在的内应力, 导致加热尺寸变化率减小。

同时从表1可以看到, 热处理温度在80℃以下时, 与未处理的板材相比, PVC发泡复合地板纵向尺寸变化率不但没有减小反而增加, 而地板厚度有略微减小。这主要是低温时PVC发泡材料中“冷冻”的分子还仍处于“静止”状态, 此时虽然压力只有0.05 MPa, 还不足以对板材产生很大的压缩比, 但还是会导致地板厚度略微减小。复合地板厚度的减小, 导致内部应力的继续增加, 因而纵向尺寸变化率有所增加。但在温度超过80℃后, 温度已经达到PVC分子开始塑化的温度, PVC发泡材料中“冷冻”的分子顿时变得极为活跃, 开始剧烈“运动”起来, 从而也导致地板厚度尺寸略微有所增加, 内应力得到释放, 纵向尺寸变化率迅速减小, 远小于国标的要求。

从上述分析可看到, 对PVC发泡复合地板热处理的有效温度应高于80℃, 这可能是由于PVC分子起始塑化点温度高于80℃。热处理温度越高对减小PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率 (尤其纵向) 效果越好。

2.2 热处理时间对PVC发泡复合地板加热尺寸变化率的影响

采用较高温度对PVC发泡复合地板进行处理后, 其加热尺寸变化率 (纵向) 明显减小, 试验中采用120℃和140℃进行处理, 研究了不同热处理时间对加热尺寸变化率的影响, 其结果见表2和表3。

表2 在120℃处理不同时间后PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率    

表2 在120℃处理不同时间后PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率

表3 在140℃处理不同时间后PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率     

表3 在140℃处理不同时间后PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率

由表2、表3可看出, 热处理后PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率均能达到国标要求, 纵向加热尺寸变化率明显减小;随着处理时间的延长, 横向加热尺寸变化率变化不大, 纵向加热尺寸变化率减小。处理相同时间时, 在140℃下处理后尺寸变化率 (无论纵向还是横向) 均小于在120℃下处理后的尺寸变化率, 表明处理温度越高, 效果越好。但温度需低于160℃, 试验中发现采用160℃处理时, 温度已达到PVC的塑化点, PVC发泡材料会完全塑化, 其物理力学性能发生明显的变化, 因此试验中选择了140℃为*高热处理温度。

由此可见, 温度和时间是热处理时两个重要的参数, 在此试验中, 热处理温度越高, 尺寸变化率减小越大;热处理时间延长, 尺寸变化率减小, 但变化幅度不明显, 热处理温度比时间影响显著, 若工业化生产, 希望高温短时间处理即可达标, 从而节约成本, 提高生产效率。本试验中采用140℃处理1 min时, PVC发泡复合地板的纵、横向加热尺寸变化率均能达到0.2%左右, 完全可以达到国标要求, 此热处理方法简单, 易操作, 可满足符合工业化生产需求。

2.3 热处理前后PVC发泡复合地板基材表面形貌变化

对未热处理和140℃处理1 min后的PVC发泡复合地板基材的表面形貌进行分析, 见图1。

图1 PVC基材热处理前后表面形貌

图1 PVC基材热处理前后表面形貌   下载原图


a—热处理前;b—热处理后

由图1可以看出, 热处理前PVC发泡材料泡孔结构多为长方形或椭圆型, 这可能与PVC发泡材料的生产方式有关。试验中的PVC发泡材料采用双螺杆挤出机结皮发泡工艺生产, 强大的牵引力导致PVC发泡材料泡孔结构多为长方形或椭圆型。热压处理后PVC发泡材料泡孔结构多为圆形, 这很可能是因为热处理过程中发泡材料继续发泡, 内应力得到释放。圆形泡孔结构的发泡材料内应力达到平衡状态, 从而纵横向收缩率一致。

2.4 热处理前后PVC复合地板基材DSC分析

图2是未经热处理和140℃处理1 min后PVC基材的DSC测试结果。

图2 PVC基材DSC测试结果

图2 PVC基材DSC测试结果   下载原图


a—热处理前;b—热处理后

由图2可看出, 在DSC测试的温度范围内, 热处理前后PVC的质量保持率基本没有变化, 这主要因为此温度范围还没有达到PVC材料的热分解温度, 因此不会导致质量变化。热处理前PVC基材在80℃时有明显的吸热峰, 这说明80℃是PVC分子的起始塑化温度点, 而经过热处理后PVC基材的起始塑化温度则往后推移, 这可能和热处理后PVC基材继续发泡, 板材的微晶结构发生变化有关。由此可见, 在140℃处理1 min后, PVC发泡复合地板基材表面形态发生了变化, 从而导致了泡孔结构的变化, 因而从宏观上体现为加热尺寸率的变化。

3 结论

(1) 热处理能明显减小PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率;热处理温度在80℃以上对减小PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率有明显的效果, 但处理温度需低于PVC的塑化温度160℃。

(2) 试验中采用140℃处理1 min时, PVC发泡复合地板的加热尺寸变化率均能达到0.2%左右 (低于国标要求的小于0.4%) 。

(3) 热处理后, PVC基材表面泡孔结构发生变化是导致热尺寸变化率减小的主要原因。


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