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中空板研究方向
發表時間:2013-4-15  文字 〖 〗  閱讀次數:2318   
   1998 年,美國、加拿大及歐盟等國家限制中國木質托盤包裝箱出口,提出熏蒸檢疫等既繁瑣又增加成本的難題。2003 年,歐盟出臺《報廢電子電氣設備指令》和《關于在電子電氣設備中禁止使用某些有害物質指令》, 加快了全球電子產品使用環保型包裝的進程[1 ] 。我國是一個森林資源十分匱乏的國家,減少森林的砍伐,維護生態平衡,是我國保證可持續發展的長期國策。采用減少木材消耗的代木包裝,被列為國家的一項產業政策[2 ] 。中國怎樣順應無毒、環保這一世界潮流,已經成為當前亟待解決的問題。大力發展塑料瓦楞板是解決這一問題的途徑之一。
        塑料瓦楞板又叫塑料中空板、萬通板、波紋板、波浪板、雙壁板,是一種具有類似瓦楞紙形狀特點的塑料異型板材。
        目前生產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兩種方法[3 ] ,一種是在單臺擠出機上同時擠出芯材和平板,在機頭的流道中將熔體分為3 層,上下層成型平板,中間層成型塑料瓦楞板的芯層,為保持芯層和面層的形狀,采用風冷和冷卻輥代替三輥壓光機來定型。另一種是先擠出片材再成型塑料瓦楞板。芯層和面層用不同的擠出機擠出,然后再貼合成制品。
        塑料瓦楞板在生產、生活中已經得到了廣泛的應用,但其理論研究還非常薄弱,本文對塑料瓦楞板的應用與研究進展進行了介紹,為塑料瓦楞板的進一步研究提供了資料。
        1  塑料瓦楞板的優勢
        塑料瓦楞板在很多領域可作為紙板、木板、鋁板、玻璃板等板材的替代產品,由于塑料瓦楞板的塑料材質,決定了它與紙板、木板、鋁板、玻璃相比占有很多優勢。與同樣材質的塑料實心板材相比,塑料瓦楞板有許多獨特的優勢,具體為:
    1) 良好的力學性能。塑料瓦楞板的特殊結構,使其具有韌性好、耐沖擊、抗壓強度高、緩沖防震、挺硬性高,彎曲性良好等優良的力學性能,這些力學性能是瓦楞紙、蜂窩紙板所達不到的。
    2) 質輕節材。塑料瓦楞板的力學性能優良,因此要達到同樣的效果,使用塑料瓦楞板耗材少,成本低,重量輕。
    3) 隔熱/ 隔聲。由于塑料瓦楞板的中空結構,使其傳熱、傳聲效果明顯低于實心塑料板,有良好的隔熱/隔聲功能。
    4) 縮短加工時間。壁厚過大會延長模塑時間[4 ] ,據計算,壁厚增加1 倍,冷卻時間增加4 倍。塑料瓦楞板將提高機械強度的方法由增加壁厚改為薄壁組合,提高了加工效率。
    5) 防靜電或導電。采用改性、混合、表面噴涂等方法可以使塑料瓦楞板具有防靜電或導電的性能[5 ] 。
    6) 化學性能穩定,可以防水、防潮、防蟲蝕、防腐蝕,與瓦楞紙、蜂窩紙及木板相比具有明顯的優勢。
    7) 表面光滑美觀、顏色齊全。
    8) 制造過程污染少,可重復利用。雖然難以降解,但是從原材料到制造到使用的全過程來看,綜合環保效果明顯占有優勢。
    2  塑料瓦楞板的應用領域
    塑料瓦楞板廣泛適用于建材、汽車行業、電子業、廣告業、郵政業等方面。目前,應用最為廣泛的是以下幾個方面。
    1) 零部件周轉箱,儀器周轉箱,飲料周轉箱,農藥周轉箱,精密儀器的內包裝,藥品包裝箱,郵政包裝箱,電子元器件包裝的墊板、隔板等。
    2) 各種箱包、旅游包的襯板。
    3) 廣告裝潢:展示牌、商品標識牌、廣告牌、燈箱、櫥窗造型等。
    4) 防靜電周轉箱,卡板系列產品以其靈活的尺寸、結構變化及優良的防靜電性能更適合電子行業特別是微電子企業使用。
    5) 陽光板:工業、商業、民用建筑的采光棚,溫室、農業、園藝保溫,公路隔聲屏障,公共汽車棚等。
    3  應用實例
    實際應用中,由于生產廠家、生產工藝、原材料、使用目的等的不同,生產的塑料瓦楞板有各自獨特的特點。下面是GE(通用電器) 普特陽光板(中山) 有限公司生產的以PC 為原料的普特陽光板的技術特性。
    3. 1  質輕
    陽光板單位質量輕,安全不易破碎,易于搬運、安裝,可降低建筑物的自重,簡化結構設計,節約運輸、安裝費用,減少投資。對同等厚度陽光板和玻璃板的單位面積質量進行比較,具體結果見表1。
    3. 2  耐沖擊性能
    由PC制成的陽光板有極佳的抗沖擊性能,且能在相當寬的溫度范圍內( - 40 ℃~120 ℃) 長時間保持良好的抗沖擊性能,可以防止在運輸、安裝和使用過程中破碎。
    3. 3  透光性
    無色透明的陽光板有很高的透光率。透光性不會因使用時間而降低,著色的陽光板可以減少熱量聚集,獲得適宜的室內溫度,并且能阻擋太陽光中最強的部分,從而使透過的光線柔和。
    3. 4  隔音性能
    陽光板是良好的隔音材料,在國際上是高速公路隔音的首選材料,與相同厚度的玻璃相比,隔音性能提高3~4 dB。上海市內環線高架天橋、北京三環快速路隔音屏障都采用了陽光板,路段交通噪音下降17 dB ,隔音效果非常顯著。
    3. 5  節能性能
    陽光板的特殊中空結構,使其與普通玻璃和其它塑料相比有更低的熱導熱率( K) ,從而使熱量損失大大降低。無論是冬季取暖,還是夏季調溫,都可以有效降低能量耗費,有顯著的經濟效益和社會效益。表3是不同材料的熱損失值K 單位為W•(m2•℃) - 1 。
    3. 6  防結露性能
    空氣中的水分遇上低于其露點溫度的表面時會發生凝結現象,凝結的水滴會降低材料透光率,在園藝和工業中,水滴會對下面的植物或一些儀器設備造成損傷。通常高K 值的材料易發生水分凝結現象,如玻璃在室外溫度為0 ℃,室內溫度為23 ℃,相對濕度為40 %時,內表面就會結露,而陽光板的相對濕度要達到80 %時內表面才會結露。
    4  研究進展
        目前,塑料瓦楞板的研究成果主要集中在加工方法和應用兩個方面,特別是應用領域的拓展方面。郭海針、程華文研究了CAN 局域網在中空板生產中的適用性,并給出了基于CAN 總線的中空板生產線控制方案[6 ] 。梁衛東分析了廣泛用于建筑中的寬型塑料中空墻板的擠出模具設計與制造工藝[7 ] 。張振寬等研究了以PE中空板代替鍍鋅鋼板在冰箱下地板上使用的可行性,以及在生產中出現的問題和解決方法[8 ] 。廖玄戈發明了一種保溫隔熱耐候高強度復合塑料中空板[9 ] ,提供了一種自身搭接或自身板材和其他類型板材搭接配合都方便快捷的保溫、隔熱及耐候性能好、強度高的復合塑料中空板。扈響亮等發明了一種雙層鈣塑瓦楞板及其制造方法和熱粘合機[10 ,11 ] 。付連祥發明了一種承壓式塑料中空薄壁格子板太陽熱水器[12 ] ,采用一種耐高溫、高強度、優質、無毒無味塑料制成的塑料瓦楞板作為集熱板芯,有效地利用了塑料瓦楞板薄壁、價廉、力學性能優良等優點,在成本降為真空管熱水器成本的1/ 8~1/ 10 的同時,單位采光面積日產40 ℃熱水量提高一倍。李瑞盛等發明了郵政包裝箱用塑料中空板及其制造工藝[13 ] ,采用聚乙烯或聚丙烯為原料,具有重量輕、防潮、防震、成本低、承載強度大、抗壓強度高等優點,解決了現有包裝箱所用材料壽命短、成本高、重量重等缺點。方德軍發明了一種折疊式塑料中空板周轉箱[14 ] ,具有用料省、加工工藝簡單、壽命長、強度大、成本低、折疊方式簡單、折疊后所占空間小等優點。
        塑料瓦楞板與瓦楞紙有極其相似的幾何形狀,但瓦楞紙的理論研究比塑料瓦楞板成熟很多,因此,瓦楞紙的研究成果對研究塑料瓦楞板非常有借鑒意義。國內外學者常用于分析瓦楞紙板性能的方法是通過進行大量實驗,對得出的實驗數據進行分析,找出瓦楞紙板具有的基本特征,利用數值分析的方法建立數學模型,再使用優化方法對模型參數進行識別[15 ] 。這種方法費時、費力又浪費資源。隨著計算機的發展,有人嘗試用有限元法對瓦楞紙板進行分析,并取得了一定成果。
        M. E.Biancolini 研究了用有限元法計算瓦楞紙板硬度的方法[16 ] 。Poorvi patel 等人用有限元法研究了軸向應力下, 塑料瓦楞板的局部彎曲和塌陷問題[17 ] 。
        Tomas Nordstrand 分析和檢測了瓦楞紙板變形后的情況[18 ] 。Ulf Nyman 和Per Johan Gustafsson 研究了判定瓦楞紙材料和結構失效的依據[19 ] 。劉伯利用有限單元法分析瓦楞紙板的力學性能[15 ] : 運用ANSYS 建立了近似瓦楞紙板的實體模型;模擬實驗條件,對模型施加邊界約束,把實體模型轉換為有限元的數學模型,并利用屈曲分析,對瓦楞紙板豎向邊壓的臨界載荷進行計算;通過求解,獲得了瓦楞紙板結構豎向邊壓壓潰的臨界載荷,再利用通用后處理器,繪制了大量的應力云圖并對實驗結果進行了對比。朱東紅針對紙箱受壓時,棱角處承載能力最大,對傳統的四角四立面0201型紙箱進行改進,使其增加棱角及受力面,從而達到提高抗壓強度的目的[20 ] 。朱麗萍等以瓦楞紙箱為材料,較系統地研究了紙箱尺寸、瓦楞方向、接合方式和紙板材質等因素對紙箱抗壓力的影響[21 ] 。郭娟等研究了一種新型組合結構的4 層雙拱瓦楞紙板。通過大量的分析及對該新型紙板的各項性能測試得出了較理想的結果[22 ] 。
        塑料瓦楞板屬于中空異型材的一種,因此,除對塑料瓦楞板的直接研究以外,由研究中空異型材得出的所有結論,都可以經過改造而應用于塑料瓦楞板的生產研究中。
    5  研究方向
        綜上所述,塑料瓦楞板的實際應用已經取得了一定的成果,但有關塑料瓦楞板的理論研究較少。為了指導塑料瓦楞板的生產和革新,有必要對塑料瓦楞板開展一系列的理論研究。
    5. 1  材料及配方的研究
        對塑料瓦楞板來說,原材料及配方的設計關系到生產的穩定性及塑料瓦楞板的質量,是塑料瓦楞板質量的決定性因素之一[23 ] 。配方設計的目的是優選助劑,合理搭配并最終達到配方構成的低成本、高性能。配方合理的基礎上還要求樹脂和助劑質量可靠,即使只有一種原料出現問題,也會使塑料瓦楞板的質量受影響,甚至不合格。
        另外,更換材料也是一種很好的創新思路。塑料瓦楞板的創意本身就是在瓦楞紙的基礎上更換材料而來的?梢灶A見,將橡膠、鐵、陶瓷以及復合材料等制成類似塑料瓦楞型的產品也將取得獨特的效果。
    5. 2  塑料瓦楞板結構的研究
        塑料瓦楞板本身就是結構設計的重要性的體現。通過合理的結構設計,可以達到提高強度,均勻擴散荷載,避免應力集中等目的。處處等壁厚、圓弧或斜角過渡是塑料瓦楞板結構設計中必須遵循的原則,而改變橫截面的形狀是得到不同力學性能塑料瓦楞板的主要方式。
        在結構設計方面,關于瓦楞紙的許多成果值得我們借鑒。例如,如前文所述,有限元方法已經在瓦楞紙板的研究中得到應用,用此方法可以進行靜力分析、自然震動分析、屈曲分析、瞬態動力學分析、熱應力分析、形狀最優化分析等?梢灶A見,將此方法用于塑料瓦楞板的結構優化中,必將產生良好的效果。
    5. 3  設備與模具的研究
        設備包括配料、混料設備及擠出機和輔機,模具包括機頭和定型模。設備的完善程度對塑料瓦楞板外觀、尺寸精度、物理性能至關重要。因此,必須不斷進行改進以保證設備可靠好用、狀態穩定、便于控制,能夠準確有效地實現塑料瓦楞板生產的各項工藝參數及要求。
    5. 4  生產工藝的研究
        生產工藝包括從原料到最終產品的全部過程中的加工程序、工藝參數、操作方法等。在塑料瓦楞板工藝控制中,關鍵是控制成型各階段的溫度、壓力及速度。
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