特别声明：本文引用唐纳德 V. 罗萨多博士，玛琳 G. 罗萨多和尼克 R. 夏特的《塑料技术手册》第一卷，第七章（热成型），以及结合我们多年的实际经验原创而成。如有错误之处，请告知，共同斟酌完善，为塑料加工出一份力。
Declaration: this article is based on the volume 1, chapter 7 (thermoforming) of the “PLASTICS TECHNOLOGY HANDBOOK” by Dr. Donald V. Rosato, Marlene G. Rosato, and Dr. Nick R. Schott, and based on our years of practical experience. If there are any mistakes, please let us know.
塑料热成型技术03_塑料
概述
从字面上来讲，任何塑料都可以被使用。然而，某些类型使其更容易满足某些成型的要求，例如，在一些地方，如角边，进行深拉伸而不会引起撕裂或过度减薄。热成型的简易型基本上取决于所用塑料的类型和最小的塑料厚度公差。某些数量易于成型。
超过重量比80%的热成型塑料是无定形的。苯乙烯类塑料约占热成型塑料的重量比80%。一次性的薄塑料产品约占其消费的三分之二，其余的是厚的永久性产品。
影响热成型的因素包括板材的可用最小公差，目的是最小化板材厚度的变化，以便在板材中得到更均匀的热量。为实现这一点，应消除或尽量所购板材中的针孔，控制拉伸的速度和深度。知道产品的比例深度几何形状与所加工的塑料类型的能力有关。并确实所成型的特定塑料所需的温度曲线。
| 各种塑料的成型温度（℃） | ||
| 塑料板材 | 典型起始温度 | 典型结束温度 |
| HDPE/LDPE | 154 | 49 |
| PP | 166 | 49 |
| PS | 149 | 43 |
| PVC | 146 | 43 |
塑料的成型能力和它们的压力拉伸比有关，压力拉伸比决定了它们的深度拉伸比。拉伸比是成形零件的表面积与原始板材的静初始面积之比。作为该主题的介绍，对于合适的塑料，气动成型的平均拉伸比是3:1。拉深比是成型模具的最大深度与模具上任何给定位置的开口面上的最小距离之比，通常拉深比是1:1。
线性拉伸比是成型产品上划线的长度与未成型的片材上划线的长度比。它是塑料在成型口必须具有的整体单轴伸长量的度量。它只能定义为相对于轴的简单对称形状。这种与温度相关的拉伸比主要用于筛选候选塑料，并帮助确定潜在的成型加工窗口。
所用的热塑性塑料包括许多不同类型，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、乙酸酯、丙烯酸、丁二烯-丙烯腈-苯乙烯和纤维素衍生物。用于热成型的热塑性材料是板片(或薄膜)形式。使用两种类型，其中一种类型比另一种类型更容易处理。另一种类型的例子是聚丙烯，这种塑料后面会提到，以便人们可以理解热成型塑料的不同行为。
所用的板材通常通过挤压生产，少量被压延或铸造。板材可以直接从挤出机进入热成形机，也可以通过中间储存阶段。在储存过程中，板材保持在室温,并在成型前重新加热。这两个阶段的工艺被称为再加热成型或冷成型。可选的单阶段工艺被称为在线成型或热成型。
再加热成形是应用最广泛的工艺，热成型完全独立于板材生产，因此可以留在专家手中。设备的资本成本较低，并且该工艺可以在不同的材料和板材尺寸之间轻松切换。用于再加热成形的材料输入可以是大块卷绕片材或切割片材的形式，选择主要取决于板材厚度。
在线成型将热成型与板材生产结合在一起，两者必须同步进行。热成型的另一个名称有点用词不当，因为挤出的片材到达热成型机时，在通过冷却辊和抛光辊后，只剩下残余热量。在成形之前需要进行再加热，但是在热量的输入和热量的来历方面有一些节约，并且可以控制板材生产线用于生产成型时有一定结晶度的产品。
在线生产已经成功运行，其中来自挤出机的热片材(可能经过更高温度的双辊轧机)直接进入热成形机，带有成型机所需的均匀热量。
通过板材厚度的加热比通过传统的再加热工艺实现的加热更均匀，因此成形容器中的应力水平更低，并且在热灌装或微波加热下的抗变形性更好。在线工艺消除了板材收卷和堆叠站、板材库存和相关处理。它还消除了卷轴上挤出后结晶的风险。工艺废料可以直接返回挤出机，但该工艺相对不灵活，最适合长时间生产和专用产品线。
当挤出和热成型是分开的操作时，供应给挤出的高热能量通过冷却片材而完全损失，热成型的再加热需要额外的热能。在线工艺中，高百分比的能量/热量已经包含在片材中，这将片材调节到成形热，实际上可以节省大约30%到40%。
在线工艺还提供了更均匀的热分布，随后是重量分布，可以在不改变物理性质的情况下减少重量分布。在相同的输出速率下，与单独的操作相比，串联工艺只需要至少一半的占地面积。
属性/性能
所用的热塑性材料是工艺选择中的一个重要因素。特定材料的性质和特性将决定其热成型质量。随着热成型工艺越来越重要，挤出机(压延机等)的重点已经转向专门生产片材以满足热成型市场的需求。
某些类型使得在没有撕裂或过度变薄的区域（如角落）更容易实现深拉伸。成型的难易程度取决于材料的特性。它受最小和最大厚度、针孔、材料在表面和厚度上保持热梯度的能力、施加应力的可控性、拉伸比率和深度、模具几何形状、单轴和/或双轴变形的稳定性，以及最重要的是，最小化板材厚度变化的影响。
以下的热塑性塑料是主要的热成型加工材料：高冲击和高热的PS，HDPE，PP，PVC，ABS、CPET和PMMA，其他较少使用的塑料是透明苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、纤维素、热塑性弹性体（TPE）和乙烯-丙烯热塑性硫化橡胶。共挤结构多达七层，包括EVAL、萨兰或尼龙的阻碍层，聚烯烃和/或苯乙烯的功能特性和合理成本的装饰美学。
一些塑料板拉伸高达600%，其他的只有15%。这种行为直接影响到可以形成什么形状以及它们的质量。那些外表像油灰的只能承受非常小的压力，另一些往往很硬，需要较重的操作设备。压力响应在某种程度上与热拉伸能力有关，但对应关系并不精确。
最有用的可成型塑料没有尖锐的熔点。随着热量的增加,它们逐渐软化。每种材料都有它自己的加热范围，宽的或窄的，在这个范围内它可以被有效地形成。这一特性是形成过程中最重要的因素之一。
因此，一种塑料可能具有135℃至204℃的成型热，而另一种塑料可能在177℃下变得成型需要的足够软，但在204℃下熔化。塑料在给定的温度下可以很好地拉伸，但是如果加热几度或冷却几度，就很容易撕裂。
可成型塑料薄膜（<0.25mm）表现出不同的行为，取决于塑料。例如，聚苯乙烯受热不稳定，需要额外冷却，聚氯乙烯和PVDC是优秀的（没有限制），尼龙是困难的，PCTFE对热和压力波动敏感，HDPE没有支撑膜是困难的，PP有一个非常狭窄的热范围。事实上，聚丙烯在常规的成型热范围内非常不稳定，所以用其它的技术。
常规的PP的主要缺点是在成型热时缺乏橡胶平台区，它只是下垂并散架。开发了一种工艺来形成刚好低于其软化点的聚丙烯，避免了下垂。
所知的固相压力成型（SPPF）,使用压力，通过机械柱塞和压力来改变形状。反过来，研究人员改变聚丙烯以克服其不足。他们开发了性能催化剂和反应器技术来挤出可热成型的板材和薄膜。他们的材料具有橡胶平台区域特性和高动态模量，因此可以在传统的热成型机中加工。
对于很难或不可能成型，却又是理想的塑料也进行了类似的改变，PET就是大量使用的例子，为了使它成型，研究人员生产了结晶聚酯（CPET）。
其他重要的材料是共挤片材，这些多层挤压材料提供物理性质和耐化学性之间的协同作用，它们包括乙烯乙烯醇(EVOH)共聚物和其他物质的阻挡层，包括在室温下具有长保质期的无菌包装食品所需的阻挡层。结晶聚对苯二甲酸乙二醇酯(CPET)已被用于包装冷冻食品的双耐热热成型托盘。这些托盘可以在耐波炉和传统烤箱中加热，成型的部件不会受到影响。
厚板材的最大尺寸受制造设备的限制，最大尺寸到3米x2.8米的板材。一下热成型者会购买比所需更厚的板材,并用热成型机“拉伸”以获得更大的模具面积，如游泳池。在这些类型的产品应用中，模具尺寸几乎是无限的。通过挤压、压延或连续铸造生产的更薄的片材可制成几百英尺长的卷。
在挤出过程中,可以对塑料片的主体或表面进行各种修改,以产生特殊的效果。改性塑料材料可以被共挤岀、植绒、纹理化、着色、着色、金属化、填充和发泡以满足不同的性能和/或美学要求。
无定形热塑性塑料，如ABS、丙烯酸、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸酯（PC）和乙烯基没有熔点。它们随着温度的升高而逐渐软化，每种材料都有其特定的工艺温度范围。成型温度的选择是通过了解降解温度，然后确定最高温度，在该温度下，板材具有足够的热强度，以在不降解的情况下正常成型。
结晶热塑性塑料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PPS）和尼龙(PA)，具有尖锐的熔点。不幸的是，大多数成型温度与熔化温度相同。成型这些塑料需要更精确的温度控制和成型操作。这些塑料可以改性，以放松它们的成型要求。
塑料热膨胀
塑料的热膨胀需要在设计模具时提供指导，以使成型产品符合其尺寸。塑料的线性热膨胀系数是指塑料受热时的尺寸变化。每度温度变化的长度值以英寸/英寸(毫米/毫米)列出。它提供确定长度变化的方法，即将零件长度乘以温度变化和所用塑料的热膨胀系数。因此，以ABS为例，作为热分析的样品，并给定一个48英寸长的零件，该零件经历从70℉到-40℉的温度降低，无约束零件的预期长度变化将确定如下：
高抗冲ABS的热膨胀系数为6.0×10-5英寸/英寸*℉。其长度变化如下：
长度变化=零件长度×温度变化×热膨胀系数，
或
0.32英寸=48英寸×110℉×(6×10-5英寸/英寸*℉)。
对于系数为7×10-5英寸/英寸*℉的高密度聚乙烯，长度变化为
0.37英寸=48英寸×110℉×(7×10-5英寸/英寸*℉)。
如果零件可以自由膨胀或收缩，那么它的热膨胀特性在成形零件中通常意义不大。如果附加到具有较低或不同热膨胀系数的另一个零件上限制了该零件,则零件的运动将受到限制，温度的变化将导致零件热应力的发展。应力的大小取决于温度变化、连接方法以及两种材料在工作温度下的相对膨胀和弹性模量特性。
下表给出了几种常用于热塑性塑料的材料的热膨胀系数和模量的例子，通过比较这些值，可以看出，与其他材料相比，ABS具有明显更高的热膨胀系数和更低的模量。这种性能的结合突出了刚性固定在其中一种材料上的ABS零件中的显著热应力的发展。
| 材料 | 热膨胀系数 | 弹性模量@73℉ |
| 木头 | 0.3×10-5英寸/英寸*℉ | 12.4×105psi |
| 钢 | 0.6-5英寸/英寸*℉ | 300 x105psi |
| 铝 | 1.3-5英寸/英寸*℉ | 100 x105psi |
| 高抗击ABS | 6.0-5英寸/英寸*℉ | 2.5 x105psi |
例如,假设一个ABS零件牢固地固定在一个重型钢构件上，并且整个装配件的温度降低了110℉(70至-40℉)。使用上面的等式，钢构件的收缩确定如下：
0.032英寸=48英寸×110℉(0.6×10-5英寸/英寸*℉)。
对比两种材料的预期收缩，可以看出ABS零件的收缩大约是钢制零件的十倍。由于重型钢制件的模量优势，被抑制的塑料的收缩导致热应力发生。ABS中产生的应力水平将由其膨胀系数和弹性模量决定，其中：
热应力=热膨胀系数差×温度变化×热塑性塑料在-40°F时的模量（使用温度极限时的弹性模量，而不是73°F时的弹性模量）
或者
1,663psi=[(6.0-0.6)×10-5英寸/英寸*℉] ×110℉×280,000psi。
虽然产生的应力水平低于热塑性ABS的屈服应力，但应力升高会导致最终产品失效。应力集中会导致应力的影响放大到超过材料拉伸应力的程度，从而导致零件失效。应力集中可能表现为零件截面厚度急剧减小、成形不佳、修整技术不佳以及紧固件钻孔造成的缺口。
当热成型（或其他加工塑料）零件附着在不同材料上时，应仔细考虑上述信息。零件或组件的设计者需要考虑膨胀和收缩。当选择正确的材料，使用良好的设计，并以最小的应力形成材料时，当环境温度恒定时，零件不容易失效。当零件经受快速或大范围的热循环时，故障可能会更严重。温度范围越宽，热应力就越高。
热成型聚丙烯
用于热成型的聚丙烯通常具有18至80范围内的熔体流动指数。广泛使用的均聚物、核级用于提高透明度和硬度，以及用于熔融相加工。使用嵌段共聚物用于提高低温下的冲击强度，而选择无规共聚物用于高透明度和提高热封闭质量，当壁厚下降很重要时，刚性高拉伸模量等级可以用来代替标准等级。厚壁零件通常由具有高分子量的MFI（熔体流动指数）均聚物等级生产。
用于热成型的聚氨酯弹性体应该有高度均匀结晶度。加热必须非常均匀,无论是平面方向还是整个板厚。在约120°C下进行预热热，最终成型温度取决于是固相还是熔融相工艺。对于非填充等级的PP，固相形成温度范围通常为155至165℃，通常以160℃为最佳。然而，真正的最佳取决于等级和成形所需的性能（见下表）
| 聚丙烯类型 | 成型温度范围(℃) | 最佳温度(℃) | 最小成型应变(%屈服强度) | 最大成型应变(%破坏强度) | 1.25mm厚板循环时间(秒) |
| 均聚物 | 160-170 | 160 | 24 | 3360 | 28 |
| 均聚物，10%碳酸钙 | 155-165 | 160 | 23 | 3280 | 22 |
| 均聚物，30%碳酸钙 | 150-165 | 160 | 21 | 3190 | 14 |
| 共聚物 | 155-165 | 160 | 22 | 3360 | 26 |
| 共聚物，10%碳酸钙 | 150-165 | 160 | 23 | 3180 | 22 |
| 共聚物，30%碳酸钙 | 130-155 | 150 | 80 | 1500 | 30 |
例如，成核级通常需要比基础级稍高的温度。片材成型温度实质上影响薄壁PP包装产品的壁厚、取向和机械性能，因此需要精确的温度控制。板材上的温度变化不应超过3℃。
熔融相形成的温度范围为170℃至180℃，在这种情况下，在整个温度范围内，片材弹性响应的变化相对较小，最佳温度的概念意义不大。
用于PP片材的热成型模具应由高导热材料制成，并应有有效冷却。建议使用低导热率的低摩擦柱塞，以避免板材过早冷却。
聚丙烯热成型件的收缩是复杂的，并且是片材结晶度和取向以及热成型条件和由成型过程中的拉伸引起的取向的函数。与聚丙烯的高基本收缩特性相联系,这使得不可能引用一个可靠的热成型收缩率数值。
热成型增强塑料
几乎所有使用的热成型材料都是热塑性塑料。然而，带加强件的B级TS塑料可以热成型。特种产品，如聚酯玻璃纤维增强塑料，已被制成船体等。