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04_加热
无论从性能上还是经济上，加热工艺在热成型中至关重要，加热占热成型总能耗需求的80%左右，所以加热效率对过程经济性有重要影响。技术上，加热系统必须满足成型塑料的严格要求。热量只能通过板材的外表面传递到板材上，但是成型质量和一致性，要求在整个板材厚度和核心处均匀加热。从性能或经济性的角度来看，导致板材厚度上的不均匀温度分布的加热不会最大化地发展最有效成形部件。 加热要热成型的塑料材料的目标是以最小的温度梯度快速加热，从边缘到中心和整个板材厚度，当区域不需要加热时，可以使用挡板。成形周期中的加热阶段对产品性能尤其是成本（加热能量成本之后是冷却成本）很重要。有不同的因素影响加热周期，它们包括所用塑料的类型（包括含有添加剂、填料等），成型所需的温度，塑料的导热性，材料的吸收特性，塑料的比热，热源的类型和强度，以及塑料的热降解特性。当使用特殊的热成型技术时，如型材或区域加热，在成型不发生或受到限制的情况下，完全均匀加热是有例外的。 热原料温度的任何变化都会显著影响塑料的热拉伸强度或弹性，必须非常均匀地加热板材。有均匀的加热，成形压力越快，材料分布越好，因为材料在成形时没有机会冷却。最终产品显示出最小的内应力和最佳的物理性能。有些材料，例如在非常深的拉伸中的铸造丙烯酸树脂，在快速真空成形中不能很好地加工，这种材料具有很大的热拉伸强度，这允许处理器使用较慢的真空，然而，必须使用非常热的模具来最大化其性能，尤其是透明度。 当使用压力成型时，材料的移动速度甚至比真空成型更快。在最佳条件下，材料分布将得到改善，产品将更加无应力。所有热塑性材料都有特定的加工温度，可从材料供应商、经验和/或计算机软件数据中获得。下表给出了通常用于热成型不同塑料的加工温度的例子。
| 材料 | 模具设定温度 | 工艺下限温度 | 定向温度 | 常规成型温度 | 工艺上限温度 |
| ABS | 185 | 260 | 280 | 300 | 360 |
| 醋酸脂 | 160 | 260 | 260 | 310 | 360 |
| 丙烯酸脂 | 185 | 300 | 325 | 360 | 380 |
| 丙烯酸酯/PVC | 175 | 290 | 310 | 340 | 360 |
| 丁酸盐 | 175 | 260 | 275 | 295 | 360 |
| FEP | 300 | 450 | 490 | 550 | 620 |
| 聚碳酸酯 | 280 | 335 | 350 | 375 | 400 |
| 聚酯，热塑性 | 170 | 250 | 275 | 300 | 330 |
| 聚醚砜 | 400 | 525 | 560 | 600 | 700 |
| 聚乙烯，高密度 | 180 | 260 | 270 | 295 | 360 |
| PP | 257 | 270 | 280 | 310-330 | 340 |
| PP，玻璃填充 | 195 | 265 | 280 | 400+ | 450 |
| 聚砜 | 325 | 375 | 415 | 475 | 575 |
| PS | 185 | 260 | 275 | 300 | 360 |
| 乙烯基，刚性 | 150 | 220 | 245 | 280-285 | 310 |
| 乙烯基，刚性泡沫 | 160 | 240 | 260 | 300 | 350 |
循环时间由加热和冷却速率控制，而加热和冷却速率又取决于诸如加热器和冷却介质的温度、片材的初始温度、有效传热系数、片材厚度和片材的热性能等因素。适当地控制加热所需的程度将随着材料类型和片材挤出过程中诱导的取向量而变化。大多数塑料材料倾向于在成形加热循环期间放松它们的内部应变或取向。其结果是在成形操作发生之前，板材的移动会导致其变薄。一种确定板材均匀拉伸程度的方法是在加热和成形之前在板材上画垂直线。成型后，检查线条。如果曲线相对均匀，则纸张会产生均匀的拉伸。 某些塑料，如PP，其特点是高焓和低热导率，加热特别难以实现（如下表所示），此外，特别是对于聚丙烯，工艺温度窗口可能非常窄,需要精确的温度控制，该温度控制与片材生产率相关并成比例。
| 塑料 | 密度(g/cm3) | 熔融温度(Tm) | 玻璃化温度(Tg) | 热导率 | 热容 | 热扩散率 | 热膨胀率 |
| PP | 0.9 | 168 | 5 | 2.8 | 0.9 | 3.5 | 81 |
| HDPE | 0.96 | 134 | -110 | 12 | 0.9 | 13.9 | 59 |
| PTFE | 2.2 | 330 | -115 | 6 | 0.3 | 9.1 | 70 |
| PA | 1.13 | 260 | 50 | 5.8 | 0.075 | 6.8 | 80 |
| PET | 1.35 | 250 | 70 | 3.6 | 0.45 | 5.9 | 65 |
| ABS | 1.05 | 105 | 102 | 3 | 0.5 | 3.8 | 60 |
| PS | 1.05 | 100 | 90 | 3 | 0.5 | 5.7 | 50 |
| PMMA | 1.20 | 95 | 100 | 6 | 0.56 | 8.9 | 50 |
| PC | 1.20 | 266 | 150 | 4.7 | 0.5 | 7.8 | 68 |
| PVC | 1.35 | 199 | 90 | 5 | 0.6 | 6.2 | 50 |
说明：热导率单位：1/104卡*秒*厘米*℃；热容单位：卡/克*℃；热扩散率单位：1/104平方厘米*秒；热膨胀率单位：1/104℃。 为了防止下垂，例如在聚丙烯板材，最终加热到成型温度应该尽可能快，不用考虑整个片材厚度的温度均匀性。一些热成形机使用类似链式拉幅机的片材传送系统来定向挤出的片材或薄膜。传送系统用于通过张紧板材来消除下垂，这种系统配有独立的边缘加热区，以补偿传送带的散热效果。或者，通过热空气炉来对流加热板材，但更难设置不同的渐进温度控制区。 不同的布置对于切片机是必要的。使用这些机器，通常的流程是在静态烘箱中通过对流预热板材，然后在靠近模具的辐射夹层加热器中最终加热两个表面。传导也可用于片材加热，特别是预热，或者以加热辊的形式，或者作为片材经过的平面接触板。填充有导热油或其他合适流体的热浸浴也可以用于片材加热，但是这些会带来实际操作困难，它们没有被广泛采用。 聚丙烯片材的热成型温度取决于使用的是固相成型还是熔融成型。在这两种情况下，推荐的流程窗口涵盖的温度范围仅为10℃。在固相成形中，成型板材所需的力在推荐的温度范围内变化很大(图7.16)。熔融相热成型的变化要小得多。 当成型在接近固相范围下限的温度下进行时，该产品将具有更高的定向度和改进的透明度。与在较高范围内生产的产品相比，它的壁厚分布非常均匀。这些变化以复杂的方式共同影响产品的抗压强度。例如，壁厚变化会降低抗压强度，而方向会增加抗压强度。这意味着最佳设置在一定程度上取决于单个产品的几何形状和任何必须注意的总结。 如图所示（图未画），板材温度的微小变化会对成品零件的性能产生显著影响,这也证实了热成型PP时精确温度控制的重要性。该图中标明的塑料是(a)Fina聚丙烯PPH5042S，它是一种具有窄分子量分布和抗静电保护的成核均聚物（MFI6.0），(b)PPH4042S，一种具有抗静电保护的成核均聚物(MFi3.0)，和(c)PPH4060S，一种通用均聚物(MFI3.0)(221)。第22章提供了有关熔体流动指数(MF|)的信息。 大多数塑料都是良好的绝缘体，因此存在表面过热的危险，以及在整个板材达到成型温度之前，会导致材料退化和可能的颜色变化。为避免这种情况，对于0.15厘米或更厚的板材，采用降低加热温度或夹层加热。夹层加热也大大减少了总量加热循环时间。加热器和板材之间的距离通常保持在最小,以减少边缘损失。如果要避免局部过热，15到20厘米被认为是棒式或点式加热器的实际最小值。 在某些情况下，板材的一部分可以保持较冷，以防止在成形过程中该区域过度变薄。这种局部加热不足，称为遮光或优先加热，是通过在加热器和塑料之间悬挂金属网或金属薄片来实现的，金属网通常被放置在将被拉入深腔或角落的那部分板上。
加热方法
用于热成型的加热塑料片材的方法有辐射、对流和传导，当使用辐射或传导时，可以选择对板材的一个面或者两个面加热，在对流的情况下，板材的两面都将被加热，对于薄膜，通常的方法是只加热一侧。考虑到均匀加热片芯的困难，优选加热片的两个表面。有效单面加热的板材厚度上限约为1毫米。 红外辐射（IR）加热是卷筒进料或在线热成型机中最广泛使用的片材加热方式。加热器通常串联布置在加热通道中的独立控制的区域，对于不同的塑料,首先将板材温度逐渐増加到大约120至180℃的应力释放温度，然后增加到成型温度（如下图）。
| 材料 | 典型开始温度(℃) | 典型完成温度(℃) | 比热(千卡/千克*℃) |
| HDPE/LDPE | 154 | 49 | 2.91 |
| PP | 166 | 49 | 2.33 |
| PS | 149 | 43 | 1.33 |
| PVC | 146 | 43 | 0.78 |
辐射加热器中使用的元件包括管状加热棒（通常称为Calrod®加热器）、平带加热器、石英加热器和陶瓷加热器。管状加热棒是使用最广泛的，然而，尽管陶瓷加热元件与管状加热棒相比，它们的初始成本较高，但它们具有较长的磨损和盈利能力，所以已经变得非常盛行。 为确保使用足够的热量，加热器的容量至少应为43至65千瓦/平方米，各种类型的辐射加热元件已经被使用了。它们的性能下表所示。
| 加热元件 | 效率（%） | 平均寿命（小时） | 性能 | |
| 全新状态 | 使用6个月后 | |||
| 陶瓷板 | 65 | 55 | 12K-15K | 最值得买，热量均匀、高效可控 |
| 石英板 | 58 | 50 | 8K-10K | 同陶瓷板 |
| 镍铬线圈 | 18-20 | 8-10 | 1.5K | 初始投资少，很低效，使用时热量不均匀 |
| 加热棒 | 45 | 20 | 3K | 不贵，加热不均匀，遮盖时不可控 |
| 气体红外炉 | 40-45 | 25 | 5K-6K | 操作成本最低，很多不利因素，包括波长变化和经常维护 |
不同的塑料在不同的波长下最有效地吸收辐射热，而辐射热又受发射加热器温度的影响。因此，重要的是使用合适的波长，以便特定材料最有效地发挥作用。除了减少占地面积之外，挤出机将加热的片材输送到热成形机的在线操作可以实现30%到40%的节能。 热塑性塑料最合适的波长在6微米(204℃)到32微米(649℃)的红外光谱范围内。例如，当加热元件发出3.5至3.3微米的辐射热时，ABS、HIPS和PE吸收辐射热的效率最高，而PC需要3.4微米的辐射热。具有宽软化范围的材料不需要与具有窄熔化范围的材料相同程度的温度控制。一些塑化材料需要小心控制温度，因为快速或过度加热会导致挥发物或增塑剂的内部蒸发，结果将是起泡或过度渗出。由于不同类型的添加剂和填料用于塑料片材制造，因此普通塑料的实际波长可能不同，如聚醚砜、聚碳酸酯和ABS。 评估加热器涉及相互关联和重叠的因素，如初始成本、运行成本、能效、耐用性、可控性、工厂运行条件以及循环时间如何受到影响。使用的大多数加热器被认为是一次性的。有些加热器可以修理，但它们的设计通常会缩短加热元件的寿命。通过适当的维护，包括如下部件的更换，加热器的保存寿命延长：石英管，15,000小时；陶瓷元件，10,000-15,000小时；加热棒15,000-25,000小时；加热板为25,000小时，气体催化炉为10,000至15,000小时。 辐射加热如前所述，辐射加热方法是最受欢迎和最有用的。它的红外线从温度在260到9,450℃之间的热源发出。辐射加热器是电动的，电能转化为热能。加热器发出的能量由以瓦特或功率密度计量。 由于加热器的总辐射强度随着绝对温度的4次方而增加，加热器温度的细微增加需要大幅增加功率输入，并导致加热强度大幅增加。大部分辐射能可以通过薄的透明塑料材料而不被吸收。为了将能量通过板材转移回来，可以在另一侧放置一个反射罩。厚度为0.25mm或更厚的不透明材料将吸收几乎所有的辐射能。不同的颜料对加热时间的影响比预期的要小，因为颜料颗粒完全被塑料包围，并且倾向于吸收能量。使用传统的辐射加热设备时，应避免过度定向。 对流加热，尽管它是最慢的传热系统，但对流加热有它的优点。最大的优点是其卓越的加热均匀性和防止板材表面变得比烘箱温度更热的能力。它在某些应用中有重要的用途，例如用于加热厚规格的泡沬板材、非常厚的固体板材、厚度难以精确控制的板材(超规格)、表面过热容易降解的板材等。 对流加热是利用循环热空气炉来实现 的，最精确的热风循环烤箱是由电力驱动的，烘箱温度小心地保持在待成型的特定材料的热成型温度。空气是种很好的绝缘体，塑料吸收热量很慢，这就是为什么这种方法相对较慢。特定材料的比热决定加热周期。例如，3.2mm厚的丙烯酸板具有0.35的比热。在成型温度为182℃的高阻隔热空气循环烘箱中，丙烯酸大约需要12.5分钟的保温时间来均匀地将该物质提高到成型温度。每0.25mm厚的板材大约需要1分钟。使用辐射热和合适的波长，3.2mm厚的丙烯酸板可以在2.1分钟内达到大约177至182°℃的核心温度。 传导加热，这种传热方式的速度介于辐射加热和对流加热之间，当材料内存在温度梯度时，就会发生热传导。热成型中使用的大多数传导加热板是电加热的聚四氟乙烯涂层铝板。除了在加工薄规格材料时，使用夹层加热板。热板的一个非常常见的用途是在使用辊式进料或在线热成形机的包装领域。 热量控制 为了开发精确的受控加热，需要考虑两个因素：加热元件的温度输出率和板材受热的时间。较低的加热水平降低了循环速度，但可以改善成型条件和最终产品的质量。所有的加热元件都必须有一个控制装置，不管是一个简单的开关还是某种恒温器。提供更多控制的设备是百分比计时器，它将预定的开关设置传递给加热元件。 为了实现更精确的温度控制，使用热电偶。热电偶实际上可以感应温度并启动开关控制或更复杂但更精确的电子继电器系统。比例控制提供可变的功率输入，增加到设定点温度，然后按比例减少功率输入。反过来，固态继电器提供更多的控制。 当微处理器满足性能和成本要求时，理想的控制器就是微处理器。精确和准确的温度读数由系统自动产生，根据加速度和减速度偏差进行计算，并相应地进行调整以使板材达到设定温度。借助微处理器，可以实现循环之间的最高可重复性，以及屏幕上的烤箱功能读数。 控制器是相当简单的设备，但是如果它们不能正常工作，就会出现各种各样的问题。用于消除问题的清单，包括加热器元件不适当安装、加热器元件烧毁、与响应时间相关的传感器位置和深度、开关控制动作的类型（例如比例控制器或设定点控制）以及基本电气部件的正确选择。 成型要求对塑料表面到内部以及到另一表面进行彻底和受控的均匀辐射加热。作为达到这些条件的一般指南，1.0mm以上的塑料板状，应使用夹层式加热器组，加热器位于受热板材的上方和下方。 夹层加热系统通常也可以使用传统的电加热器。在成形之前，从两侧同时加热板材（板材下方和上方），以确保快速均匀地加热整个板材。 根据要求，当加热后的板向下弯曲时，要确保它们不接触加热器且不靠近加热器，这将有助于消除材料加工和/或产品性能以及火灾方面的问题。加热器和薄板之间可能需要某些的保护，如丝网。
加热器类型
下面列出了不同类型加热器的示例。 催化气体，这些系统运行成本较低（节能50%至80%），但成本较高。是块不锈钢面板，包含一个穿孔钢板，用于将气体分布在浸渍有铂催化剂的陶瓷纤维垫上。该催化剂将丙烷或天然气转化为二氧化碳和水，不会产生火焰。金属护套电热棒用于将面板预热到120℃，这是催化转化开始的阈值。由于它们的功率密度和温度都比电加热器低，因此不能与成型温度高于260℃的材料一起使用。 陶瓷，这些平面或凹面（带反射器）元件聚焦能量，而不是像平面加热器那样发出平行光线。陶瓷平板不需要反射器，可以相互靠近放置，也可以靠近板材放置。大约98%的发射能量是红外线。陶瓷加热器相当坚固，价格略髙于金属护套加热棒。用相同功率密度的陶瓷替换一根管子会节约能源，因为它们保温时间更长。 电热板，它们释放80%到90%的能量作为有用的热量，该面板在其整个表面上辐射热量，比单独的较小加热器在更大的区域内提供均匀的热量。对于板式加热器来说,元件之间的条纹区和无热区都不太重要。 卤素，这些加热器是所有加热器中升温最快的（低至0.2S），在最高温度为1100摄氏度时，其大部分能量以1微米的波长发出。与石英管加热器相比，它们节能18-20%。它们只加热塑料板，不加热周围的空气。这包括模具在内的完整机器保持足够的凉爽，可以触摸。由于没有环境热量，火灾风险较低。比大多数石英加热器更精细的温度控制。 金属护套电热棒，这些管状加热元件是工业上的廉价工具，通常称为 Calrod。它们具有相对较快的加热时间（1.5分钟）、对设定点变化的快速响应、大量使用等。然而，它们向各个方向辐射，导致效率低下。 石英管，能源是石英管內的螺旋电阻丝。反射器用于将热量集中在塑料片上。它们最大的帮助是快速加热和冷却能力，允许加热循环之间完全关闭，节省能源。它们新的时候有60%的效率，使用后会有轻微的下降。它们易碎的，不适合底部加热。 下表列出了不同加热器的比较。
| 加热器形式 | 优势 | 劣势 |
| 加热棒 | 低成本、耐用、快速升温、易于清洗 | 效率快速下降、难以控制、需要反射器、反射器需要清洗、易生锈、难分区 |
| 石英管 | 最快加热速度、出色的分区、宽功率范围 | 易碎、有凹点 |
| 陶瓷 | 耐用、良好的分区、较低的成本、良好的温度 | 安装成本高、难以找到烧坏的元件、低于平均温度响应时间 |
| 电平板 | 稳定的热量、可用石英布、金属、陶瓷覆面、易安装 | 大尺寸、高更换成本 |
| 气体催化 | 供热均匀、运行成本低 | 体积大、难以分区、温度响应非常慢 |
| 燃气 | 廉价能源、非常耐用 | 非常高的安装成本、强烈的热源、会引起火灾 |
| 卤素 | 脉冲加热、最快的加热、出色的分区、非常小的体积 | 易碎、非常昂贵、安装成本高、可靠性未知 |
退火
退火发生在成型零件生产之后。这种热处理旨在改善性能。通过移除那些在材料制造过程中产生应力或应变的零件来提高性能。根据所用的塑料，在一定的时间内，它被加热到所需的温度，然后，被液体（通常与水混合，但也使用油和蜡）和/或空气 （淬火）以受控的速率冷却到室温，温度接近熔点。在特定的温度下，分子具有足够的移动性，使它们能够定向到一种结构，来消除或减少残余应力。 退火通常限于热塑性塑料，无论是无定形的还是结晶的。结果是增加了密度，从而提高了塑料在高温下的耐热性和尺寸稳定性。这通常提高冲击强度，防止过度受力的产品开裂。这些变化的幅度取决于塑料的性质、退火条件和零件的几何形状。 无定形塑料、某些共混物和嵌段共聚物的最理想的退火温度高于它们的玻璃化温度（Tg），其中应力和取向的松弛最迅速。然而，所需的温度可能会导致过度变形和翘曲。塑料被加热到最高温度，在此温度下，由于应变引起的尺寸变化被释放。该温度的确定，可通过将塑料部件放入空气烘箱或水浴中，并以3到5℃的间隔逐渐升高温度，直到产生允许的最大形状和尺寸的变化。这种变形温度由热机械工艺历史、几何形状、厚度和尺寸决定。通常，使用仔细的质量控制程序将退火温度设定在低5℃左右。 刚性无定形塑料，如聚苯乙烯（PS）和丙烯酸树脂（PMMA），经常退火以消除应力。除了通常的应力释放外，结晶塑料的退火也可能导致其结晶状态性质的显著变化，晶体结构的性质、结晶度、球晶的大小和数量以及取向控制着它。如果在加工过程中保持适当的温度和压力，所引起的内应力可能是微不足道的，并且可能不需要退火。 塑料共混物和嵌段共聚物通常含有其他低分子量和中分子量添加剂，如增塑剂、阻燃剂和紫外线或热稳定剂。在退火过程中，可以增强相和微相的分离，并且可以观察到添加剂的渗出。共混物和嵌段共聚物的形态会受到加工和淬火条件的影响。如果它们的熔体粘度不匹配，就可能发生垂直于流动方向的成分分层。就像结晶塑料一样，皮肤在形态和成分上可能是不同的。退火可能导致皮肤比内部更显著的变化。