v法铸造eva塑料薄膜的评价与应用

华中科技大学硕士学位论文V法铸造EVA塑料薄膜的评价与应用姓名：王雷申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：叶升平20090529华中科技大学硕士学位论文摘要EVA塑料薄膜是V法铸造技术的关键材料，曾由于延伸性能不够，一度阻碍了V法铸造的发展。随着本世纪V法铸造的再度兴起，选择和制造适合于V法铸造的EVA塑料薄膜成为影响其发展的焦点。在此背景下，本文对国内EVA塑料薄膜进行全面调研，获取薄膜样品，除国内数家薄膜企业生产的EVA薄膜外，还包括日本帝研化工株式会社生产的V法铸造专用薄膜。根据V法铸造对EVA塑料薄膜的各项性能要求，本文对薄膜样品的所有性能指标包括延伸性，热成型性，耐烘烤性，发气量等进行检测，得到实验数据，通过数据对比中外薄膜的性能差别，分析差别原因，为国内薄膜提出改进意见，并验证改进效果。同时，作者积极申请华中科技大学教学实验平台项目并获得经费审批，参与设计和完成V法铸造微型生产线。在该试验平台基础上，利用国内外几种薄膜进行覆膜浇注试验，通过覆膜和浇注试验来比较几种薄膜对造型过程和铸件质量的影响。根据所得的实验和检测结果，为了规范和统一国内V法铸造用EVA塑料薄膜的生产和应用，笔者为为武汉恒德科技有限公司起草和制定了该公司V法铸造用EVA塑料薄膜的企业标准，通过了武汉东湖高新技术开发区质量监督局审批，为V法铸造用行业标准提供了参考意见。关键词：V法铸造EVA塑料薄膜延伸性企业标准I华中科技大学硕士学位论文AbstractTheEVAplasticfilmisthekeymaterialofV-processcasting,andonceobstructedthedevelopmentofV-processcastingbecauseofitsinadequateelongation.Fortheseyears,V-processcastingcomesintovogueagainforitslowercostandcleanerproduction,thus,theEVAplasticfilmisthefocus.Inthisbackground,thispaperinvestigatesthedomesticcompaniesofEVAplasticfilm,andalsoaJapanesecompany.Thesamplesofplasticfilmofthesecompaniesaregainedforfurtherresearch.AccordingtherequirementforEVAplasticfilminV-processcasting,theplasticfilmsamplesarealltestedindifferentexperiments,suchasthoseofelongation,thermalforming,heatresistanceetc.Thedataistobeanalyzedtocomparethedifferencesamongthesefilms.Besides,thispaperalsoappliestheexperimentplatforminHuzahongUniversityofScienceandTechnology,andfinishedtheplatformtotesttheallperformance.Throughthetest,thecomparisonobviouslyshowsthedifferenceofthedomesticandJapaneseplasticfilms.ToregulateandunifytheproductionandapplicationofEVAplasticfilmofV-processcastinginChina,andtoguaranteethebenigncompetitionandproductpromotion,theauthoradvancedseveralreferenceadvicesforindustrystandardofEVAplasticfilm,andtheseadvicesareappliedinthecompanystandardinWuhanHengdetechnologyLTD.,whichshowsfeasibilityoftheindustrystandard.Keywords:V-processcasting,EVAplasticfilm,elongation,companystandardII华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1选题背景1.1.1V法铸造真空密封造型（TheVacuumSealedMoldingProcessCasting）又叫负压造型，简称V法铸造，被称为第三代造型方法，该工艺是1971年春由长野县工业试验所与该县的秋田有限铸造公司合作研究成功的。这种造型工艺的昀大特点是采用完全不含水分、粘接剂和其他附加物的型砂，利用塑料薄膜密封型砂抽负压造型[1,2]，用塑料薄膜经加热后在带有通气孔和抽气装置的模样上覆膜成型，放砂箱后填入干砂并振实，再覆一层薄膜密封砂箱，依靠真空泵抽出型内气体，在一定的真空度下砂粒之间失去相对运动从而使砂子得到紧实，形成所需的型腔[3,4]，即其工艺流程图为模样上覆膜（吸膜）→刷涂料→涂料干燥→加砂→振实→起模→下芯→合箱→浇注→落砂[5]。V法的工艺流程如1-1图所示：(a)(b)(c)(d)1华中科技大学硕士学位论文(e)(f)(g)(h)图1-1V法铸造流程图(a)烘薄膜至软化(b)抽负压覆膜(c)加砂箱(d)填干砂并紧实(e)刮平砂表面并放置浇口杯(f)释放抽气室负压后取模(g)合箱(h)浇注后取出零件1.1.2V法铸造的发展日本是V法铸造的发源地，1971年日本长野县工业试验所和秋田株式会社合作研制成功了V法铸造。1971年12月新东公司取得专利制造权，对V法的基础工艺和设备进行共同开发[6]，70年代初V法造型工艺传入美国、俄罗斯、德国、法国、前苏联等国家，自V法造型工艺投入使用以来，用于生产工程机械配件、耐磨衬板件、汽车配件、浴盆、船用锚、铁路道岔、门窗、车床床身和钢琴弦排件以及栏杆、工艺美术品等[7,8]。中国自20世纪80年代开始引进此项技术，国内的上海、武汉、北京、沈阳和合肥等铸造界的科技人员对V法铸造进行研究[9]。其中，华中科技大学（原华中理工大学）曹文龙昀先在国内从事V法铸造的研究，从1976年起，先后在武汉工程机械厂、解放军3604厂和武汉重型机床厂合作，进行V法铸造实验和应用，并荣获1978年全国科学大会奖。1986年山海关桥梁厂，从日本新东公司进口的法造型生产线生产铁道道岔，年产万吨道岔铸件，至今还在运行；1992年安徽安东铸造有限公司进口日本新东公司V2华中科技大学硕士学位论文法造型线生产叉车平衡重。1999年山西华翔集团公司引进日本新东公司V法造型线生产出口平衡重铸件，年产量达3万吨。表1-1为我国4家V法企业其生产情况。表1-1我国引进国外V法铸造设备和生产情况[10]企业名称设备产地生产铸件引进年份产量/万t安徽日立铸造有限公司日本新东叉车配重19912.0威玛（山东）铸铁锅炉有限公司中国设备锅炉片19960.5河南汝州天瑞集团铸造有限公司德国HWS摇枕侧架20053.0青岛堡立集团日本新东叉车配重20052.0双星机械总公司铸机公司2005年承接制造国内昀大的一条V法造型线，开中国大型V法造型线之先河[11]。2007年底，双星机械总公司攻克7项技术难题，应用5项新兴技术专利，终于研制成功国内首条自主创新、拥有自主知识产权的大型V法造型线，双星机械也因此走在了国内同行的前列。1.1.3V法铸造的优缺点V法铸造作为第三代物理造型工艺，在很多方面有其他工艺所无法比拟的优点，包括：（1）由于砂型表面覆盖光滑薄膜，负压使铸型硬度高，轮廓清晰，同时负压利于金属液充填和补缩，从而铸件质量好。（2）由于设备和材料消耗少，干砂可反复回收，铸件成品率高，使金属利用率高（铸钢件可提高金属的利用率在20%，铸铁件可达25%[12]），因此节约成本。（3）设备简单，维护方便，对工人技能要求不高，易于管理。（4）真空泵对外抽气，空气污染少；无废砂处理，粉尘小，噪音小。虽然V法铸造有上文所提到的优点，但是由于自身存在一定的局限性，导致在80年代和90年代发展有一定的停滞。期间，该工艺主要在以下几个方面困扰国内铸造企业：（1）机械化困难。由于V法铸造的是靠负压来保证的，砂型必须始终与真空泵的负压管路相连接，因此砂型的移动受到一定限制；同时，负压供给有限，使造型数量受限，则生产量不容易上去。（2）薄膜延伸性不够。铸件要靠塑料薄膜成型和密封，而当时的塑料薄膜的延伸率和成形性有待改善，使铸件的结构受到限制，影响该工艺的扩大应用[13]。3华中科技大学硕士学位论文机械化问题通过引用国外设备已解决，尤其是2007年底，双星机械总公司成功研制国内首条自主创新、拥有自主知识产权的大型V法造型线，标志着我国的V法铸造业可以完全摆脱国外进口V法铸造生产线的历史。因此，塑料薄膜是V法铸造的主要问题。受塑料薄膜延伸率，成型性的制约，V法铸造难于生产复杂铸件，限制了V法铸造的广泛应用[14,15]。在某种程度上，V法铸造的关键是正确控制和使用薄膜。1.2课题的意义和研究概况1.2.1V法铸造用塑料薄膜V法铸造对覆在木模上成型的塑料薄膜（即面膜）的性能要求包括：（1）有良好强度和延伸性，保证薄膜有良好的成形能力，尤其是表面形状复杂的零件；（2）薄膜内无杂物和气泡，表面无伤痕，尽量避免加热和成型过程中有破裂；（3）热塑应力小，成型后弹性消失，薄膜保持成型形状，不会缩回原状；（4）不与木模和模板粘黏，易于脱模；（5）发气量少，无毒，生成有害气体少；（6）价格便宜。V法铸造用塑料薄膜的昀重要的性能是延伸性能。对几种常用的塑料薄膜即聚乙烯PE，聚丙烯PP，聚苯乙烯PS，聚乙烯醋酸乙烯酯共聚物EVA，聚氯乙烯PVC等进行比较，各自的抗拉强度，破裂伸长率与温度的关系如图1-2所示。图1-2抗拉强度、破裂伸长率与温度的关系4华中科技大学硕士学位论文比较可以得出：聚乙烯薄膜（PE）的延伸能力差，聚丙烯薄膜（PP）只有在较高的温度条件下（约130℃）才具有好的延伸能力，聚苯乙烯薄膜（PS）仅在120℃左右才有较好的延伸能力，而聚乙烯醋酸乙烯共聚物薄膜（EVA）的延伸能力，在60~80℃比较理想的。聚氯乙烯薄膜（PVC）虽然具有比较好的延伸能力，但它在气化时会分解出氯化氢等有害气体[16]。因此，EVA成为V法铸造用塑料薄膜的首选材料。1.2.2EVA塑料薄膜EVA，乙烯醋酸乙烯共聚物（Ethylenevinylacetatecopolymer），它是由无极性、结晶性的乙烯单体（C2H4）和强极性、非结晶性的醋酸乙烯单体（CH3COOC2H3）在引发剂存在下经高压本体聚合而成的热塑性树脂[17,18]。与聚乙烯(PE)相比，由于分子链上引入了乙酸乙烯单体(VA)，EVA结晶度降低，极性增强，其柔韧性、透明度、耐环境应力开裂性和耐低温性得到提高，但随之它的拉伸强度、硬度和熔点则有所下降。EVA共聚物的极性还使其粘性增强[19,20]。一般来说，EVA共聚物的物理、化学性能主要取决于分子链上VA的含量及产品的熔体流动指数(MI)。MI的大小对EVA树脂的机械性能、流变性以及ESCR之间的依存关系相当明显[21,22]。表1-2、表1-3分别列出了不同VA含量和不同熔体流动速率对EVA物性的影响。表1-2不同VA含量对EVA物性的影响VA含量/%91215182528熔体流动速率/g.(10min)-12.02.52.52.53.03.0拉伸强度/MPa21.021.022.423.126.629.4断裂伸长率/%675800850850900900软化点/℃167193188199188171表1-3不同熔体流动速率对EVA物性的影响熔体流动速率/g