肖露云 曾小軍

摘 要： 本文以IMD熱成型薄膜為研究對象，建立了IMD熱成型薄膜在不同溫度下的雙軸拉伸試驗裝置。實驗結(jié)果表明，在雙軸拉伸試驗中，不同溫度下雙向拉伸載荷與位移曲線變化情況具有一致性。實驗處于150℃時，降溫卸載后試樣的擁有最小回彈率，試樣無缺陷，因此該溫度是模具的最佳成型溫度。在實際生產(chǎn)中，考慮到加熱、冷卻的時間成本和溫升的安全性，可將成型溫度范圍設(shè)定在120℃至150℃之間。

關(guān)鍵詞： 雙向拉伸;溫度;當(dāng)量彈性模量

IMD薄層材料對沖擊強(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕性、耐磨性、成形性和高透明性都存在比較高的要求，對大型、深腔件要求更高。通常，IMD工藝中使用的PET材料成型性差，韌性低，不能在大面積覆蓋件上生產(chǎn)薄膜。同時，由于PET是一種冷結(jié)晶材料，其成形后存在較為嚴(yán)重的變形，限制了其在大型、深腔件中的應(yīng)用。具有優(yōu)良綜合性能的PC（剛度和韌性平衡，吸水率低，尺寸穩(wěn)定性好，耐熱性和耐低溫性）已成為該領(lǐng)域的一種潛在材料，但PC具有應(yīng)力小、耐磨損、阻燃性差等缺點。聚碳酸酯改性的PC雖然可以改善力學(xué)性能，但其透明性較差。因此，IMD技術(shù)的研究重點是檢測薄膜材料的熱塑性性能，以提高熱成型質(zhì)量。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

為了進(jìn)行雙軸拉伸試驗，參考了復(fù)合纖維材料與金屬材料的雙向拉伸實驗方法。其中，雙軸主動拉伸是指將單軸拉伸裝置轉(zhuǎn)移到水平方向和垂直方向，并分別控制水平方向和垂直方向上的力的雙軸拉伸試驗，該方法是單向拉伸實驗的集成測試系統(tǒng)。但是它不符合實際拉伸過程中縱向和橫向力的自由控制，無法再現(xiàn)真實工況。雙向夾緊拉伸的實驗方法是利用試件在水平面上的兩個坐標(biāo)軸方向上對試樣進(jìn)行拉伸，通過中心區(qū)域的應(yīng)力施加載荷模擬實際工況。

本文參照雙向夾緊拉伸方法建立了雙軸拉伸試驗臺，如圖1所示，圖1a為試驗系統(tǒng)的總體布置圖和裝置分析圖，圖1b為試驗中使用的雙軸拉伸裝置。用于進(jìn)行單向拉伸試驗的通用試驗機(jī)（RG4000）最大載荷為1000KN，精度為5‰，拉伸速度1～500mm/min，配備的加熱箱可實現(xiàn)10～200℃的恒溫控制。

1.2 實驗過程

參考實際生產(chǎn)的成形溫度范圍，采用25℃、80℃、120℃、150℃、180℃5個實驗溫度，拉伸速度為50 mm/min的試驗條件下，對薄膜樣品進(jìn)行了雙向拉伸試驗，為了記錄效率和方便，試驗從低溫到高溫溫度。

雙軸拉伸試驗可分為兩類：拉伸到斷裂點和拉伸到斷裂之前的極限點，這有助于觀察薄膜邊緣位置的變形和表面質(zhì)量。將夾具放入加熱箱，通過下連桿與試驗機(jī)固定端連接，通過上連桿將壓頭與試驗機(jī)橫桿連接。移動壓頭接觸膜樣品后停止。把加熱箱加熱到一定的溫度，保溫10分鐘。清零試驗機(jī)數(shù)據(jù)讀取器和操作側(cè)的載荷和位移。點擊開始按鈕以一定的速度向上移動橫桿。試驗機(jī)通過力傳感器和位移傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過線路圖在軟件中顯示。如果測試機(jī)軟件顯示的實時負(fù)載突然從較高值大幅度下降，則發(fā)現(xiàn)薄膜樣品已破裂，并在停止按鈕上單擊停止測試。打開加熱器箱，將溫度降至60℃，讓橫梁移動一定距離進(jìn)行卸載。取下夾具并取出薄膜樣品，貼上標(biāo)簽，放入樣品袋中進(jìn)一步分析，保存數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果分析

圖2顯示了測試后的三個樣品，從圖中可以看出試樣的表面顏色變淺，但沒有白色區(qū)域的出現(xiàn)、隨著拉伸高度的增加薄膜圖案出現(xiàn)模糊等現(xiàn)象，因此樣品的形狀高度和表面質(zhì)量最好在150℃的溫度下。

雙軸拉伸后，得到位移載荷圖像。圖3顯示了試驗機(jī)在不同溫度條件下以50mm/min的延伸速度記錄的荷載-位移數(shù)據(jù)的匯總。

圖3顯示隨著溫度的升高，PET薄膜的應(yīng)力隨著雙軸拉伸而逐漸減小。溫度在25℃至180℃時，曲線在拉伸早期具有近似線性的相對應(yīng)力增加階段，類似于單軸拉伸試驗中的線性彈性階段。在此階段之后，荷載相對于位移的加速度將減慢，直到發(fā)生斷裂且試驗停止。

3 結(jié)論

（1）隨著溫度的升高，IMD薄膜的雙軸應(yīng)力逐漸降低，成型高度在150℃時達(dá)到最大值。

（2）當(dāng)試驗溫度為150℃時，雙向拉伸試驗卸載后試樣的回彈率最小，試樣無缺陷。因此，150℃為最佳結(jié)成型溫度。在實際生產(chǎn)中，考慮到加熱和冷卻的時間成本，以及溫升的安全性等因素，模具溫度范圍可在120℃至150℃之間進(jìn)行調(diào)整。

（3）在不同溫度下的IMD薄膜雙向拉伸實驗，載荷和位移曲線表現(xiàn)出相同的變化關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱強(qiáng).IMD膜PET材料力學(xué)性能及其本構(gòu)模型研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]王忠強(qiáng)，胡國勝，鐘毅文.IMD技術(shù)材料的應(yīng)用進(jìn)展[J].廣東化工，2013，23：115-116+118.

[3]李彥甲.IMD薄膜熱成型性能試驗研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2015.

[4]Chen S C，Huang S T，Lin M C，et al.Study on the thermoforming of PC films used for in-mold decoration[J].International Communications in Heat & Mass Transfer，2008，35（8）：967-973.

[5]Chen S，Zhang S，Ruan F.A material subroutine for numerical simulation of thermoforming of IMD films[C].Mechanic Automation and Control Engineering（MACE），2010 International Conference on.IEEE，2010.

[6]陳松茂.IMD膜片力學(xué)性能及拉脹復(fù)合熱壓成形研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2008.

[7]任家陶，陳積光，李岡陵.雙向拉伸試驗研究[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，1998，02：94-98.

作者簡介： 肖露云（1983—），女，漢族，湖北荊州人，本科，講師，研究方向：材料成型及控制;曾小軍（1982—），漢族，湖南邵東人，大專，中級，研究方向：工程材料。