整體衛(wèi)浴彩色壁板一體模壓成型工藝研究

胡福濤

(蘇州科逸住宅設(shè)備股份有限公司，江蘇蘇州 215132)

近年來，在一系列國家政策的支持下，與綠色施工理念相匹配、兼具環(huán)保高效的裝配式建筑獲得較快發(fā)展，顯著提升了住宅節(jié)能、環(huán)保水平，推進(jìn)了住宅全生命周期價(jià)值最大化，為我國建筑水平提升和可持續(xù)發(fā)展提供了重要支撐[1–2]。整體衛(wèi)浴是裝配式建筑中最重要的組成部分之一，隨著裝配式建筑的不斷進(jìn)步與發(fā)展，整體衛(wèi)浴的裝配式優(yōu)勢逐漸得到認(rèn)可，已成為市場重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品[3–6]。

現(xiàn)今，整體衛(wèi)浴生產(chǎn)技術(shù)路線主要是采用不飽和聚酯樹脂片狀模塑料(SMC)，經(jīng)高溫模壓制造。這種材料普遍應(yīng)用于整體衛(wèi)浴主體壁板、防水盤及頂板，具有強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，環(huán)保綠色等優(yōu)點(diǎn)[7–8]。但由于SMC 材料色彩單調(diào)，壁板模壓成型后呈現(xiàn)單一顏色，不能滿足客戶個(gè)性化需求，制約了產(chǎn)品在細(xì)分市場上的應(yīng)用[9–11]。

筆者通過預(yù)浸膠的方式首先制備了彩色壁板樣塊，然后通過模壓實(shí)驗(yàn)研究了一體模壓成型工藝參數(shù)對成型質(zhì)量的影響規(guī)律，由正交實(shí)驗(yàn)探討了一體模壓成型工藝參數(shù)對制品彎曲強(qiáng)度的影響，得到了標(biāo)準(zhǔn)化的制造工藝參數(shù)，從而提升了壁板表面觀感效果，并使制品性能穩(wěn)定，提高了生產(chǎn)合格率。

1 表面彩色裝飾板的制備

表面彩色裝飾板是由預(yù)浸膠彩色飾面層與SMC 材料通過一體模壓成型的方式制備而成。

1. 1 預(yù)浸膠彩色飾面層的制備

在不飽和聚酯樹脂中加入各種助劑，混合均勻形成樹脂糊，其中所述助劑包含：引發(fā)劑、脫模劑、促進(jìn)劑、偶聯(lián)劑、交聯(lián)單體、苯乙烯。各助劑的質(zhì)量份數(shù)見表1[12]。

表1 彩色飾面層浸膠配比表 份

將上述樹脂糊均勻涂覆在具有彩色圖案的裝飾紙上，裝飾彩紙每平米的質(zhì)量為60～85 g，每平米裝飾彩紙上涂覆樹脂糊的質(zhì)量為60～120 g：然后在105～130℃下進(jìn)行預(yù)固化和干燥，使樹脂糊的固化程度達(dá)到70%～90%，完成預(yù)浸膠彩色飾面層的制備。

1. 2 彩色壁板樣塊的模壓制備

彩色壁板樣塊制備流程如下：先將SMC 投料至模具內(nèi)，再將預(yù)浸膠彩色飾面層鋪設(shè)在模具內(nèi)，投料面積為制品正投影面積50%～90%，進(jìn)行一次模壓成型，模壓過程中型腔在上、型芯在下；模壓過程中，SMC 片狀模塑料作為結(jié)構(gòu)層與彩色飾面層發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成一體化制品。制品結(jié)構(gòu)由上到下分別是表面樹脂層、彩色裝飾層、樹脂交聯(lián)層和SMC材料基層結(jié)構(gòu)，見圖1a。

實(shí)驗(yàn)所得模壓制品如圖1b 所示，樣品尺寸300 mm×200 mm，厚度5.5 mm，投料量為610 g。

圖1 一體化模壓成型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及壓制后彩色樣塊示意圖

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及綜合測試

2. 1 主要設(shè)備

液壓機(jī)：315T 型，南通鍛壓設(shè)備股份有限公司；

水浴鍋：HH–2 型，蘇州智博瑞儀器制造有限公司；

萬能試驗(yàn)機(jī)：TH–8100S 型，最大試驗(yàn)力為50 kN，蘇州拓博機(jī)械設(shè)備有限公司；

巴 氏 硬 度 計(jì)：GYZJ–934–1 型，美 國Barber-Colman 公司；

白度儀：WSB–1 型，上海平軒科學(xué)儀器有限公司；

實(shí)驗(yàn)所用液壓機(jī)及萬能試驗(yàn)機(jī)見圖2。

圖2 測試液壓機(jī)及萬能試驗(yàn)機(jī)照片

2. 2 實(shí)驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)過程中，針對樣品表面性能采用的具體的測試方法及參考標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 測試方法與標(biāo)準(zhǔn)

3 模壓實(shí)驗(yàn)

為了探討不同模壓參數(shù)對制品表面質(zhì)量的影響，筆者選取了模壓速度，鋪料面積及型腔溫度作為主要變量分別進(jìn)行探討，總結(jié)影響規(guī)律[13]。

3. 1 模壓速度對外觀質(zhì)量的影響

在其他工藝參數(shù)不變的條件下，研究模壓速度變化對模壓質(zhì)量的影響見表3。

表3 模壓速度變化的工藝參數(shù)表

成型質(zhì)量分為9 級[14]，每級表示：

1—嚴(yán)重缺料；制品嚴(yán)重褶皺，剝離性測試不合格；

2—缺料且固化不充分；制品嚴(yán)重褶皺，剝離性測試不合格；

3—少許缺料；制品較多褶皺，剝離性測試不合格；

4—不缺料，制品較多褶皺，剝離性測試不合格；

5—外觀質(zhì)量不好，制品較多褶皺，剝離性測試合格；

6—外觀質(zhì)量一般，制品較多褶皺，剝離性測試合格；

7—外觀較好，制品輕微褶皺，剝離性測試合格；

8—外觀良好，制品較少褶皺，剝離性測試合格；

9—外觀質(zhì)量好，制品無褶皺，剝離性測試合格。

模壓速度與成型外觀質(zhì)量的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 模壓速度變化與外觀質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系圖

由圖3 可知，加壓速度過慢，初始停留時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致彩色飾面材料表面出現(xiàn)預(yù)固化斑，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生缺料及氣孔等缺陷；隨著模壓速度的提高，SMC片料在模具內(nèi)流動(dòng)速度加快，外觀質(zhì)量有先增加后降低的趨勢，說明模壓速度與片料流動(dòng)性有關(guān)，加壓速度過快會(huì)導(dǎo)致片料流動(dòng)快，空氣不易排出導(dǎo)致局部褶皺等缺陷。從表3 中看出，模壓速度為0.8～1.0 mm／s 時(shí)成型質(zhì)量良好。

3. 2 模壓溫度對外觀質(zhì)量的影響

在其他工藝參數(shù)不變的條件下，保持型腔與型芯溫差在10℃，研究模壓溫度變化對模壓質(zhì)量的影響見表4。

表4 模壓溫度變化的工藝參數(shù)表

模壓溫度與成型質(zhì)量的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 型腔溫度變化與外觀質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系圖

由圖4 可知，模壓溫度低會(huì)導(dǎo)致制品表面出現(xiàn)固化不良，并導(dǎo)致表面剝離性異常；隨著模壓溫度的提高，樣品外觀成型質(zhì)量有先增加后降低的趨勢，說明彩色裝飾材料一體模壓成型需要較高的反應(yīng)溫度。從表4 看出，模壓型腔溫度為150～153℃時(shí)成型質(zhì)量良好，若溫度太高則會(huì)導(dǎo)致預(yù)固化現(xiàn)象，對表面質(zhì)量有一定影響。

3. 3 鋪料面積對成型外觀質(zhì)量的影響

鋪料面積與成型質(zhì)量的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 鋪料面積與外觀質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系圖

由圖5 可知，隨著鋪料面積的提高，樣品成型質(zhì)量有先增加后降低的趨勢，鋪料面積過小會(huì)導(dǎo)致彩紙偏移或褶皺等現(xiàn)象(見圖6 所示)，鋪料面積過大會(huì)導(dǎo)致制品表面排氣不暢，有發(fā)白的微孔產(chǎn)生。表5 為模壓溫度變化的工藝參數(shù)表。從表5 中可得出，鋪料面積在80%～90%是合適的。

圖6 樣品表面褶皺示意圖

表5 模壓溫度變化的工藝參數(shù)表

3. 4 通過正交實(shí)驗(yàn)確定最佳模壓工藝參數(shù)

在模壓工藝單變量參數(shù)實(shí)驗(yàn)中，得到了模壓成型工藝的一個(gè)優(yōu)化參數(shù)范圍。為了獲得最佳的模壓工藝參數(shù)，還必須進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[15]。

由于整體衛(wèi)浴墻板的實(shí)際使用，常伴隨著水平載荷的推力，所以筆者將彎曲強(qiáng)度作為對所研究現(xiàn)象性質(zhì)的定量指標(biāo)。SMC 片料和裝飾材料在一體模壓成型過程中，影響成型質(zhì)量和產(chǎn)品性能制造工藝參數(shù)主要為模壓速度(A)，鋪料面積(B)和型腔溫度(C)。因此，在設(shè)計(jì)正交表時(shí)，以這幾個(gè)參數(shù)為影響因素，設(shè)計(jì)模壓成型工藝試驗(yàn)正交表為L8(24)[16]。筆者以“卡迪木紋”花色作為研究對象(壓制樣品見圖1b 所示)，進(jìn)行了相關(guān)生產(chǎn)制造工藝的研究試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的成型工藝參數(shù)見表6，恒定不變的工藝參數(shù)為投料量610 g，模壓壓力290 T 和保壓時(shí)間300 s。

表6 模壓成型工藝L8(24)正交實(shí)驗(yàn)極差分析表

由正交試驗(yàn)的極差分析可知，3 個(gè)工藝參數(shù)對制品彎曲強(qiáng)度的影響按大小排序?yàn)椋盒颓粶囟龋句伭厦娣e＞模壓速度。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果得出該彩色裝飾材料最佳一體模壓工藝參數(shù)為型腔模壓溫度153℃，鋪料面積80%，模壓速度1.0 mm／s。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4. 1 批量產(chǎn)品驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)得出的模壓工藝參數(shù)，按照優(yōu)化的模壓工藝參數(shù)在生產(chǎn)線上實(shí)際小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品花色為卡迪木紋，產(chǎn)品規(guī)格尺寸為500 mm×2 200 mm，總計(jì)150 件，經(jīng)測試A 品共148 件(外觀質(zhì)量等級≥8 級)，B 品共2 件(表面外觀缺陷)，合格率98.7%，在優(yōu)化的模壓工藝參數(shù)下壓制的制品表面光滑，彩色逼真，表面褶皺少，獲得了很好的工業(yè)化生產(chǎn)效果。

4. 2 帶彩色裝飾層制品與原色產(chǎn)品性能對比

為了進(jìn)一步了解彩色裝飾層對于SMC 材料產(chǎn)品性能的影響，筆者采用上述標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)分別壓制帶表面裝飾層的制品樣塊和不帶表面裝飾層的純SMC 制品樣塊，并分別對主要物理性能進(jìn)行檢測，測試結(jié)果見表7。

表7 測試樣塊性能對比

由表7 可以看出，與沒有表面裝飾層的SMC制品相比較，彩色壁板樣塊的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)上有明顯的提高，說明帶表面裝飾層的一體化模壓成型產(chǎn)品具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

彩色表面裝飾層應(yīng)用于整體衛(wèi)浴壁板產(chǎn)品的實(shí)配效果圖見圖7，從美觀方面有了很大提升。

圖7 彩色飾面整體衛(wèi)浴安裝效果圖

5 結(jié)論

(1)在整體衛(wèi)浴彩色壁板制備的各工藝參數(shù)中，模壓溫度對樣品彎曲強(qiáng)度影響最大，鋪料面積的影響次之，模壓速度的影響最小。

(2)由正交實(shí)驗(yàn)得到標(biāo)準(zhǔn)化的彩色壁板一體模壓成型優(yōu)化工藝參數(shù)為：型腔模壓溫度153℃，鋪料面積80%，模壓速度1.0 mm／s。

本研究對課題的支撐作用如下：

(1)通過整體衛(wèi)浴表面花色壁板標(biāo)準(zhǔn)化制造工藝的研究，可以顯著提升制品的表面感觀質(zhì)量，使其可達(dá)到天然石材、木紋等逼真的感觀效果，并且可以進(jìn)一步提升壁板性能。

(2)本研究可以對壁板的標(biāo)準(zhǔn)化制造起到指導(dǎo)作用，為彩色壁板的工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，從而為整體衛(wèi)浴標(biāo)準(zhǔn)化、系列化制造技術(shù)的提升起到關(guān)鍵的助推作用。