德国维尔茨堡的德国塑料研究中心(SKZ – Das Kunststoff-Zentrum)赞助项目的其中一部分,是对适用于所有WPC产品的不同焊接方法加以深入细致研究和分析,现已得出研究结论。同时,鉴于世界范围都缺少参数的标准化研究,该项目也对焊接参数的影响进行了分析。研究对象是市场现有WPC组件(型材和注塑)的热对接焊接、超声波焊接和振动焊接技术。材料分析
热对接焊接对热对接焊接的研究主要聚焦是在如何优化改良WPC材质的这一加工程序。为此在德国迪青根Widos有限责任公司的试验工厂进行了焊接试验,选用的是市场现有的不同结构WPC型材,通过分析评估焊接结果来界定最适宜的焊接参数和容许参数范围。用于试验样本的系统包括PTFE涂层和气动合模组件的传统热焊接设备,焊接程序通过可系统编程控制器(PLC)也可实现气动进行。使用了这一焊接系统,从已经进行的材料分析观察结果中看出,能够实现可重复调换加热温度、定向、加热时长和焊接次数,以及加热和焊接压力。此外,该系统还装配了强度和轨迹传感器,这样以来,这些加工参数便能够在焊接测试的过程中被精确地监控和记录。为了研究薄膜作为焊接填充材料对提升WPC产品焊缝强度的影响,在调换步骤中,与基底材料匹配的薄膜会自动插入进焊接板。由此得到的焊接样本随后对其机械短时特性进行整体测试,从而得出不同焊接参数下的焊缝强度。在项目进行的过程中,对焊接样本进行了显微镜分析,研究木质纤维结构和定向对焊缝强度的影响。由于系统研究和焊接参数的适应变化的积极作用,在热对接焊接WPC型材的拉力测试中得出,PVC基WPC(木质含量50%)的焊接系数可达0.66,而PP基WPC(木质含量60%)更高达0.75。图3举例展示了PP基WPC型材样本的对比,可以看出无焊接样本的拉力强度和不同焊接压力和加热时长情况下焊接样本的拉力强度变化。在这个测试中,得到的最高焊接系数是定向时长15秒,加热时长90秒,焊接压力0.25MPa。对相同型材使用厚度0.22mm的焊接填充薄膜可以有效提升焊接系数至0.87。表1展示了相应的焊接参数和系数下,研究中使用所有型材的特性。从这里可以看出,材料结构对WPC型材可焊性起到至关重要的影响作用。纯木质成分或者塑料基底无法达到预期的焊接性能,例如,无法实现不用焊接填充材料而与木质含量50%的PE基底型材进行焊接,但却可以焊接另一木质含量70%的PE基底型材。同时,型材结构也对可焊性和焊缝强度有着重要影响,这一点从下表中的PVC基型材的试验结果看出,有同样I成分构成,但两种不同结构的A和B型材所呈现出的特性存在很大差异。
短时拉力测试的结果显示焊接板的纤维定向也对决定焊缝强度起到了非常重要的作用。显微镜像分析显示,在焊接板的焊接熔化区域内呈现非常清晰的木质纤维线性定向,这种定向产生自焊接步骤中的熔化珠链成分结构挤压流,由于降低了用于形成焊接点的基底材料量,从而导致了焊缝强度的降低。这种定向在所有木质纤维成分和各种纤维规格的样本中都可以观察到。图4展示的示例是显微镜下的PP基WPC型材(木质含量60%)的焊缝和断裂面,可以清楚看出焊缝区域内的木纤维定向。同时,焊接剪力会对木纤维形成机械损坏,纤维的机械损坏虽然无法完全避免,但是能够通过选择适当的焊接压力而实现最小化。在焊接过程中,残留的熔化层厚度或者焊缝熔化区域在显微镜下则无法识别。鉴于许多WPC产品(例如,房屋外部覆层或面板)都用于户外,这些产品的焊缝也必须能够经受在气候影响下的长期使用。为此,研究项目对在焊接和无焊接WPC型材进行了相关的人工和自然气候测试。人工气候测试是使用德国Linsengericht-Altenhasslau的Atlas材料测试科技有限责任公司出品的气候侵蚀设备,根据DIN EN ISO 4892方法2过滤去除全球辐射(无窗户玻璃)。这一测试包括两个交互干燥和潮湿阶段,WPC型材会在气候变化之后进行显微镜像和短时机械拉力性能方面的评估。评估结果显示,在自然和人工气候影响下,湿气和UV辐射对于没有抵抗性能的WPC产品的影响会引致材料拉力显著降低达20%,并且产生褪色现象。在气候变化的过程中,基底材料强度的降低也影响了焊缝强度,虽然在焊缝强度10到最大的范围内的降低幅度要明显小得多,与没有气候变化的样本相比降低幅度为16%。这些结果都在略微高的焊接系数测试上得以体现。材料特性的这些变化都相对集中地发生在试验开始最初约190小时内,随后气候变化持续到1000小时,则没有观察到进一步显著的性能变化。图5展示显示了在人工气候环境下,PVC基WPC型材(木质含量50%)的材料和焊缝强度方面的变化。与此同时,市场现有抗UV性WPC型材则凸显出天气变化情况下的更好稳定性。因此,在户外使用时额外使用抗UV材质,能够显著降低材料老化的现象。