φ50×90襯筒注塑模具設(shè)計(jì),φ50×,90襯筒注塑模具設(shè)計(jì),50,90,注塑,模具設(shè)計(jì) PBT玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料水輔注塑成型的實(shí)驗(yàn)研究 摘要：本報(bào)告的目的是通過實(shí)驗(yàn)研究聚對苯二甲酸丁二醇復(fù)合材料水輔注塑的成型工藝。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)配備了水輔注塑統(tǒng)的80噸注塑機(jī)上進(jìn)行，包括一個(gè)水泵，一個(gè)壓力檢測器，一個(gè)注水裝置。實(shí)驗(yàn)材料包括PBT和15%玻璃纖維填充PBT的混合物以及一個(gè)中間有一個(gè)肋板的空心盤。實(shí)驗(yàn)根據(jù)水注入制品的長度的影響測得了各種工藝參數(shù)以及它們的機(jī)械性能。XRD也被用來分別材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后,作了水輔助和氣體輔助注塑件的比較。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熔體壓力,熔融溫度，及短射類型是影響水注塑行為的決定性參數(shù)。材料在模具一面比在水一面展示了較高的結(jié)晶度。氣輔成型制品也要比水輔成型制品結(jié)晶度高。另外，制品表面的玻璃纖維大部分取向與流動(dòng)方向一致，而隨著離制品表面距離的增加，越來越多的垂直與流動(dòng)方向。 關(guān)鍵詞：水輔注塑成型，玻璃纖維增強(qiáng)PBT，工藝參數(shù)，機(jī)械性能，結(jié)晶 1．前言 依靠重量輕，成型周期短，消耗低，水輔注塑成型技術(shù)在塑料制品制造方面已經(jīng)取得了突破。在水輔注塑成型中，模具行腔被部分注入聚合物熔體，而后向這些聚合物中心注入水。水輔注塑成型的原理如圖1 圖1 水輔注塑成型的原理如圖 水輔注塑成型能夠在更短的循環(huán)時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出收縮小，翹曲小，表面質(zhì)量好的各種薄厚的制品。水輔注塑成型工藝也可根據(jù)工具及設(shè)備的承受壓力在設(shè)計(jì)，節(jié)省材料，減輕重量，減少成本方面取得更大的自由。典型的應(yīng)用有棒，管材，水路管網(wǎng)建設(shè)用的大型復(fù)合結(jié)構(gòu)管。另一方面，盡管有很多優(yōu)勢，由于加入了額外的工藝參數(shù)，模具和工藝控制變的更加嚴(yán)峻和困難。水也可能腐蝕模具鋼，同時(shí)一些材料包括熱塑性塑料難以成型。成型后水的清除也是對這個(gè)新技術(shù)的一個(gè)挑戰(zhàn)。表1列出了水輔注塑成型技術(shù)的優(yōu)勢和局限性。 優(yōu)勢 局限性 1，成型周期短 2，成本低（水更便宜而且可方便地循環(huán)利用） 3，制品內(nèi)部不產(chǎn)生泡沫現(xiàn)象。 1，水腐蝕模具 2，需要較大的注塑元件。（容易陷入聚合物熔體） 3，一些材料難以成型（尤其是非晶態(tài)熱塑性材料） 4，成型后需要清除水 表1 水輔注塑成型有優(yōu)勢超過它更有名的競爭對手，氣輔注塑成型，因?yàn)橐揽克诔尚瓦^程中更好的冷卻能力，水輔注塑成型獲得了更短的成型周期。它的不可壓縮性，低成本以及易循環(huán)利用，水成為這一過程的理想媒介。既然水不會(huì)溶解和擴(kuò)散到聚合物熔體中，那么經(jīng)常在氣輔成型工藝出現(xiàn)的氣泡現(xiàn)象也便消除了。另外，水輔注塑成型能更好的用小剩余壁厚成型大型制件。表2是對水輔和氣輔成型工藝的一個(gè)比較。 表2水輔和氣輔成型工藝比較。 水輔 氣輔 1成型周期 2介質(zhì)成本 3氣泡現(xiàn)象 5殘余壁厚 6表面粗糙度 7表面光澤 8指形效應(yīng) 9非均勻穿透 10制品透明度 11內(nèi)表面（熱塑性半晶） 12內(nèi)表面（熱固性） 短 低 無 小 小 高 大 穩(wěn)定 高 平滑 粗糙 長 高 有 大 高 低 小 不穩(wěn)定 低 粗糙 平滑 隨著對密度小，強(qiáng)度高，價(jià)格便宜，成型周期短的優(yōu)良性能材料需求的增加，塑料工程是一個(gè)不可忽視的工藝。這些塑料包括熱塑性和熱固性塑料。一般來說，熱塑性塑料以其更高的沖擊強(qiáng)度，斷裂阻力，疲勞強(qiáng)度而更有優(yōu)勢。這使得熱塑性塑料在工程建設(shè)中廣泛使用。 PBT是廣泛使用的熱塑性工程塑料之一，它有1，4—丁烯乙2醇和DMT聚合而成。玻纖增強(qiáng)混合材料適用于提高原材料的機(jī)械性能。今天，短玻璃纖維增強(qiáng)PBT已被廣泛應(yīng)用與電子，通信，汽車領(lǐng)域。所以，對玻璃纖維增強(qiáng)PBT的研究更加重要了。本文是通過實(shí)驗(yàn)研究聚對苯二甲酸丁二醇水輔注塑的成型工藝，實(shí)驗(yàn)在一個(gè)配備了水輔注塑統(tǒng)的80噸注塑機(jī)上進(jìn)行，包括一個(gè)水泵一個(gè)壓力檢測器，一個(gè)注水裝置。實(shí)驗(yàn)材料包括PBT和15%玻璃纖維填充PBT的混合物以及一個(gè)中間有一個(gè)肋板的空心盤。實(shí)驗(yàn)根據(jù)水注入制品的長度的影響測得了各種工藝參數(shù)以及它們的機(jī)械性能。XRD也被用來分別材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后,作了水輔助和氣體輔助注塑件的比較。 2．實(shí)驗(yàn)步驟 2.1 材料 實(shí)驗(yàn)材料包括PBT（牌號(hào)1111FB，南亞塑料，臺(tái)灣）和15%玻璃纖維填充PBT的混合物（牌號(hào)1210G3，南亞塑料，臺(tái)灣）。表3列出了此混合材料的特征。 表3 纖維增強(qiáng)PBT復(fù)合材料特征 性質(zhì) ASTM PBT 15%G.F.PBT 屈服應(yīng)力(kg/cm2) 彎曲應(yīng)力(kg/cm2) 硬度 熱變形溫度（℃） MFI 沖擊強(qiáng)度 熔點(diǎn)（℃） D-638 D-570 D-785 D-648 D-1238 D-256 DSC 600 900 119 60 40 5 224 1000 1500 120 200 25 5 224 2.2 水輔注塑元件 一個(gè)實(shí)驗(yàn)室注水元件，包括一個(gè)水泵，一個(gè)壓力檢測器，一個(gè)注水閥，一個(gè)配備了溫度調(diào)節(jié)裝置的水箱，以及一個(gè)控制電路。這個(gè)孔板型注水閥每邊有兩個(gè)孔，用來成型制件。實(shí)驗(yàn)過程中，注水閥的控制電路收到由注塑機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對時(shí)間和注水壓力的控制。在注入模具行腔之前，水在有溫控裝置的水箱里加熱30分鐘。 2.3注塑機(jī)和模具 水輔注塑成型實(shí)驗(yàn)在一個(gè)最高注塑速率109cm3/s的80噸注塑機(jī)上進(jìn)行。研究使用了一個(gè)中間有一個(gè)肋板的空心盤。圖2顯示了這個(gè)行腔的尺寸。模具溫度由一個(gè)水循環(huán)模溫控制元件調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)根據(jù)水注入制品的長度的影響測得了各種工藝參數(shù)，包括熔體溫度，模具溫度，熔體充模壓力，水溫和水壓，注水延遲時(shí)間和保持時(shí)間，以及熔體短射類型。表4列出這些工藝參數(shù)及在實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值。 A B C D E F 熔體壓力 熔體溫度 短射類型 水 壓 水 溫 模具溫度 140 126 114 98 84 280 275 270 265 260 76 77 78 80 81 8 9 10 11 12 80 75 70 65 60 80 75 70 65 60 表 4 2.4氣輔注塑元件 為了對水輔和氣輔注塑成型制件進(jìn)行比較，氣輔注塑成型實(shí)驗(yàn)使用了一個(gè)商用氣輔注塑成型元件，其具體配置可參考RCFS。氣輔注塑成型工藝控制和水輔注塑成型一樣，除了氣體溫度設(shè)置為25外。 圖2 模具行腔的尺寸和外形 2.5 XRD 為了分析水輔注塑成型制品的晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)使用了具有二維探測分析傳輸模式的廣角X射線衍射儀。更特別的是實(shí)驗(yàn)對水輔注塑成型制品模具一邊和水一邊的樣品在7到40的范圍內(nèi)進(jìn)行測量。分析所用的樣品來自制品中心。為了獲得XRD樣品要求的厚度，多余的部分在一個(gè)旋轉(zhuǎn)輪上打磨掉。首先用濕的碳硅紗布，而后用粒度300的，再用粒度600和1200的，以獲得更好的表面質(zhì)量。 2.6機(jī)械性能 拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度測試在一個(gè)拉力測試機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)對水輔注塑成型制件樣本進(jìn)行拉力測試以評估水溫對拉伸性能的影響。樣本的尺寸為30mm*10mm*1mm. 水輔注塑成型制件的彎曲實(shí)驗(yàn)也在室溫下進(jìn)行。彎曲樣本的尺寸為20mm*10mm*1mm 2.7顯微鏡觀察 用電子掃描顯微鏡（型號(hào)5410）觀察制品中纖維的分子取向。樣品為取自注塑成型制件厚度方向上（圖3）。在垂直于流動(dòng)方向了對截面進(jìn)行觀察。觀察前，所有樣品表面鍍金。 圖3拉伸和彎曲測試切取樣品的位置圖示 3結(jié)果和討論 所有實(shí)驗(yàn)在一個(gè)最高注塑速率109cm3/s的80噸注塑機(jī)上進(jìn)行。所有研究中使用了一個(gè)中間有一個(gè)肋板水道的空心盤。 3.1制品的指形效應(yīng) 所有制品都在水道的過度區(qū)域出現(xiàn)了指形效應(yīng)。并且，玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料指形效應(yīng)比不增強(qiáng)的更嚴(yán)重，如圖4所示。指形效應(yīng)一般在一種密度小，粘性低的液體穿過另一種密度大，粘性高的不相溶液體時(shí)產(chǎn)生。考慮一個(gè)密度和黏度變化都很快的兩相界面或區(qū)域。流體移動(dòng)的壓力P2-P1導(dǎo)致有效的置換量用下式描述 這里U是特性速率，K是穿透性。當(dāng)壓力為正時(shí)，任何很小的置換量都會(huì)被放大，導(dǎo)致不穩(wěn)定并出現(xiàn)指形效應(yīng)。當(dāng)一種液體被比它密度低，黏度小的液體置換時(shí)，我們知道ｕ=ｕ1-ｕ2》0，而且U》O。這時(shí)，當(dāng)一個(gè)黏度較高的液體被一種黏度較低的液體置換時(shí)，這種液體流動(dòng)性較高，會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定和指形效應(yīng)。這次研究的結(jié)果顯示玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料更傾向于指形效應(yīng)。這也許是因?yàn)椴ＡЮw維增強(qiáng)的復(fù)合材料和水的黏度差比較大。因此水輔注塑成型復(fù)合材料顯示了更嚴(yán)重的指形效應(yīng)。 3.2水穿透對工藝參數(shù)的影響 圖4 PBT復(fù)合材料水輔注塑成型照片 3.2工藝參數(shù)對水穿透的影響 實(shí)驗(yàn)根據(jù)水穿透行為的影響測得了各種工藝參數(shù)。表4列出這些工藝參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)值。為了成型制件，引用了一個(gè)重要工藝條件。通過在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)中改變一個(gè)參數(shù)，我們可以更好的理解在復(fù)合材料水輔注塑成型中每個(gè)參數(shù)對水穿透行為的影響。成型后，實(shí)驗(yàn)測量了水注塑的長度。圖5-10顯示了工藝參數(shù)對水注塑長度的影響，包括熔體充模壓力，熔體溫度，模具溫度，短射類型，水溫以及水壓。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水在純凈PBT中比在玻璃纖維增強(qiáng)PBT復(fù)合材料中穿透更深。這是由于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料冷卻過程中體積收縮更小，因此，制品被水穿過的長度要短些。 熔體充模壓力 圖5，熔體充模壓力對水穿過長度的影響 熔體溫度 圖6 熔體溫度對水穿過長度的影響 模具溫度 圖7模具溫度對水穿過長度的影響 短射類型 圖8短射類型對水穿過長度的影響 水溫 圖9水溫對水穿過長度的影響 水壓 圖10水壓對水穿過長度的影響 由圖5可以看出，水穿過長度隨著熔體充模壓力的增大而減小。這可以解釋為由于熔體充模壓力增大，模具行腔對流動(dòng)的阻力增加，因此水更難以進(jìn)入材料的內(nèi)部。水穿過長度因而變短。 圖6可以看出成型PBT復(fù)合材料制品時(shí)，隨著熔體溫度是增加水穿過長度也會(huì)變短。這也許是因?yàn)殡S著溫度增加聚合物熔體的黏度降低。較低的熔體黏度有利于水包裹住水道，減少空閑區(qū)域，而不是更深的穿透。水道開頭孔的變小導(dǎo)致了水穿過長度的變短。 如圖7，增加模具溫度稍微降低了水在成型制品中的穿過長度。這也許是因?yàn)樵黾幽＞邷囟冉档土死鋮s速率以及材料的黏度。于是水就包裹了水道，減少了水道口附近的空閑空間，而不是更深的穿透制品。 如圖8，增加短射率降低了水穿過長度。在水輔注塑成型中，模具行腔被部分注入聚合物熔體，而后向這些聚合物中心注入水。聚合物熔體短射率的增加降低了水在成型制品中的穿過長度。 作為實(shí)驗(yàn)中的工藝參數(shù)，增加水溫或者水壓都增加了水在成型制品中的穿過長度。增加水溫降低了冷卻速率，是聚合物熔體更長時(shí)間內(nèi)保溫，它的黏度也因此降低。這有利于水更深的進(jìn)入進(jìn)品中心。增加水壓也有利于水穿過物體，因此而獲得更深的穿透長度。 最后，制品的偏差，各種工藝參數(shù)測量的主觀性， 最大的制品偏差是翹曲。表11的結(jié)果顯示制品翹曲隨著水在成型制品中的穿過長度的降低而減少。這是因?yàn)樗┻^制品的長度越長，包裹聚合物材料的水就越多。制品的翹曲和收縮也因而降低。 水穿過制品的長度 3.3成型制品的結(jié)晶 PBT是一個(gè)結(jié)晶速率很高的半結(jié)晶熱塑性聚脂。在水輔注塑成型過程中，結(jié)晶在非等溫條件下發(fā)生，冷卻速率隨著冷卻時(shí)間而變化。這里研究了各種工藝參數(shù)包括充熔體溫度，模具溫度，以及水溫對成型制品結(jié)晶的影響。測量使用了2維廣角X射線衍射儀。表12的結(jié)果顯示所有材料在模具層的結(jié)晶比在水層的結(jié)晶度要高。這個(gè)結(jié)果標(biāo)志著在冷卻過程中水有著更好的冷卻能力。這與我們早先通過測量模內(nèi)溫度分布得到的結(jié)果一致。另外，表12C的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示成型材料的結(jié)晶隨著水溫的增加而增加。這是因?yàn)樵黾铀疁亟档土死鋮s過程中的材料冷卻速率。成型制品因而有更高的結(jié)晶度。 熔體溫度，模具溫度，以及水溫對水輔成型制品結(jié)晶的影響 另一方面，為了對水輔和氣輔注塑成型制品的結(jié)晶作一個(gè)比較，我們在同一臺(tái)注塑機(jī)上做了實(shí)驗(yàn)，不同的是注塑機(jī)裝備了一個(gè)高壓氮?dú)庾⑺苎b置。圖13的結(jié)果顯示氣輔注塑成型制品比水輔注塑成型制品有著更高的結(jié)晶度。這是因?yàn)樗瓤諝獾睦鋮s能力高，冷卻快。因而水輔注塑成型制品比氣輔注塑成型制品的結(jié)晶度要低些。 圖13，水輔和氣輔成型制品的結(jié)晶度 3.4機(jī)械性能 對水輔注塑成型制品樣本進(jìn)行拉伸測試以觀察水溫對拉伸性能的影響，表14的測量結(jié)果顯示其隨水溫增高而降低。正如我們看到的，PBT材料的屈服應(yīng)力和拉伸應(yīng)力都隨著溫度增高而降低。另一方面，PBT水輔注塑成型制品彎曲強(qiáng)度測試也在室溫下進(jìn)行。圖15的測試結(jié)果顯示，制品的彎曲強(qiáng)度也隨溫度升高而降低。 圖15 水溫對PBT制品彎曲強(qiáng)度的影響 圖14水溫對PBT制品拉伸性能的影響 一般來說，增高水溫降低了冷卻速率，使制品的結(jié)晶度增高。正如我們所知，對于半結(jié)晶熱塑性塑料，較高的結(jié)晶度意味著較低的自由體積因而增加了制品的剛度。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，結(jié)晶度對PBT力學(xué)性能的影響是微不足道的，有更重要的增加了PBT材料的拉伸和彎曲應(yīng)力。成型材料的機(jī)械性能取決于成型過程中結(jié)晶的數(shù)量和晶體類型。PBT的延展性隨著結(jié)晶降低的事實(shí)說明PBT在冷卻速率較低的成型過程中結(jié)晶度和剛性增加，因?yàn)槿狈ρ诱剐裕尚椭破吩诶鞙y試中的數(shù)值較高，而剛度沒有預(yù)期的高。無論如何，需要更詳細(xì) 的實(shí)驗(yàn)研究水輔注塑成型制品的形態(tài)參數(shù)以及相關(guān)的機(jī)械性能。 3.5成型制品中纖維取向 從制品的中間切取小的樣品用來觀察纖維的取向。觀察的位置如圖3所示。觀察前，所有樣品的表面被磨光并鍍金。圖16顯示了水輔注塑成型制品的微型結(jié)構(gòu)。 圖16 PBT復(fù)合材料水輔注塑成型制品的纖維取向 測量結(jié)果顯示水輔注塑成型制品中的纖維取向與常規(guī)注塑制品有明顯區(qū)別。 在常規(guī)注塑制品中一般觀察兩個(gè)區(qū)域：薄壁處與中心。在薄壁區(qū)域，所有纖維取向與流動(dòng)方向平行，而在中心，纖維在流動(dòng)平面內(nèi)取向隨意。與常規(guī)注塑成型相比，水輔注塑成型技術(shù)的充模方式不同。對于常規(guī)注塑機(jī)，一個(gè)循環(huán)周期被定義為充模，保壓，冷卻3個(gè)階段。而在水輔注塑成型過程中，模具行腔被部分注入聚合物熔體，而后向這些聚合物中心注入水。這個(gè)新穎的充模方式明顯影響了纖維的取向。 由圖16可以看出，水輔注塑成型制品的纖維取向大致可分為3個(gè)區(qū)域，在模具一邊的表面，這里充模時(shí)剪切很嚴(yán)重，纖維很規(guī)則的平行。在水一側(cè)的表面，剪切作用不明顯，速率快，在這種情況下，纖維更傾向與垂直與注射方向。在制品中心，纖維取向很隨意。 總的來說，模具一邊的制品表面的玻璃纖維取向大部分與流動(dòng)方向一致，而隨著離這一表面距離的增加，纖維取向逐漸的垂直與流動(dòng)方向。最后，應(yīng)該注意的是，我們實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該在今后的研究中對水輔注塑成型和常規(guī)注塑成型的纖維取向和形態(tài)做一個(gè)定量的比較。 4結(jié)論 本報(bào)告的目的是通過實(shí)驗(yàn)研究聚對苯二甲酸丁二醇復(fù)合材料水輔注塑的成型工藝?；诋?dāng)前實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論 1. 水輔注塑成型制品在水道的過度區(qū)域出現(xiàn)了指形效應(yīng)。并且，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的指形效應(yīng)比不增強(qiáng)的更嚴(yán)重 2. 研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示PBT復(fù)合材料的水穿透長度隨著水溫和水壓的增加而增加。隨著熔體充模壓力，熔體溫度，模具溫度，短射量的增加而降低。， 3. 制品的翹曲隨著水穿透的程度而降低了。 4. 注塑制品的結(jié)晶度隨著水溫的升高而提高。水輔成型制品的結(jié)晶度比氣輔的要低。 5. 模具一邊的制品表面的玻璃纖維取向大部分與流動(dòng)方向一致，而隨著離這一表面距離的增加，纖維取向逐漸的垂直與流動(dòng)方向 感謝 感謝臺(tái)灣科學(xué)委員會(huì)對研究工作的資金支持！ 參考文獻(xiàn) [1] Knights M. 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