第34卷第9期 塑料工业 2006年9月 CHINA HASTICS INDUSIRY 工艺参数对注塑件熔接痕性能的影响 杨风霞,姜小莹,汤波 (河南科技学院化工系,河南新乡453003) 摘要:概述了注塑件熔接痕的分类及特点;分析了工艺参数主要包括熔体温度、模具温度、充模速度、注射时 间、注射压力、保压压力、后处理等对熔接痕的外观及性能的影响。着重阐述了各工艺爹数对熔接痕性能影响的研究 进展;综述了优化工艺参数和研究工艺参数对熔接痕影响程度的硏究以及数值模拟技术、并从工艺方面提出了减小熔 接痕损害的方法 关键词:注塑件;熔接痕;工艺参数;外观;力学性能 中图分类号:T0320.662文献标识冯:A文章编号:1005·5770(2006)09-0033.03 Influences of Injection Pr s on Property ocess aara meters on Weld Line of Injecton- molded part YANG Feng xia, J IANG Xiaoying, TANG Bo (Dept. of Chemical Eng, Henan Institute of Sci. and Tech., Xinxiang 453003, China Abstract: The classification and characteristics of weld line of injectiorolded parts are introduced. The cause and effect of injection process parameters, including melt temperature, ould temperature, the velocity of mould filling, injection time, injection pressure, packing pressure and post treatment conditions, on the appear ance and property of the weld line are analyzed, with the emphasis on the advance in the research of the influences of injection process parameters on the property of weld line. Parametric optimization, the research on the relative significance of each factor on the weld line strength and numerical simulation techology are reviewed. The metods to improve the mechanical properties of injectior molded parts with weld line are given according to different affect ctors. Key words Injectior olded Parts, Weld Line; Process Parameters; Appearance; Mechanical Properties 塑料有很多种成型方法,其中注塑是最重要的成和加速充满型腔,采用两个或两个以上的浇口时,从 型方法。但是,注塑件会存在各种缺陷,其中熔接痕不同浇口进入型腔的熔体前锋迎头相遇处形成熔接 是注塑件中常见的缺陷之一。“熔接痕”指两股流动痕,这种熔接痕叫冷接痕(或对接痕)(如图la) 的熔融塑料相接触,而形成的形态结构和力学性能都另一种是由于制品中存在孔、嵌件等引起熔体分开再 完全不同于塑料其它部分的三维区域。熔接痕受成汇合而形成熔接痕,这种熔接痕叫热接痕(或并合 型工艺影响很大,在不同的工艺条件下,熔接痕区的痕)(如图1b);第三种是由于充模时的熔体前沿的 强度可以是原始材料的10%~90%,严重影响和“喷泉”式流动或壁厚不均引起的熔接痕 限制了注塑件的正常使用;因此,具体分析工艺参数 熔合痕 熔合痕 对熔接痕的影响,并找出相应的解决办法,对于改善 注塑件外观质量,提高力学性能有很大实际意义 nD区 1熔接痕的分类及其形成 a·两浇口形成冷接痕b-嵌件形成热接痕 1.1熔接痕的分类 图1注塑件中两种常见的熔接痕 注塑件中最常见的熔接痕有三种基本类型。一种 Fig 1 Two types of commn weld line of injectiorrmoulded part 是注塑件因为结构特点或尺寸较大,为减小熔体流程1.2熔接痕的特点 *河南科技学院青年骨干教师资助计划项目 作者简介:杨风霞,女,1968年生,副教授,主要从事注塑成型技术研究和化学教学工作。axia(@hist.edu.cn C1994-20107ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishinghOuse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
工艺参数对注塑件熔接痕性能的影响Ξ 杨风霞 , 姜小莹 , 汤 波 (河南科技学院化工系 , 河南 新乡 453003) 摘要 : 概述了注塑件熔接痕的分类及特点 ; 分析了工艺参数主要包括熔体温度、模具温度、充模速度、注射时 间、注射压力、保压压力、后处理等对熔接痕的外观及性能的影响。着重阐述了各工艺参数对熔接痕性能影响的研究 进展 ; 综述了优化工艺参数和研究工艺参数对熔接痕影响程度的研究以及数值模拟技术 , 并从工艺方面提出了减小熔 接痕损害的方法。 关键词 : 注塑件 ; 熔接痕 ; 工艺参数 ; 外观 ; 力学性能 中图分类号 : TQ320166 + 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1005 - 5770 (2006) 09 - 0033 - 03 Influences of Injection Process Parameters on Property of Weld Line of Injecton2molded Part YANG Feng2xia , J IANG Xiao2ying , TANG Bo (Dept1 of Chemical Eng1 , Henan Institute of Sci1 and Tech1 , Xinxiang 453003 , China) Abstract : The classification and characteristics of weld line of injection2molded parts are introduced1 The cause and effect of injection process parameters , including melt temperature , mould temperature , the velocity of mould filling , injection time , injection pressure , packing pressure and post2treatment conditions , on the appear2 ance and property of the weld line are analyzed , with the emphasis on the advance in the research of the influences of injection process parameters on the property of weld line1 Parametric optimization , the research on the relative significance of each factor on the weld line strength and numerical simulation technology are reviewed1The methods to improve the mechanical properties of injection2molded parts with weld line are given according to different affect2 ing factors1 Keywords : Injection2molded Parts ; Weld Line ; Process Parameters ; Appearance ; Mechanical Properties 塑料有很多种成型方法 , 其中注塑是最重要的成 型方法。但是 , 注塑件会存在各种缺陷 , 其中熔接痕 是注塑件中常见的缺陷之一。“熔接痕”指两股流动 的熔融塑料相接触 , 而形成的形态结构和力学性能都 完全不同于塑料其它部分的三维区域[1 ] 。熔接痕受成 型工艺影响很大 , 在不同的工艺条件下 , 熔接痕区的 强度可以是原始材料的 10 %～90 %[2 ] , 严重影响和 限制了注塑件的正常使用 ; 因此 , 具体分析工艺参数 对熔接痕的影响 , 并找出相应的解决办法 , 对于改善 注塑件外观质量 , 提高力学性能有很大实际意义。 1 熔接痕的分类及其形成 111 熔接痕的分类 注塑件中最常见的熔接痕有三种基本类型。一种 是注塑件因为结构特点或尺寸较大 , 为减小熔体流程 和加速充满型腔 , 采用两个或两个以上的浇口时 , 从 不同浇口进入型腔的熔体前锋迎头相遇处形成熔接 痕 , 这种熔接痕叫冷接痕 (或对接痕) (如图 1a) ; 另一种是由于制品中存在孔、嵌件等引起熔体分开再 汇合而形成熔接痕 , 这种熔接痕叫热接痕 (或并合 痕) [3 ] (如图 1b) ; 第三种是由于充模时的熔体前沿的 “喷泉”式流动或壁厚不均引起的熔接痕。 a - 两浇口形成冷接痕 b - 嵌件形成热接痕 图 1 注塑件中两种常见的熔接痕 Fig 1 Two types of common weld line of injection2moulded part 112 熔接痕的特点 · 33 · 第 34 卷第 9 期 2006 年 9 月 塑料工业 CHINA PLASTICS INDUSTRY Ξ 河南科技学院青年骨干教师资助计划项目 作者简介 : 杨凤霞 , 女 , 1968 年生 , 副教授 , 主要从事注塑成型技术研究和化学教学工作。yfxia @hist1edu1cn
2006年 熔接痕的特点:1)垂直取向,形成熔接痕时,于取向应力状态下的分子链有较长的时间松弛,对注 两股流动的熔体相碰撞,使熔体分子链沿厚度方向而塑件总体强度和接痕强度都有利。 Piccolo sl认为 不是沿充模主流方向上取向,这种取向削弱了材料沿模具温度对熔接痕的影响与材料有关,对于无定型聚 充模主流方向上的强度;2)弱连接,由于材料松弛合物,模具温度对熔接痕的影响不大,甚至没有影 时的分子链来不及形成足够的缠绕和扩散就被凝结,响,而对于结晶型材料,熔接痕的性能对模具温度非 这样在两熔体之间形成弱连接;3)表面ⅴ型槽,由常敏感。对于半结晶型塑料,模具温度的影响更大 于熔体收缩和滞留在型腔中的空气或在充模过程中产因为在半结晶型、结晶型聚合物中,聚合物形态不只 生的挥发物来不及排出而形成表面型槽{2l。 依赖于取向,还取决于结晶程度,而结晶程度又依赖 2工艺参数对熔接痕外观和性能的影响 于冷却速率,冷却速率越慢,结晶程度越大,结晶度 注塑过程中,完全消除熔接痕几乎不可能,但可越高,垂直取向越弱,表面V型槽越轻微,熔接痕 以通过各种措施,将其对注塑件外观和性能約影响降处强度越大。提高模具温度引起晶粒增大对于接痕强 至最低。下面分析了工艺参数对熔接痕的形态和性能度不利的倾向,可通过选用含成核剂的材料来解决 的影响。工艺参数包括熔体温度、模具温度、注射压 valguarnera考察了熔体温度、模具温度、充模 力、保压压力、注射时间和充模速度等。许多学者对速度、注射压力对一般商用P、耐冲击PS、PP等热 不同材质、不同加工参数设置时的熔接痕强度作了大塑性塑料熔接痕拉伸强度的影响,认为对于玻璃化聚 量研究。熔接痕对注塑件的损害程度可定量地用接痕合物和表现出屈服的无定型聚合物,熔体温度和模具 系数Fk来表示。接痕系数定义如下 温度是影响熔接痕拉伸屈服强度的主要因素;但对于 含接良试样性能值 结晶型材料,结果却不一样,张克惠通过对PA含 无接痕试样性能值 熔接痕试样的试验证明提高熔体温度和模具温度对熔 2.1熔体温度和模具温度 接痕强度绝对值和接痕系数都无明显影响。 随着熔体温度的升高,接痕系数有增大的趋势。2.2充模速度和注射时间 因为熔体粘度和高分子链段的热运动强烈地依赖于温 随着充模速度的升高或注射时间的减小,接痕系 度,升高温度,能降低熔体粘度,加快链段热运动,数有增大的趋势。提高充模速度或减小注射时间,将 加速高聚物的松弛过程,使熔体进入型腔后仍具有较减少熔体波前锋汇合前的流动时间,热耗散减少,并 高温度和较强活动能力,还可减小熔体与模腔壁接触加强剪切生热,使熔体温度回升,从而提高了熔接痕 时形成的凝结层厚度;增大熔体流动通道截面积,有强度。对于低熔体质量流动速率的剪切敏感性聚合物 利于熔体料流前锋充分熔合、扩散和相互缠结,提高来说,提高充模速度或减小注射时间,降低粘度能使 熔接痕区域的强度3。ChK等验证了提高熔体分子链在熔接痕区进一步松弛l1l。 Titomanlio G2l和 温度,有助于减小表面Ⅴ型槽的深度。笔者通过对 Piccolo s9发现,熔接痕强度对注射时间非常敏感」 PP和ABS含熔接痕注塑件的试验,也证明了随着熔会随着注射时间的缩短而增强。 体和模具温度的升高,熔接痕会明显减轻。杨扬、2.3注射压力和保压压力 刘春太8研究了成型温度对纤维增强PA66(33%玻 随着注射和保压压力的升高,接痕系数有增大 纤)注塑件熔接痕拉伸性能的影响,发现随着熔体温的趋势。提高注射压力,有助于克服流道阻力,把压 度升高,有或无熔接痕的试样拉伸强度都会随着温度力传递到波前锋,使熔体在接痕处以高压熔合,增加 的升高而升高。温度变化对熔接痕拉伸强度的影响并接痕处的密度,使熔接痕强度提高,另外,实验证 不是线性的,当温度相对较低时(如270℃O,温度明,熔接痕距离浇口越近,熔接痕强度越高。这是因 升高,熔接缝的拉伸强度变化明显;但当温度升高到为近浇口处压力高,远浇口处压力低。提高保压压 一定程度时,这种变化相对平缓。 力,有助于增加接痕处的密度,使熔接痕强度得到提 随着模具温度的升高,接痕系数有增大的趋势。高 提高模具温度可以使熔体进入型腔后冷却速率变慢, 对于不同的材料,工艺参数对熔接痕强度的影响 使熔体分子保持较强活动能力的时间较长,还可减小是不同的 R3对PA6(35%C 熔体与模腔壁接触时形成的凝结层厚度。増大熔体流、PP(40%滑石粉)、PO和ABS等五种材料的冷F 动通道截面积,同样有利于熔体前锋的熔合、扩散和系数在不同参数设置下分别进行了弯曲、拉伸和冲击 相互缠结,改善接痕强度。熔体缓慢冷却又使接痕处测试。所选参数为:保压压力、注射速度、熔体温度 1994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
熔接痕的特点 : 1) 垂直取向 , 形成熔接痕时 , 两股流动的熔体相碰撞 , 使熔体分子链沿厚度方向而 不是沿充模主流方向上取向 , 这种取向削弱了材料沿 充模主流方向上的强度 ; 2) 弱连接 , 由于材料松弛 时的分子链来不及形成足够的缠绕和扩散就被凝结 , 这样在两熔体之间形成弱连接 ; 3) 表面 V 型槽 , 由 于熔体收缩和滞留在型腔中的空气或在充模过程中产 生的挥发物来不及排出而形成表面 V 型槽[1 ,2 ] 。 2 工艺参数对熔接痕外观和性能的影响 注塑过程中 , 完全消除熔接痕几乎不可能 , 但可 以通过各种措施 , 将其对注塑件外观和性能的影响降 至最低。下面分析了工艺参数对熔接痕的形态和性能 的影响。工艺参数包括熔体温度 , 模具温度、注射压 力、保压压力、注射时间和充模速度等。许多学者对 不同材质、不同加工参数设置时的熔接痕强度作了大 量研究。熔接痕对注塑件的损害程度可定量地用接痕 系数 FKL来表示。接痕系数定义如下 : FKL = 含接良试样性能值 无接痕试样性能值 211 熔体温度和模具温度 随着熔体温度的升高 , 接痕系数有增大的趋势。 因为熔体粘度和高分子链段的热运动强烈地依赖于温 度 , 升高温度 , 能降低熔体粘度 , 加快链段热运动 , 加速高聚物的松弛过程 , 使熔体进入型腔后仍具有较 高温度和较强活动能力 , 还可减小熔体与模腔壁接触 时形成的凝结层厚度 ; 增大熔体流动通道截面积 , 有 利于熔体料流前锋充分熔合、扩散和相互缠结 , 提高 熔接痕区域的强度[4 ,5 ] 。Cho K 等[6 ]验证了提高熔体 温度 , 有助于减小表面 V 型槽的深度。笔者通过对 PP 和 ABS 含熔接痕注塑件的试验 , 也证明了随着熔 体和模具温度的升高 , 熔接痕会明显减轻。杨扬[7 ] 、 刘春太[8 ]研究了成型温度对纤维增强 PA66 (33 %玻 纤) 注塑件熔接痕拉伸性能的影响 , 发现随着熔体温 度升高 , 有或无熔接痕的试样拉伸强度都会随着温度 的升高而升高。温度变化对熔接痕拉伸强度的影响并 不是线性的 , 当温度相对较低时 (如 270 ℃) , 温度 升高 , 熔接缝的拉伸强度变化明显 ; 但当温度升高到 一定程度时 , 这种变化相对平缓。 随着模具温度的升高 , 接痕系数有增大的趋势。 提高模具温度可以使熔体进入型腔后冷却速率变慢 , 使熔体分子保持较强活动能力的时间较长 , 还可减小 熔体与模腔壁接触时形成的凝结层厚度。增大熔体流 动通道截面积 , 同样有利于熔体前锋的熔合、扩散和 相互缠结 , 改善接痕强度。熔体缓慢冷却又使接痕处 于取向应力状态下的分子链有较长的时间松弛 , 对注 塑件总体强度和接痕强度都有利。Piccarolo S[9 ]认为 模具温度对熔接痕的影响与材料有关 , 对于无定型聚 合物 , 模具温度对熔接痕的影响不大 , 甚至没有影 响 , 而对于结晶型材料 , 熔接痕的性能对模具温度非 常敏感。对于半结晶型塑料 , 模具温度的影响更大 , 因为在半结晶型、结晶型聚合物中 , 聚合物形态不只 依赖于取向 , 还取决于结晶程度 , 而结晶程度又依赖 于冷却速率 , 冷却速率越慢 , 结晶程度越大 , 结晶度 越高 , 垂直取向越弱 , 表面 V 型槽越轻微 , 熔接痕 处强度越大。提高模具温度引起晶粒增大对于接痕强 度不利的倾向 , 可通过选用含成核剂的材料来解决。 Malguarnera[10 ]考察了熔体温度、模具温度、充模 速度、注射压力对一般商用 PS、耐冲击 PS、PP 等热 塑性塑料熔接痕拉伸强度的影响 , 认为对于玻璃化聚 合物和表现出屈服的无定型聚合物 , 熔体温度和模具 温度是影响熔接痕拉伸屈服强度的主要因素 ; 但对于 结晶型材料 , 结果却不一样 , 张克惠[3 ]通过对 PA 含 熔接痕试样的试验证明提高熔体温度和模具温度对熔 接痕强度绝对值和接痕系数都无明显影响。 212 充模速度和注射时间 随着充模速度的升高或注射时间的减小 , 接痕系 数有增大的趋势。提高充模速度或减小注射时间 , 将 减少熔体波前锋汇合前的流动时间 , 热耗散减少 , 并 加强剪切生热 , 使熔体温度回升 , 从而提高了熔接痕 强度。对于低熔体质量流动速率的剪切敏感性聚合物 来说 , 提高充模速度或减小注射时间 , 降低粘度能使 分子链在熔接痕区进一步松弛[11 ] 。Titomanlio G[12 ]和 Piccarolo S[9 ]发现 , 熔接痕强度对注射时间非常敏感 , 会随着注射时间的缩短而增强。 213 注射压力和保压压力 随着注射和保压压力的升高 , 接痕系数有增大 的趋势。提高注射压力 , 有助于克服流道阻力 , 把压 力传递到波前锋 , 使熔体在接痕处以高压熔合 , 增加 接痕处的密度 , 使熔接痕强度提高 , 另外 , 实验证 明 , 熔接痕距离浇口越近 , 熔接痕强度越高。这是因 为近浇口处压力高 , 远浇口处压力低。提高保压压 力 , 有助于增加接痕处的密度 , 使熔接痕强度得到提 高。 对于不同的材料 , 工艺参数对熔接痕强度的影响 是不同的 , Selden R[13]对 PA6 (35 %GF) 、PPS (40 %GF) 、PP (40 %滑石粉) 、PPO 和 ABS 等五种材料的冷 FKL 系数在不同参数设置下分别进行了弯曲、拉伸和冲击 测试。所选参数为: 保压压力、注射速度、熔体温度 · 43 · 塑 料 工 业 2006 年
第34卷第9期 杨凤霞等:工艺参数对注塑件熔接痕性能的影响 和模腔温度。测试结果为:(A)弯曲测试对PA6的形状尺寸的影响因子为1.43%、注射速度的影响因 F系数影响最大的是注射速度和保压压力;对于子为0.82%和注射压力的影响因子为0.37% PPS,提高模温和注射速度,F系数减小,提高保 鲁晓梅提出了一个预测熔接痕形成位置的数 压压力,则系数增大。同样,提高保压压力,PP的值计算方法并用实例对该算法的可靠性进行了验证。 F系数增大,而提高注射速度和熔体温度,将抵消结果表明,算法的计算值与实验值较吻合,熔接痕位 由于提高保压压力所产生的效果。对于PO,提高注置正确,形状较符合。 射速度使系数增大,其它参数的影响不明显。熔体温 周华民8在塑料注射成形流动保压模拟结果的 度和注射速度的提高对ABS的系数有正面影响,而基础上,提出了基于节点特征模型的熔接痕位置确定 提高模温则产生负面影响。(B)拉伸测试对PPo试新算法,通过对熔接痕性能影响因素的分析,创建了 件进行拉伸测试表明,其熔体温度和模温对PO材基于人工神经网络方法的熔接痕性能评价模型,首次 料FA系数的负面影响最大。(C)冲击测试PA6、实现了满足工程需要的熔接痕性能定量预测。神经网 PsS和P在各种情况下的冲击测试中均出现脆性断络预测值与实测值吻合较好,达到了工程许可的误差 裂,且冲击强度较低,但系数都较高,接近1.0。某范围,且二者的分布趋势一致。 些条件下,PA6的Fk系数甚至大于1.0。而PPO和 谷诤巍在总结分析传统塑料制品的熔接痕强 ABS的Fx系数都出乎意料地低。Mdad和Fs)对度预测模型的基础上,引入WF半经验方程,建立 PA66(40%G)的试验也得到了类似的结果。 了用于预测高压成型条件下的薄壳塑料制品熔接痕强 2.4热处理 度模型,并将两种强度模型的预测结果与实验结果加 由于熔接痕处往往存在应力集中,所以热处理以比较,表明薄壳制品熔接痕强度预测模型能够很好 可以为注塑件中处于成型应力状态下的分子链提供松地预测薄壳制品的熔接痕强度 弛条件,能消除或大大减小在成型过程中形成的内应 减小熔接痕损害的方法 力,有助于改善制品的外观和力学性能 般来讲,采用下面方法可提高接痕系数,但对 3熔接痕工艺参数优化及数值模拟研究 不同材料应具体分析,如果企业长期生产某一种注塑 对熔接痕性能的影响常采用gch方法来设计件,可采用gch方法来优化工艺参数 实验,测量对于每种材料的各种工艺参数的组合对有 )在分解温度以下合理提高熔体与模具温度 熔接痕的注塑件的影响,找出最佳的工艺组合 但増加熔体温度与模具温度会引起成型周期延长;2) 杨扬叫、刘春太按照guch设计了L9实验适当提高注射压力和保压压力;3)适当增加充模速 矩阵,选择的纤维增强PA66成型参数为熔体温度 度或减小注射时间;4)对于有些制品,成型后进行 注塑压力、保压压力和注射速度,研究发现,对于有适当的热处理,可以消除成型过程中的残留应力,也 熔接痕的试样,熔体温度的影响因子为70.98%,注有利于改善熔接痕的外观质量与强度。 塑压力的影响因子为0.82%,保压压力的影响因子5结语 为14.12%,注射速度的影响因子为13.14% 注塑成型中出现的熔接痕,由于它对塑件的外 Liu s j等11用 Taguchi实验参数设计了一个实观尤其是力学性能的不良影响,是塑件失效的一个重 验矩阵,对PS的注塑过程进行实验,选用六个参数要原因。工艺参数是影响熔接痕力学性能的主要原因 嵌件尺寸、注塑压力、熔体温度、保压压力、模腔之一,消除或减小熔接痕的影响,提高熔接痕的强 温度和注射速度)进行实验,得出各参数对性能影响度,可以采用 Taguchi方法优化加工参数、进行热处 的最优值,将六个参数的最优值组合到一个实验中进理等来消除或减轻熔接痕对注塑件外观和力学性能的 行验证,证明用优化的参数值可以显著提高熔接痕的影响,满足注塑件的使用要求,扩大注塑件的使用范 强度。根据 Taguchi论,用ANOA标准方差分析法就围。数值模拟技术、人工神经网络方法和薄壳制品熔 各参数对熔接痕的影响进行了计算,各参数对P熔接痕强度预测模型的应用,可以成功预测熔接痕位置 接痕强度的影响程度由高到低依次排列为:熔体温度和性能,为进一步提高研究水平、提高效率、降低成 的影响因子为67.46%、模腔温度的影响因子为本提供了广阔的前景。开发更全面的模拟分析软件, 17.72%、保压压力的影响因子为13.39%、嵌件几何是今后熔接痕研究的一个重要方向。 (下转第47页)
和模腔温度。测试结果为: (A) 弯曲测试 对 PA6 的 FKL系数影响最大的是注射速度和保压压力 ; 对于 PPS , 提高模温和注射速度 , FKL系数减小 , 提高保 压压力 , 则系数增大。同样 , 提高保压压力 , PP 的 FKL系数增大 , 而提高注射速度和熔体温度 , 将抵消 由于提高保压压力所产生的效果。对于 PPO , 提高注 射速度使系数增大 , 其它参数的影响不明显。熔体温 度和注射速度的提高对 ABS 的 系数有正面影响 , 而 提高模温则产生负面影响。(B) 拉伸测试 对 PPO 试 件进行拉伸测试表明 , 其熔体温度和模温对 PPO 材 料 FKL系数的负面影响最大。 (C) 冲击测试 PA6、 PPS 和 PP 在各种情况下的冲击测试中均出现脆性断 裂 , 且冲击强度较低 , 但系数都较高 , 接近 110 。某 些条件下 , PA6 的 FKL系数甚至大于 110 。而 PPO 和 ABS 的 FKL系数都出乎意料地低。Meddad 和 Fisa[6 ]对 PA66 (40 %GF) 的试验也得到了类似的结果。 214 热处理 由于熔接痕处往往存在应力集中 , 所以热处理 可以为注塑件中处于成型应力状态下的分子链提供松 弛条件 , 能消除或大大减小在成型过程中形成的内应 力 , 有助于改善制品的外观和力学性能。 3 熔接痕工艺参数优化及数值模拟研究 对熔接痕性能的影响常采用 Taguchi 方法来设计 实验 , 测量对于每种材料的各种工艺参数的组合对有 熔接痕的注塑件的影响 , 找出最佳的工艺组合。 杨扬[14 ] 、刘春太[15 ]按照 Taguchi 设计了 L9 实验 矩阵 , 选择的纤维增强 PA66 成型参数为熔体温度、 注塑压力、保压压力和注射速度 , 研究发现 , 对于有 熔接痕的试样 , 熔体温度的影响因子为 70198 % , 注 塑压力的影响因子为 0182 % , 保压压力的影响因子 为 14112 % , 注射速度的影响因子为 13114 %。 Liu S J 等[16 ]采用 Taguchi 实验参数设计了一个实 验矩阵 , 对 PS 的注塑过程进行实验 , 选用六个参数 (嵌件尺寸、注塑压力、熔体温度、保压压力、模腔 温度和注射速度) 进行实验 , 得出各参数对性能影响 的最优值 , 将六个参数的最优值组合到一个实验中进 行验证 , 证明用优化的参数值可以显著提高熔接痕的 强度。根据 Taguchi 论 , 用 ANOVA 标准方差分析法就 各参数对熔接痕的影响进行了计算 , 各参数对 PS 熔 接痕强度的影响程度由高到低依次排列为 : 熔体温度 的影响因子为 67146 %、模腔温度的影响因子为 17172 %、保压压力的影响因子为 13139 %、嵌件几何 形状尺寸的影响因子为 1143 % 、注射速度的影响因 子为 0182 %和注射压力的影响因子为 0137 %。 鲁晓梅[17 ]提出了一个预测熔接痕形成位置的数 值计算方法并用实例对该算法的可靠性进行了验证。 结果表明 , 算法的计算值与实验值较吻合 , 熔接痕位 置正确 , 形状较符合。 周华民[18 ]在塑料注射成形流动保压模拟结果的 基础上 , 提出了基于节点特征模型的熔接痕位置确定 新算法 , 通过对熔接痕性能影响因素的分析 , 创建了 基于人工神经网络方法的熔接痕性能评价模型 , 首次 实现了满足工程需要的熔接痕性能定量预测。神经网 络预测值与实测值吻合较好 , 达到了工程许可的误差 范围 , 且二者的分布趋势一致。 谷诤巍[19 ]在总结分析传统塑料制品的熔接痕强 度预测模型的基础上 , 引入 WLF 半经验方程 , 建立 了用于预测高压成型条件下的薄壳塑料制品熔接痕强 度模型 , 并将两种强度模型的预测结果与实验结果加 以比较 , 表明薄壳制品熔接痕强度预测模型能够很好 地预测薄壳制品的熔接痕强度。 4 减小熔接痕损害的方法 一般来讲 , 采用下面方法可提高接痕系数 , 但对 不同材料应具体分析 , 如果企业长期生产某一种注塑 件 , 可采用 Taguchi 方法来优化工艺参数。 1) 在分解温度以下合理提高熔体与模具温度 , 但增加熔体温度与模具温度会引起成型周期延长 ; 2) 适当提高注射压力和保压压力 ; 3) 适当增加充模速 度或减小注射时间 ; 4) 对于有些制品 , 成型后进行 适当的热处理 , 可以消除成型过程中的残留应力 , 也 有利于改善熔接痕的外观质量与强度。 5 结语 注塑成型中出现的熔接痕 , 由于它对塑件的外 观尤其是力学性能的不良影响 , 是塑件失效的一个重 要原因。工艺参数是影响熔接痕力学性能的主要原因 之一 , 消除或减小熔接痕的影响 , 提高熔接痕的强 度 , 可以采用 Taguchi 方法优化加工参数、进行热处 理等来消除或减轻熔接痕对注塑件外观和力学性能的 影响 , 满足注塑件的使用要求 , 扩大注塑件的使用范 围。数值模拟技术、人工神经网络方法和薄壳制品熔 接痕强度预测模型的应用 , 可以成功预测熔接痕位置 和性能 , 为进一步提高研究水平、提高效率、降低成 本提供了广阔的前景。开发更全面的模拟分析软件 , 是今后熔接痕研究的一个重要方向。 (下转第 47 页) 第 34 卷第 9 期 杨凤霞等 : 工艺参数对注塑件熔接痕性能的影响 · 53 ·
第34卷第9期张慧波等:磨碎玻纤对聚氨酯弹性体复合材料力学性能的影响47 硬度玻纤的含量增加使体系整体硬度提高;另一方面变形受阻,内应力增加而造成的。这点与李国忠、张 是材料的硬度与该材料抵抗外部拉伸应力的能力成正国辉12引等的观点基本一致。所以,从研制耐磨材料 比,所以随玻纤含量的增加体系硬度也提高。 的角度来看,在聚氨酯弹性体中加入硬质颗粒以提高 2.3磨碎玻纤用量对聚合物流动性的影响 其耐磨性是可行的。但需要控制好磨碎玻纤颗粒的添 在实验中发现,当体系中玻纤质量分数小于加量 15%时,复合材料的流动性比较好。当体系中玻纤质 表2复合材料相对磨损失重测试的结果 量分数较高时,聚合物流动性越来越差,这是由于随 Tab 2 Test results of relative wear loss of composte 着体系中玻纤用量的增加,玻纤与玻纤之间,玻纤与 复合材和 高聚物分子之间以及高聚物分子之间的内摩擦阻力变mmB玻纤质量分数%W/m 大,导致聚合物分子链之间的相对运动困难,所以在 37.32 25.790.691 0505 20.770.557 同样的温度下,与聚氨酯弹性体树脂相比,磨碎玻纤 68 19.170.509 复合材料流动性较低。这会给复合材料旳加工成型带 37.45 26.250.701 19.030.508 2424,430.6 22.710.594 来一定的难度,但这样的问题完全可以通过控制聚合 注:1)每次2min,测后清洗轮面, 反应温度或添加流动改性剂加以解决,只要很好地控 制反应聚合温度不超过∞℃或在磨碎玻纤复合材料3结论 的制备过程中加入一些流动改性剂,可以改善磨碎玻 1)利用超声波对偶联剂进行了有机处理,强化 纤复合材料的加工流动性能;但采用第二种方法会增了磨碎玻纤表面反应能力;提高了弹性体复合材料的 加材料的成本,也可能会带来一些其它缺陷 力学性能。 2.4磨碎玻纤用量对聚氨酯复合材料耐磨性的影响 2)硬度随磨碎玻纤用量的增加而增加,但提高 采用尖锐耐磨的硬质刚玉砂铸成的砂轮环作为对耐磨性则需要控制最佳添加量。 磨轮测试材料的耐磨,所用刚玉砂粒径为150,结 3)随着磨碎玻纤添加量的增加,复合材料的流 果如表2。 动性将下降 从表2可以看出,复合材料的耐磨性能明显比纯 参考文献 的弹性体高;同时就复合材料本身而言,随着磨碎玻1邓如生,共混改性工程塑料.北京:化学工业出版社 纤用量的增加;其耐磨性能也随之增加;但是当磨碎 2003.68 玻纤质量分数超过10%以后,其耐磨性能变化基本 2李国忠,郑少华,玻璃钢/复合材料,1997,11(3):18 3张国辉,王增宝,王闯.工程塑料应用,2003,31(4) 趋于平缓,到20%后耐磨损性能甚至有所下降。这 可能是因为磨碎玻纤颗粒太多造成聚氨酯基体的弹性 (修改稿于2006·05·30收到) (上接第35页) 10肖长江,注塑成型熔接线性能的实验研究和数值模拟 参考文献 【硕士论文】.郑州:郑州大 1冯良为,岑运福,杨军等.模具工业,2001,239(1):3411杨凤霞·塑料,2003,32(6):59 2肖长江.工程塑料应用,2003,31(3):17 12 Titomanlio G, Pccarolo $, Rallis A plym Eng Sci, 1989, 29 3张克惠,中国塑料,196,10(3):64 (4):209 地生m:20日B是,m 4杨凤霞,王爱荣,张耀昌.塑料」 5于 国塑料,2002,16(3):4 15刘春太,申长雨,复合材料学报,2004,21(5):68 7杨扬,董斌斌,刘春太,郑州大学学报(工学版),2004,16 Liu sJ,WuJY, Chang J H Rblym Eng Sci,2000,40(5) 25(1):102 8刘春太,赵延军,黄霞等.中国塑料,2004,18(1):517鲁晓梅,赵文彦,申长雨等.模具工业,200015(2):13 9 Pccarolo s, Rallis a, litomanlio g, Past Rubber Proc Appl,18周华民,李德群,中国机械工程,2004,15(21):1962 1987,8(3):181 19谷诤巍,付沛福.中国机械工程,2001,12(8):884 (本文于2006·05·30收到) D1994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net
硬度玻纤的含量增加使体系整体硬度提高; 另一方面 是材料的硬度与该材料抵抗外部拉伸应力的能力成正 比 , 所以随玻纤含量的增加体系硬度也提高。 213 磨碎玻纤用量对聚合物流动性的影响 在实验中发现 , 当体系中玻纤质量分数小于 15 %时 , 复合材料的流动性比较好。当体系中玻纤质 量分数较高时 , 聚合物流动性越来越差 , 这是由于随 着体系中玻纤用量的增加 , 玻纤与玻纤之间 , 玻纤与 高聚物分子之间以及高聚物分子之间的内摩擦阻力变 大 , 导致聚合物分子链之间的相对运动困难 , 所以在 同样的温度下 , 与聚氨酯弹性体树脂相比 , 磨碎玻纤 复合材料流动性较低。这会给复合材料的加工成型带 来一定的难度 , 但这样的问题完全可以通过控制聚合 反应温度或添加流动改性剂加以解决 , 只要很好地控 制反应聚合温度不超过 90 ℃或在磨碎玻纤复合材料 的制备过程中加入一些流动改性剂 , 可以改善磨碎玻 纤复合材料的加工流动性能 ; 但采用第二种方法会增 加材料的成本 , 也可能会带来一些其它缺陷。 214 磨碎玻纤用量对聚氨酯复合材料耐磨性的影响 采用尖锐耐磨的硬质刚玉砂铸成的砂轮环作为对 磨轮测试材料的耐磨 , 所用刚玉砂粒径为 150 # , 结 果如表 2。 从表 2 可以看出 , 复合材料的耐磨性能明显比纯 的弹性体高 ; 同时就复合材料本身而言 , 随着磨碎玻 纤用量的增加 ; 其耐磨性能也随之增加 ; 但是当磨碎 玻纤质量分数超过 10 %以后 , 其耐磨性能变化基本 趋于平缓 , 到 20 %后耐磨损性能甚至有所下降。这 可能是因为磨碎玻纤颗粒太多造成聚氨酯基体的弹性 变形受阻 , 内应力增加而造成的。这点与李国忠、张 国辉[2 ,3 ]等的观点基本一致。所以 , 从研制耐磨材料 的角度来看 , 在聚氨酯弹性体中加入硬质颗粒以提高 其耐磨性是可行的。但需要控制好磨碎玻纤颗粒的添 加量。 表 2 复合材料相对磨损失重测试的结果1) Tab 2 Test results of relative wear loss of composite PVC Ws / mg PUE Ws / mg Rw 复合材料 玻纤质量分数/ % Wt / mg Rw 38173 26141 01682 0 25146 01657 37132 25179 01691 5 20177 01557 37168 26100 01690 10 19117 01509 37145 26125 01701 15 19103 01508 38124 24143 01639 20 22171 01594 注 : 1) 每次 2 min , 测后清洗轮面。 3 结论 1) 利用超声波对偶联剂进行了有机处理 , 强化 了磨碎玻纤表面反应能力 ; 提高了弹性体复合材料的 力学性能。 2) 硬度随磨碎玻纤用量的增加而增加 , 但提高 耐磨性则需要控制最佳添加量。 3) 随着磨碎玻纤添加量的增加 , 复合材料的流 动性将下降。 参 考 文 献 1 邓如生 1 共混改性工程塑料 1 北京 : 化学工业出版社 , 2003168 2 李国忠 , 郑少华 1 玻璃钢/ 复合材料 , 1997 , 11 (3) : 189 3 张国辉 , 王增宝 , 王闯 1 工程塑料应用 , 2003 , 31 (4) : 29 (修改稿于 2006 - 05 - 30 收到) (上接第 35 页) 参 考 文 献 1 冯良为 , 岑运福 , 杨军等 1 模具工业 , 2001 , 239 (1) : 34 2 肖长江 1 工程塑料应用 , 2003 , 31 (3) : 17 3 张克惠 1 中国塑料 , 1996 , 10 (3) : 64 4 杨凤霞 , 王爱荣 , 张耀昌 1 塑料工业 , 2005 , 32 (4) : 59 5 于同敏 , 刘铁山 1 模具工业 , 2002 , 257 (7) : 33 6 郑生荣 , 辛勇 , 杨国泰 1 中国塑料 , 2002 , 16 (3) : 4 7 杨扬 , 董斌斌 , 刘春太 1 郑州大学学报 (工学版) , 2004 , 25 (1) : 102 8 刘春太 , 赵延军 , 黄霞等 1 中国塑料 , 2004 , 18 (1) : 55 9 Piccarolo S , Rallis A , Titomanlio G, Plast Rubber Proc Appl , 1987 , 8 (3) : 181 10 肖长江 1 注塑成型熔接线性能的实验研究和数值模拟 : 【硕士论文】1 郑州 : 郑州大学 , 2003 11 杨凤霞 1 塑料 , 2003 , 32 (6) : 59 12 Titomanlio G, Piccarolo S , Rallis A1 Polym Eng Sci , 1989 , 29 (4) : 209 13 Elden R1 Polym Eng Sci , 1997 , 37 (1) : 205 14 杨扬 , 董斌斌 , 刘春太 1 工程塑料应用 , 2004 , 32 (3) : 32 15 刘春太 , 申长雨 1 复合材料学报 , 2004 , 21 (5) : 68 16 Liu S J , Wu J Y, Chang J H1 Polym Eng Sci , 2000 , 40 (5) : 1256 17 鲁晓梅 , 赵文彦 , 申长雨等 1 模具工业 , 2000 , 15 (2) : 13 18 周华民 , 李德群 1 中国机械工程 , 2004 , 15 (21) : 1962 19 谷诤巍 , 付沛福 1 中国机械工程 , 2001 , 12 (8) : 884 (本文于 2006 - 05 - 30 收到) 第 34 卷第 9 期 张慧波等 : 磨碎玻纤对聚氨酯弹性体复合材料力学性能的影响 · 74 ·
