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动态保压注塑成型在高分子成型中的应用

2024-02-12 来源:爱问旅游网


动态保压注塑成型在高分子成型中的应用

一、 引言

随着我国国民经济的迅速发展,工业生产水平也有了很大提升,高分子合成材料是工业生产中的重要组成部分,对于工业发展有十分重要的推动作用。随着高分子材料的应用领域越来越广泛[1],高分子加工成型技术的研究也越来越深入,作为一门新兴技术,其诞生时间不长,但是已经取得了较大的成就,具有较强的应用价值。高分子加工成型技术是一门综合技术,融合了物理、化学、生物等多个学科,加强对该技术的研究,是我国科学技术进一步发展的重要体现。

二、 高分子主要加工方法

目前,在进行高分子材料成型操作的过程中,其主要的方法有六种,分别是:挤出成型、 注射成型、 吹塑成型、 塑料激光成型、 半结晶塑料激光成型、 激光烧结成型等[2]。

2.1 挤出成型

所谓挤出成型,指的是借助螺杆旋转加压的方式,实现对于高分子材料的成型操作。一般情况下,在进行高分子材料挤出成型的具体操作过程中,需要经过加料、 塑化、成型、 定型等环节。在操作过程中,技术人员需要对挤出设备水平、 机头模具、 加工精度以及挤出成型工艺进行高效、 全面的控制,继而确保成型的流畅性以及成型制品的美观性。不仅如此,在挤出成型的操作过程中,产品质量往往还受到挤出机工作压力、 螺杆转速、 加料速度、 塑料品种的影响。因此在操作过程中,要求工作人员加强该方面的管控。

2.2 注塑成型技术

作为塑料加工中最为常见的技术方法之一,注射成型技术在运用的过程中能够实现对于复杂空间几何形状的塑料产品的制作。事实上,这一技术在运用的过程中具有应用面广、 成型效率高、 品种多、 尺寸稳定、 机械化水平高等特点,故而获得了相关部门的青睐。 基于此,注射成型技术在塑料制造行业获得了广泛的运用。相关数据显示:在进行全部热塑性塑料以及部分热固性塑料制造生产的过程中,技术人员以及相关部门都采用了注塑成型技术进行具体的操作。

2.3 吹塑成型技术

所谓的吹塑,又被称之为中空吹塑。其具体内涵指的是借助气体压力使闭合在模具中的热熔型坯吹胀形成中空制品的方法。 这种方法凭借着其自身的优势而逐渐成为高分子材料加工、 制造行业的新宠,并在实际的运行过程中获得了长足的发展,成为发展较快的一种塑料成型方法。在借助吹塑成型技术进行实际的生产操作过程中,技术人员往往只需要借助阴模(凹模)进行具体的操作。 不同于注塑成型技术,吹塑成型技术在运用的过程中具有设备成本低,适应性强,可成型性能高的特点,故而能够生产出有复杂起伏曲线(形状)的制品。吹塑成型技术在运用的过程中由于具体的操作不同,故而被分为三种主要的方法类型:挤出吹塑成型、 注塑吹塑成型以及拉伸吹塑成型。

2.4 塑料激光成型

作为近年来发展起来的加工技术,激光成型技术在运行的过程中通过高度聚焦的激光垂直照射在需要进行塑型的模板之上。由于塑料直接吸收激光的能力较低,所以在该技术运行的过程中,需要技术人员在塑型部位涂上吸收热量的涂料。

2.5 半结晶塑料激光成型

所谓的塑料激光成型技术,其原理是通过对激光能量的吸收促进塑料表面的变形。在实际的操作过程中,需要技术人员保障塑料表面的温度低于材料结晶溶解的温度,由此确保塑料性能的充分发挥。此外,塑料的拉伸应力与弯曲强度往往在 60 摄氏度以上才会进行变形,基于此需要技术人员加强对于温度的控制。

2.6 激光烧结成型

作为一种具有超高发展潜力的高分子材料成型加工技术,激光烧结成型技术在实际的运用过程中,通过借助CAD 辅助技术,实现了对于塑料的加工处理,在此基础之上实现对于生产模具等方面成本结算的高效。总体而言,激光烧结成型技术具有节约生产成本、环保节能高的特点,故而能够在零部件生产方面具有突出的表现,故而成为最具发展潜力的塑料成型技术。

三、 动态保压注塑成型

注射成型是塑料加工成型的一种重要手段,普通的注射成型是在注塑完成后将塑料在静态条件下进行保压成型。这种加工方式存在着一些固有的缺点:

(1)生产大面积结构制件时,高的熔体粘度要求高的工作压力,高的工作压力要求大的锁模力,这样增加了机器和模具费用。

生产厚壁制件时,对于收缩率大的塑料,难以克服表面缩痕内部缩孔,塑件尺寸精度差。

(2)加工纤维和高分子液晶增强复合材料时,基体中纤维随机分布,不能充分展现纤维

或高分液晶的高模量和高强度性能。

(3)动态保压注塑技术是指采用特制的模具,在聚合物注射成型的保压过程中向聚合物熔体施加一定外加剪切应力,以控制聚合物基体的结晶形态和取向结构或控制分散相的形态,从而改变聚合物材料的力学性能[3].

这些缺点大大限制了注射成型技术和高聚物材料在工业中的应用。动态保压注塑则是在将塑料熔体注入模具后,在一定的动态应力条件下进行保压成型,即保压过程开始时,活塞在液压力的推动下,以相同的频率反相运动,使熔体反复通过型腔尚未冻结的芯层,直到芯层完全冻结,保压结束,打开模具取出制品。[4]

3.1 动态保压装置

动态保压成套装置结构如图3-1所示,它主要由三部分组成,注射机A、保压头B和模具C。除此之外,还有一个液压机用来驱动两个保压活塞3和9。

两个活塞的活动有一个单片机组成的控制单元控制。在该单片机存储有几十种保压模式供选择使用。保压时间、保压频率等加工参数可任意设定。保压头B安装在定模板上,并用传统方法与模具定位。

图3-1 动态保压注塑装置示意图

A-注射机 B-保压头 C-模具

3.2 动态保压注塑成型工艺参数

动态保压注塑成型典型工艺过程如下:活塞2和9被设置在图3-1所示的初始位位置。塑性熔体通过注射机喷嘴1注射进入通道2和10,然后进入料腔4和8,最后流入模具型腔。待型腔充满后,保压过程开始。当保压过程进行到预先设定的时间时,保压结束,开模取出塑件。[5]

在编制的几十种保压模式中,有三种最基本的保压模式。它们分别是:模式A,活塞3和9以相同频率前后运动,但其相位差180;模式B,活塞3和9同相位同频率前后运动实施保压;模式C,活塞3和9在静态压力下向前运动实施保压。

对于模式A来说,型腔中的塑料熔体被交替地压入料腔4和8,塑料熔体在整个保压

过程中一边冷却一边流动,受到剪切作用,这种保压模式如图3-2A所示。保压模式B相当于两个动态压头,其作用是反复压缩,释压于模具型腔,如图3-2B。模式C类似于传统注射成型,通过两料腔向模具型腔施加静态压力,如图3-2C所示。

A B C

图3-2 三种基本保压模式(A-模式A,B-模式B,C-模式C)

3.2.1 型腔压力变化

图3-3是三种基本保压方式下典型的型腔压力变化曲线。由图可见动态保压注射成型无论是方式A还是方式B都能延缓型腔中熔体的冻结,使型腔中的压力维持相当长的时间。尤其是保压方式A,能使型腔中的压力维持4分多钟。而静态 保压模式C,型腔压力在极短时间内就衰减到了零。型腔压力的这种变化表明,与传统注射成型相比,动态注射成型技术对型腔的保压更加充分和有效,压力传递更好,其制备的塑件尺寸精度应更高,更加密实,力学性能也应得到相应改善。

A B C

图3-3 型腔压力与保压时间的关系

(A-模式A,B-模式B,C-模式C)

3.2.2 保压模式

不同保压模式下所制备样件的厚度平均值如图3-4所。与静态保压相比,动态保压所制备样件的厚度尺寸偏差要小得多。厚壁塑件在静态保压下不能克服的表面 凹陷也基本得到消除。这主要是因为动态保能延缓型腔和流道中塑料熔体的冻结, 能使型腔中的压力维持相当长的时间, 因此能向型腔中注入更多的塑料, 消除了由于收缩造成的表面凹陷,同时减小尺寸偏差。

3.2.3 保压时间

不同保压时间对制件厚度的影响如图3-5。无论何种保压模式,增加保压时间都使制件的尺寸偏差减小。这主要归因于延长保压时间将注入更多的塑料。从图6还可见动态保

压样件的尺寸偏差小于静态保压样件。静态保压无法克服的表面凹陷使用动态保压后基本得到了消除。

3.2.4 保压频度

由于保压频率直接影响两保压活塞移动的距离,因此保压频率的大小与塑件尺寸偏差有关,如图3-6所示。对于保压模式B,当保压频率为0.2Hz时,尺寸偏差最 小,对于保压模式A , 保压频率为0.3 Hz时,尺寸偏差最小。由此可见过高过 低的保压频率都不利于塑腔的保压 , 不利于减少尺寸偏差。

图3-4 保压模式与样件厚度的关系 图3-5 塑件厚度与保压时间的关系

图3-6 样件宽度与保压频率的关系

3.2.5 溶体温度

图3-7是塑料熔体温度对样件厚度的影响。由图可见,对于动态保压模式A和B,熔体温度越高,尺寸偏差越小。这是因为高的熔体温度进一步延缓了熔体的冻结,从而使动态保压更加充分,尺寸偏差减小,而对于静态保压模式,情形正好相反。熔体温度越高,尺寸偏差越大。这主要是因为熔体温度越高,塑件收缩越大,而 静态保压的补缩能力并不会因熔体温度的提高而有多大改善,因此其尺寸偏差增大。动态保压较静态保压的保压作用更加有效,意味着动态保压样件的重量 应有所增加,力学性能应相应提高,图3-8、3-9样件重量、拉伸强度与熔体温度的关 系都证实了这点。动态保压样件重量和拉伸强度比静态保压样件的都有很明显的提高提高。总的来说,同静态保压相比,动态保压样件的拉伸强度提高了大约8 %。

图3-7 样件厚度与熔体温度的关系

图3-8 样件重量与熔体温度的关系 图3-9 样件抗张强度与熔体温度的关系

3.3 我国动态保压注塑成型进展

1996年,官青等[6]研究了动态应力场下注塑的自增强PP微观结构与力学性能的关系,相比静态应力场下所注塑的试样,其拉伸弹性模量和屈服强度分别从1.4 GPa和31 MPa提高到了3.0 GPa和58 MPa,力学性能提高主要的贡献来自于 PP在动态应力场中形成的串晶结构和分子链的高度取向。1997年,他们又研究了在振动力场下注塑的PE–HD微观结构对其力学性能的影响,差示扫描量热(DSC) 和广角X射线衍射分析显示振动力场有助于串晶结构的形成和分子链的取向,从而使得PE–HD的拉伸弹性模量从1.0 GPa提高到3.5 GPa,屈服强度从 23 MPa提高到87 MPa。

2000年,张弓等[7]采用动态保压方式制得了高强度、高韧性的 PE–HD (7006A)/PP 共混物试样,PP质量分数为8% 时,共混物试样拉伸强度最高达 97.1 MPa,比静态注塑试样提高了4.3倍;PP 质量分数为20%时,缺口冲击强度最高为45.5 kJ/m2,比静态注塑试样提高了9.5倍。分析认为,剪切力的介入使得相分离的程度有所改善,产生了增强增韧的效果。

2006年,雷军[8]研究了动态保压注塑对PE–HD(5000S)和PE–HD/超高分子量聚乙

烯 (PE–UHMW)共混物结构与性能的影响。动态保压注塑技术实现了 PE–HD的双向自增强,流动方向和垂直于流动方向上的拉伸强度分别提高了50% 和 30%。对于 PE–HD/PE–UHMW共混物,尤其是在平行于流动方向上,共混物的拉伸强度与常规的静态注塑试样相比提高了约235%,断裂伸长率近150%, 拉伸过程中显示是延性断裂;在垂直于流动方向上的断裂方式为塑性断裂,拉伸性能也提高30%。通过SEM发现PE–HD在PE–UHMW的诱导下生成了一种全新的类似网状的串晶结构,结构中的片晶相互缠结,且出现了β晶型,表层是未取向的球晶,剪切层是由取向极为规整的片晶和串晶结构相互缠结而形成,因而得到的PE–HD/PE–UHMW共混物具有高强度和高韧性。

2010~2011年,杨风霞等[9-10]将动态保压注塑技术应用到PA1010/PP和乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐(POE-g-MAH)增韧PA1010/PP试样制备过程中,发现剪切诱导作用下共混物形成独特的相态和多层结构,中间是芯层,围绕着芯层的是剪切层,最外面是皮层,分散相尺寸减小,分散也更为均匀。当 PP 的质量分数为20%时,PA1010/PP共混物试样的相区尺寸由静态注塑试样的3.9 μm 降低到1.4 μm,因而大大提高了共混物的拉伸强度、拉伸弹性模量和缺口冲击强度。当PP的质量分数为20%时,共混物的缺口冲击强度达到21.3 kJ/m2,是静态注塑试样的3倍多,拉伸强度达到50.9 MPa,是静态注塑试样的1.5倍。力学性能的提高归因于剪切诱导作用下独特相态的形成,分子链沿流动方向的取向是拉伸强度提高的主要原因,而剪切力使分散相颗粒变小和剪切层中分子链的取向是冲击强度提高的主要原因。

四、 展望

动态保压注塑技术能够在成型过程中使材料的内部结晶结构有所改变,在剪切层形成一种片晶与脊纤维晶互锁的“串晶”结构,结晶度提高,分散相尺寸减小且分散更为均匀,制品收缩率降低。与传统的静态注塑工艺相比,该技术可提高注塑制品拉伸强度、冲击强

度和模量等性能,这在某些应用领域尤其是在厚壁制品加工中将会起到极为关键的作用。但就目前的文献资料看,研究基本停留在小试阶段,还未见有真正应用到塑料制品工业化生产中的实例,因而该技术要实现真正的实际工业应用还需要进行更多的研究。

[1] 苏龙. 对高分子材料的加工成型技术研究[J].信息记录材料, 2017, 18(5):43-44.

[2] 路王珂, 王志芬. 有关高分子材料成型加工技术研究[J].内燃机与配件,2017(1) :110-111.

[3] 傅强. 聚烯烃注射成型[M]. 北京:科学出版社, 2007.

[4] 马丽华, 盛利军, 张振, 滕岩. 我国动态保压注塑技术的研究进展[J]. 工程塑料应用, 2014 (7) :127-131.

[5] 官青, 申开智, 吉继亮. 动态保压注射成型技术研究[J].成都科技大学学报,1995 (5) :20-26.

[6] 官青,申开智,朱居木,张弓,吉继亮.动态应力场中成型的自增强聚丙烯的结构与性能[J].高分子学报, 1996 , 1 (3) :378-381.

[7] 张弓,傅强,申开智,蒋龙. HDPE/PP共混物在振动剪切作用下的力学性能与形态控制[J].高等学校化学学报, 2000 , 21 (4) :633-636.

[8] 雷军. 聚烯烃在强剪切应力和少量高分子量聚烯烃诱导下的结构与性能[D]. 成都:四川大学,2006.

[9] 杨风霞,周成娟,杜荣昵,杨静晖,傅强. 剪切作用下PA1010/PP共混物的形态与性能研究[J].高分子学报,2010 , 1 (7) :849-856.

[10] 杨风霞,刘萍,陶建中,王爱荣. 动态保压注射成型中POE-g-MAH对PA1010-PP共混物的增容作用[J].复合材料学报,2011 , 28 (2) :42-48.

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