整理塑料成型論文

塑料成型論文結(jié)晶性塑料制品注塑成形質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)方法研究摘要：結(jié)晶性材料的結(jié)晶度與塑料制品質(zhì)量有緊密聯(lián)系。利用電容傳感器的物理特性,通過測(cè)量注塑成形過程中的結(jié)晶度來實(shí)現(xiàn)制品質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè),重點(diǎn)研究了熔體溫度、注塑壓力、注塑時(shí)間及保壓壓力對(duì)結(jié)晶度的影響機(jī)制,同時(shí)分析了工藝參數(shù)結(jié)晶度力學(xué)性能的關(guān)系,設(shè)計(jì)并制造出了一套注塑模具進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著結(jié)晶度的增大,注塑件的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度隨之增大,通過調(diào)控工藝參數(shù),能有效控制制品的結(jié)晶度,進(jìn)而得到優(yōu)良力學(xué)性能的注塑制品。注塑工藝成形結(jié)晶性塑料時(shí),結(jié)晶度會(huì)直接影響塑料制品質(zhì)量的好壞。目前,聚合物結(jié)晶度測(cè)量主要采用離線的方法,如倪卓等[１]運(yùn)用差熱分析法、光譜分析法、密度法對(duì)PP共混材料進(jìn)行了結(jié)晶度的測(cè)量,結(jié)果表明:測(cè)量曲線的整體趨勢(shì)相同,但數(shù)值的差異性較大,光譜分析法較其他方法而言測(cè)量結(jié)果更真實(shí)。包世星等[２]提出并制定了利用差熱分析法進(jìn)行結(jié)晶度測(cè)量的國家通用標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于結(jié)晶度的在線測(cè)量,于同敏等[３]通過熱電偶傳感器和超聲外場(chǎng)注塑成形試驗(yàn)系統(tǒng),研究了工藝參數(shù)和超聲功率變化對(duì)注塑件內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明,適當(dāng)增大超聲功率可以使其結(jié)晶度提高,從而提高注塑件的力學(xué)性能。FAVARO等[４]采用光學(xué)儀器通過注塑過程中光學(xué)性質(zhì)的變化對(duì)注塑件進(jìn)行監(jiān)測(cè),研究了成核劑和注塑工藝參數(shù)對(duì)光信號(hào)的影響,結(jié)果表明,該器件對(duì)不同注塑件的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、形貌和注塑參數(shù)變化具有較好的敏感性。MORETTI等[５]采用光纖傳感器監(jiān)測(cè)不同工藝條件下制件的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)參數(shù),并研究了注塑成形變量對(duì)結(jié)晶動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響,但是該光學(xué)系統(tǒng)對(duì)結(jié)晶度很低的制件無法監(jiān)測(cè)。趙朋等[６]采用超聲波對(duì)模具內(nèi)聚合物熔體的完全結(jié)晶區(qū)及完全非晶區(qū)的密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),然后通過密度與結(jié)晶度的關(guān)系獲得結(jié)晶度,該方法易導(dǎo)致結(jié)晶度不準(zhǔn)確。在線監(jiān)測(cè)是獲得高性能注塑成形制品的有效方法之一,目前在線監(jiān)測(cè)主要集中在成形過程中的工藝參數(shù)和型腔內(nèi)部壓力,但由于成形中外界因素的影響,難以保證實(shí)際成形參數(shù)的穩(wěn)定性,不能準(zhǔn)確反映制品的真實(shí)質(zhì)量。本文利用電容傳感器的物理特性,通過測(cè)量注塑成形過程中的結(jié)晶度來實(shí)現(xiàn)制品質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè),設(shè)計(jì)并制造出一套注塑模具,開展了驗(yàn)證試驗(yàn),通過上機(jī)位處理實(shí)時(shí)結(jié)晶度數(shù)據(jù),達(dá)到結(jié)晶度的在線可視化測(cè)量的目的。同時(shí)分析研究了制品結(jié)晶度與成形參數(shù)和力學(xué)性能之間的關(guān)系。1試驗(yàn)原理分析塑料熔體在注塑充模、保壓補(bǔ)縮、冷卻凝固過程中會(huì)發(fā)生形態(tài)改變,工藝參數(shù)的調(diào)整致使注塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,從而改變其介電常數(shù)。結(jié)合模具成形過程的特點(diǎn),試驗(yàn)選用圓柱形介電常數(shù)變化型電容傳感器。結(jié)晶度測(cè)量傳感器在監(jiān)測(cè)過程中需經(jīng)歷預(yù)注塑、注塑填充和冷卻凝固三種工作狀態(tài),如圖１所示。為便于闡述,本文約定與空氣、塑料熔體以及陶瓷介質(zhì)相關(guān)的傳感器參數(shù)下標(biāo)分別為１、２、３。由于冷卻定型后塑料的結(jié)晶情況才趨于穩(wěn)定,下面重點(diǎn)分析冷卻凝固階段電容式傳感器測(cè)量結(jié)晶度的原理。圖１結(jié)晶度測(cè)量傳感器所經(jīng)歷的三種工作狀態(tài)如圖１c所示,熔融塑料充滿模具型腔時(shí),型腔中的電介質(zhì)完全為塑料,電容傳感器測(cè)量的總電容可由下式得到:通常,平板式電容器總電容量由下式計(jì)算得到:2試驗(yàn)成形試驗(yàn)為便于力學(xué)性能測(cè)試,注塑件設(shè)計(jì)為圖２所示形狀,壁厚為２mm,且符合GB/T１４４７—２００５《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》的要求。試樣材料為東莞市儀昌工程塑膠有限公司的改性聚己二酰己二胺(PA６６),含３０％的短切玻璃纖維。圖２注塑件設(shè)計(jì)圖注塑成形試驗(yàn)在海天集團(tuán)制造的MA１２００-３７０G型螺桿臥式注塑機(jī)上進(jìn)行,模具采用一模兩腔側(cè)澆口結(jié)構(gòu),如圖３a所示,并在模具的型腔里安裝一個(gè)電容傳感器探頭,位置設(shè)在型腔橫截面變化處,同時(shí)為了避免因塑料收縮導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)脫離模具,在安裝探頭孔的下端設(shè)有擋板固定,如圖３b所示。電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)包括電容傳感器探頭、阿爾泰測(cè)控系統(tǒng)、USB３１０２數(shù)據(jù)采集卡、振蕩器、放大器等。結(jié)晶度測(cè)量采用DSC２００F３差示掃描量熱儀。根據(jù)改性PA６６的成形工藝特性,確定將熔體溫度２９０℃、注塑壓力１１０MPa、保壓壓力８０MPa、注塑時(shí)間２．５s作為試驗(yàn)初始工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,通過改變?nèi)垠w溫度、注塑壓力、保壓壓力和注塑時(shí)間進(jìn)行注塑成形試驗(yàn),研究注塑成形工藝參數(shù)與結(jié)晶度及其力學(xué)性能之間的關(guān)系。成形工藝參數(shù)的變化值如表驗(yàn)方法,確定力學(xué)性能測(cè)試試１樣所成示形。工根藝據(jù)參正數(shù)交,試如表２所示。圖３注塑件及模具結(jié)構(gòu)表１工藝參數(shù)拉伸及彎曲性能測(cè)試進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)前,根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置好相應(yīng)參數(shù),分別以５mm/min和２mm/min的速度進(jìn)行拉伸及彎曲試驗(yàn),直至試樣被完全拉斷或壓斷為止,獲得每組試驗(yàn)的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度數(shù)值。差示掃描量熱法(DSC)測(cè)量結(jié)晶度試驗(yàn)在DSC測(cè)試時(shí),將PA66樣品中心部分切下薄片,質(zhì)量為3~8mg,初始溫度設(shè)定為30℃,以20℃/min的升溫速率加熱至310℃,然后立即以-20℃/min的速率降溫至初始溫度,升溫與降溫時(shí)間均為14min。3結(jié)果分析與討論注塑件結(jié)晶度與成形工藝參數(shù)的關(guān)系表２力學(xué)性能測(cè)試試樣成形工藝參數(shù)利用DSC分析法測(cè)量得到不同工藝參數(shù)變化時(shí)的試樣內(nèi)部結(jié)晶度變化曲線,見圖４。由圖４a可見,隨著塑料熔體溫度的升高,結(jié)晶度也隨之增大,當(dāng)熔體溫度達(dá)到一定值后,結(jié)晶度的變化趨于平緩。這是因?yàn)榻Y(jié)晶是一個(gè)熱量變化的過程。用θg代表玻璃化溫度,θm代表熔融溫度,θ代表熔體溫度,當(dāng)θ＜θg時(shí),分子的動(dòng)能較小,受分子力的束縛,運(yùn)動(dòng)緩慢甚至停止,結(jié)晶過程中所需熱量放出的效率很低,不能滿足晶核形成的條件,無法結(jié)晶;當(dāng)θg＜θ＜θm時(shí),在大量晶核存在的條件下,隨著溫度不斷升高,分子運(yùn)動(dòng)加速,成核速度加快,晶粒增長速度也增大,兩者相結(jié)合使結(jié)晶速率達(dá)到最大速度,結(jié)晶度不斷增大;當(dāng)θ＞θm時(shí),分子獲得的動(dòng)能超過分子間作用力的能量,分子運(yùn)動(dòng)加劇,晶核反而不穩(wěn)定,易使已形成的晶核數(shù)量減少。由圖４b可見,增大注塑壓力,能有效增大結(jié)晶度。原因是增大注塑壓力使得聚合物熔體壓實(shí)程度提高,在充填流動(dòng)過程中,熔體受到的剪切力增大,促使分子鏈沿著剪切應(yīng)力方向有序排列,從而形成有序排列的區(qū)域,誘導(dǎo)生成更多晶胚,加快了成核及結(jié)晶速率,導(dǎo)致最終結(jié)晶度增大。同理,縮短注塑時(shí)間,則注塑速率增大,剪切效應(yīng)增強(qiáng),分子鏈?zhǔn)芗羟袘?yīng)力作用而取向,致使結(jié)晶度增大。增加注塑時(shí)間,會(huì)減小塑料熔體的充填速度,減弱剪切效應(yīng),降低分子鏈有序排列程度,難以產(chǎn)生結(jié)晶,如圖４c所示。由圖４d可知,保壓壓力對(duì)結(jié)晶度的影響較大。在注塑成形時(shí),保壓的主要目的是型腔中的熔體進(jìn)一步補(bǔ)充塑料,減少收縮引起制品的缺陷。保壓壓力的增大會(huì)提高補(bǔ)縮效率,從而使型腔中熔體的密實(shí)程度進(jìn)一步提高,表現(xiàn)為塑料制品的密度和結(jié)晶度增大。隨著保壓壓力不斷增大,注塑件中的殘余應(yīng)力也隨之增大,高分子的應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶效應(yīng)增強(qiáng)。GUO等[８]利用數(shù)值模擬方法研究了剪切誘導(dǎo)結(jié)晶模型,研究表明:當(dāng)應(yīng)力增至一定程度時(shí),會(huì)促使聚合物分子鏈產(chǎn)生有序排列,提高塑料熔體的平衡熔點(diǎn)及過冷度,致使最終結(jié)晶度增大。當(dāng)保壓壓力進(jìn)一步增大時(shí),型腔中聚合物熔體不斷壓實(shí),分子鏈自由運(yùn)動(dòng)的空間減小,使得原先在充模階段形成的有序排列的分子鏈在保壓階段的松弛時(shí)間延長,導(dǎo)致在冷卻結(jié)晶完成之前得到取向的分子鏈數(shù)量減少,從而降低結(jié)晶度。圖４工藝參數(shù)與注塑件結(jié)晶度的關(guān)系曲線結(jié)晶度與注塑件力學(xué)性能的關(guān)系根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)獲得的性能參數(shù),得到注塑件結(jié)晶度與拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的關(guān)系曲線,如圖５所示。由圖５可知,隨著結(jié)晶度的增大,注塑件的拉伸和彎曲強(qiáng)度也隨之增大,這是因?yàn)榻Y(jié)晶度的增大說明結(jié)晶粒子增多,而結(jié)晶粒子是聚合物的物理交聯(lián)點(diǎn),分子鏈則是由眾多物理交聯(lián)點(diǎn)連接起來的[９]。注塑件在拉伸或彎曲時(shí),分子鏈上的物理交聯(lián)點(diǎn)均會(huì)受力,降低了因受力過于集中而發(fā)生分子鏈斷裂的概率。圖５力學(xué)性能與注塑件結(jié)晶度的關(guān)系曲線4結(jié)論(１)注塑成形過程中塑料熔體溫度、注塑壓力、注塑時(shí)間及保壓壓力等工藝參數(shù)會(huì)影響結(jié)晶度。(２)結(jié)晶性塑料的注塑件的拉伸及彎曲強(qiáng)度隨著結(jié)晶度的增大而提高。(３)對(duì)于結(jié)晶性塑料,利用電容傳感器的物理特性,通過測(cè)量注塑成形過程中的結(jié)晶度可實(shí)現(xiàn)制品質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)。(４)根據(jù)注塑成形工藝參數(shù)塑件結(jié)晶度力學(xué)性能之間的關(guān)系,