注塑條件對K4912牌號聚丙烯力學性能的影響

高星(神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林719300)

注塑條件對K4912牌號聚丙烯力學性能的影響

高星(神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林719300)

本文采用K4912牌號聚丙烯為試驗物料，研討了在注塑成型過程中注射速度、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力對其拉伸屈服應力、彎曲模量、簡支梁缺口沖擊強度的影響，并最終選定合適的注射速度、模具溫度、熔體溫度設定、保壓壓力等試驗條件進行注塑試樣。

聚丙烯;注塑;力學性能

神華榆林能源化工有限公司聚丙烯裝置采用INEOS聚丙烯生產工藝，設計負荷300kt/a，公司生產的K4912牌號聚丙烯屬于中高熔融指數透明注塑產品。由于K4912牌號聚丙烯熔融指數高，流動性能好，冷卻速度快，因而在注塑加工過程中，樣品經過溶解、加壓、注射、保壓、冷卻成型多個過程使得分子鏈的排列與初始發生改變，從而導致產品聚集態結構的改變進而影響力學性能。本文依據最新版力學性能分析國家標準，通過改變熔體溫度、注射速度、保壓壓力、模具溫度尋找出最佳的參數條件以期客觀反映聚丙烯樹脂K4912的力學性能，并對下游加工做出支持。

K4912牌號產品屬于無規共聚聚丙烯，通常是在第一和第二反應器中分別通入丙烯和少量其他單體，主要為乙烯進行共聚而成，乙烯加入量占總產量的比例約為3-4%wt。與均聚的等規聚丙烯相比，無規共聚物的拉伸強度、模量、硬度和熱變形溫度均有所降低，沖擊強度和透明性得到提高，因而K4912牌號聚丙烯廣泛應用于各類醫療器械及保鮮盒、整理箱、水杯等日常使用透明注塑制品。

1 注塑成型過程簡介

注塑過程分為預塑、注射、保壓、冷卻成型過程。

(1) 預塑過程即物料通過螺桿旋轉輸送至壓縮段，在壓縮段塑化排氣，至計量段物料充分熔化攪拌完成預塑過程。經過這一系列過程，固體物料從玻璃態經粘彈態至粘流態，使得物料溫度均化、黏度均化、密度均花、組成均化。

(2) 預塑完成后模具閉合，熔料在螺桿推動下從噴嘴經澆口高速注入模腔中將模腔中，將模腔充滿。從模具閉合開始注塑算起到模具型腔填充到大約95%為止。

(3) 注射完成后立即進入保壓階段，保壓的作用是持續施加壓力，壓實熔體，增加塑料密度以補償塑料的收縮行為。在保壓后期，材料密度逐步增大試樣逐步成型，保壓階段持續到澆口固化封口為止，此時模腔壓力達到最高值。

(4) 冷卻階段占整個注塑時間的70%-80%，使塑料制品冷卻至熱變形溫度以下，塑料制品只有冷卻固化到一定程度后才能避免塑料制品因外力作用產生變形；脫模是注塑成型循環中最后一步，雖然試樣已經固化成型，但是脫模不當還是有可能導致產品受力不均，引起產品變形等缺陷。

2 實驗

2.1 原料：聚丙烯K4912

2.2 實驗設備：

(1) 注塑機，奧地利BattenfeLd公司HM110/210注塑機，螺桿直徑30mm，GB/T 1040.2中規定的1A啞鈴形模具。

(2) 萬能試驗機，INSTRON 5966 10KN能量萬能材料試驗機雙立柱機架。配有10KN載荷傳感器、5KN氣動夾具、鋸齒形夾面、長行程引伸計。

(3) 沖擊試驗機，CEAST（意大利），CEA9050。

2.3 測試方法

GB/T 2918-1998塑料試樣狀態調節和試驗的標準環境

GB/T 1040.1-2006/ISO 527-1:1993塑料拉伸性能的測定第1部分：總則

GB/T 9341-2000塑料彎曲性能測試方法

GB/T 1843塑料懸臂梁沖擊強度的測定(ISO 180:2000，IDT)

2.4 本文以調整注塑過程中注射速度、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力四個參數為變量，在其他條件一致的情況下采用控制變量法以研究具體變量對力學性能的影響

樣品注塑完成后在GB/T 2918規定的條件下調節48h后在相應國標條件下進行力學性能試驗。

3 結果與討論

3.1 注射速度的影響

以國標給定條件GB/T 2546.2-2003塑料聚丙烯（PP）模塑和擠出材料第2部分：試樣制備和性能測定給定條件為基礎，在熔融指數MFR＞7g/10min時注射速度為200±20mm/s，為保證所有試驗樣條條件一致，本試驗采用GB11997中規定的多用途試樣。注射速度定義為熔體通過關鍵截面時的平均速度，對比注射前后注塑機行程差及螺桿直徑得出拉伸樣條模塑體積為38.86cm3，通過公式v1=VM計算得到注射時間為2.43s從而設定注塑機速度，當注塑機速度為22.6m/s時注射速度為200mm/s。調整注塑機速度分別為13、18、23、28、32即注射速度分別為115mm/s、160mm/s、200mm/s、250mm/s、280mm/s，保證熔體溫度為200℃、模具溫度40℃、保壓壓力、螺桿轉速不變，注得樣條進行拉伸、彎曲、沖擊試驗結果如圖1、圖2所示。

圖1：注射速度與彎曲模量和簡支梁缺口沖擊強度的關系

圖2：注射速度與拉伸強度的關系

從圖1、圖2中可以看出，注射速度為115mm/s-280mm/s時，拉伸強度隨折射速度的增加先減小再逐步增加，拉伸斷裂應變及彎曲模量逐步升高，沖擊強度隨著注射速度的提高，拉伸強度逐步增加，但是拉伸斷裂伸長率隨注射速度增加而降低。沖擊強度主要由結晶狀況及試樣內部的內應力決定，在剪切力作用下，分子鏈沿試樣流動方向規律排列，在注射速度低的時候，剪切速率就相應降低，因而在注射速率大的時候，能夠承載的沖擊強度會更大。這種應力作用下晶體間的規律排列使得在沿著流動方向拉伸樣品時制品力學性能好，而同時這種取向不利于試樣的延展，因而斷裂伸長率隨注射速度的增加而減小。

3.2 模具溫度對力學性能的影響

在注塑過程中模具通過模溫機中循環水控制穩定的溫度，熔融狀態的聚丙烯熔膠注入模具后開始降溫結晶。保證注射速度200mm/s、保壓壓力100bar、熔體溫度200℃、保壓時間40s，對注塑樣品分別在40℃和60℃下冷卻結晶。對制得樣品進行狀態調節后試驗，試驗得到以下結論：在較高的溫度下結晶，拉伸屈服應力、拉伸斷裂應變、彎曲模量均得到提高但是沖擊性能即簡支梁缺口沖擊強度降低。

這是因為結晶速度取決于熔體與模具溫度之差，在熔體溫度一定的情況下，較高的模具溫度使得結晶速率降低，結晶時間增長而結晶度增加，拉伸性能、彎曲性能等韌性結果提高，而較高的結晶度使得分子鏈排列緊密，孔隙率下降，分子間作用力增加，分子鏈段活動余地小因而沖擊性能降低【1】。

3.3 熔體溫度對力學性能的影響

熔體溫度的設定通過對注塑機各段的溫度設定來控制，通過溫度傳感器測定注塑機接近注膠口的溫度為熔體溫度。保證注射速度200mm/s、保壓壓力100bar、模具溫度40℃、保壓時間40s，分別設定熔體溫度為190℃、210℃、230℃制樣，制得樣品在溫度23±2℃,濕度50±5%的條件下狀態調節40h，進行力學性能測試，以考察熔體溫度對試樣力學性能的影響。

試驗結果為隨著熔體溫度的提高，聚丙烯試樣的拉伸性能，彎曲性能，沖擊性能均降低。分析認為拉伸性能和彎曲性能的下降是因為熔體溫度越高，溶膠與冷卻溫度即模具溫度的溫差越大，在冷卻過程中外層溶膠即與模具貼合的部位比內部即注塑件里面的冷卻速度快，在試樣內部進一步冷卻過程中必然會收縮而使試樣內部產生內應力，這種內應力通過狀態調節改善而不能被完全消除，進而影響試樣的拉伸力學性能【2】。而簡支梁缺口沖擊強度的降低是因為熔體溫度高時，分子鏈的運動加強，熱運動劇烈，不易形成有規律的排序，取向程度降低；另一方面，熔體在高溫的情況下，需要冷卻的時間增長，導致塑料大分子松弛時間增長，也會解取向，使得取向程度降低【3】。

3.4 保壓壓力的影響

試樣注射結束后進入保壓階段，保壓過程是給予模腔一定壓力，防止腔內物料倒流，確保熔體順利成型的過程。保壓過程中聚合物溫度降低黏度增大，如果保壓壓力不足將會造成試樣嚴重收縮變形，若保壓壓力過大則會造成溢料，試樣飛邊等影響外觀的狀況。保證注射速度200mm/s、熔體溫度210℃、模具溫度40℃、保壓時間40s，我們采用50bar、80bar、110bar、140bar的保壓壓力進行試驗驗證保壓壓力對聚丙烯K4912力學性能的影響。

圖3：保壓壓力對拉伸性能、彎曲性能的關系

從圖3中可以看出，試樣的質量和厚度隨保壓壓力的增大先逐漸增大，到達110bar后增速減緩，試樣的拉伸性能、彎曲性能均隨著保壓壓力的提高呈現出先逐步增大到達一定值后又趨于減小的情況。這是因為在保壓壓力較低的時候，試樣的質量也偏低，說明模腔內的物料得不到充分的補充。在保壓壓力撤除后，物料未充分冷卻，模腔內的物料后出現向物料來源方向即射臺方向倒流的狀況。這種變化會使試樣初冷后又出現滑動，造成試樣內部出現不連續的應力缺陷，從而造成力學性能整體偏低。隨著保壓壓力的增大，模腔內的物料逐步得到補充，厚度、密度均逐步增加，這種變化會使得晶體熔點升高，結晶速度加快，在更高的溫度下開始結晶，這就使得試樣的內部缺陷減少，因而沖擊性能逐步提高。當保壓壓力過大時，物料外溢造成飛邊的情況，另一方面熔體分子的方向性增加，試樣內應力增大，進而影響試樣的沖擊性能。

4 結語

聚丙烯K4912牌號產品在透明聚丙烯市場應用廣泛，對于下游加工生產，注塑條件的選擇對最終制品的性能和質量非常重要，通過本文研究，對于下游生產應根據所生產產品的主要用途合理設定各個注塑參數，在兼顧聚丙烯K4912牌號的剛性和韌性的情況下應選擇200mm/s的注射速度、40℃的模具溫度、200℃的熔體溫度設定、110pai的保壓壓力注塑試樣。

[1]洪定一，聚丙烯-原理、工藝與技術，中國石化出版社，2011.

[2]王興天，注射成型工藝[M]北京：化學工業出版社，1998.

[3]李素云、劉長維、陳炎、等，聚丙烯注射模塑工藝條件與結構形態及性能的關系[J]北京化工學院學報，1983.