模內混合注塑成型聚丙烯與預制件間界面黏結強度研究

盧一，蔣炳炎, ，符亮，吳旺青

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模內混合注塑成型聚丙烯與預制件間界面黏結強度研究

盧一1，蔣炳炎1, 2，符亮2，吳旺青2

(1. 中南大學 新型特種纖維及其復合材料湖南省重點實驗室，湖南 長沙，410083；2. 中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

通過Moldflow軟件仿真和成型實驗，研究模內混合成型中連續纖維熱塑性復合材料(CFRT)熱壓成型預制件與注塑成型聚丙烯間界面黏結強度。仿真研究預制件溫度、熔體溫度及保壓壓力對黏結界面溫度場及壓力場的影響規律，分析模內混合注塑成型界面黏結過程，指出CFRT預制件表面快速加熱對界面黏結影響的重要性。研究結果表明：當預制件沒有加熱時，界面黏結強度隨著熔體溫度和保壓壓力的增加而顯著提高，預制件達到熔點溫度后，由于界面溫度顯著升高且足以滿足界面分子擴散運動的能量需求，故熔體溫度和保壓壓力的進一步提升對于界面黏結強度影響不大。

模內混合；界面黏結；CFRT；分子擴散

模內混合注塑成型技術中塑料?塑料混合成型是在塑料?金屬模內混合注塑成型[1]的基礎上提出來，即采用連續纖維增強熱塑性復合材料[2?3](continuous fiber reinforced thermoplastic, CFRT)預制件取代塑料?金屬模內混合注塑成型技術中的金屬制件，旨在進一步降低產品重量，提高產品性能。該工藝能克服塑料?金屬模內混合注塑成型中塑料與金屬相容性差及成型過程中產生應力集中或變形的缺陷[4]。預制件與注塑層界面黏結強度是決定制件整體性能的關鍵[5]，模內混合成型制件性能不僅是由混合材料各自特性所決定，同時也取決于兩者間的界面粘接特性[6]。在2種相容材料的模內混合成型中，黏結主要是2種聚合物材料大分子之間的纏結交聯，界面黏結強度取決于2種材料接觸的時間、表面的可潤溫度及分子鏈的擴散程度[7?8]。一種分子擴散理論指出黏結是高分子鏈相互纏結的結果。在分子擴散纏繞理論中同時強調黏結材料的相容性[9]。在一定的壓力下，當2種相容的聚合物材料接觸，增加2種相容聚合物接觸界面的溫度，能夠提高接觸界面聚合物表面分子的運動，使界面分子的擴散效果更為顯著；另外，增加保壓的時間，也有利于提高界面分子間的擴散作用[10]。由于熱運動及外界壓力作用，促使界面間的高聚物大分子在接觸界面之間彼此流動、擴散以及相互纏繞[11]。隨著溫度下降，大分子開始結晶，得到一定的結晶度而達到理想的黏結強度[12]。因此，2種聚合物材料的相容性越好，則擴散性就越好，得到充分有效地纏繞，所表現出的宏觀黏結性就越好[13]。本文作者采用Moldflow軟件研究各工藝參數對黏結界面溫度場及壓力場的影響規律，指出CFRT預制件表面快速加熱對界面黏結影響的重要性[14]。最后通過實驗驗證并闡述預制件溫 度、熔體溫度及保壓壓力對界面黏結強度的影響和預制件與熔體界面愈合的過程，解釋理論與仿真研究的可行性。

1 黏結界面溫度及壓力場數值模擬

1.1 模內混合成型界面粘接分析有限元建模

采用Solidworks軟件對模內混合注塑成型CFRT預制件分別建立注塑層與預制件三維模型，并使用Hypermesh軟件對該模型嚴格按照注塑流動的方向對稱劃分網格，采用熱塑性重疊注塑模型進行模擬，并添加預制件層和注塑層的3D網格模型，定義預制件及注塑層的材料屬性。有格有限元模擬的數學模型對熔體動力學進行計算，且分別采用Tucker-Folger和Jeffery模型計算纖維間相互作用及熔體對纖維的作用。網格劃分如圖1所示。

(a) 制件幾何尺寸；(b) 溫度測量點

1.2 單因素仿真實驗研究注塑工藝對界面黏結強度的影響

1.2.1 單因素仿真方案

由于界面分子擴散程度是由界面間溫度、時間與壓力共同作用的結果，在研究工藝參數對其影響的情況下，采用Moldflow軟件對模內混合注塑成型黏結界面溫度場及壓力場進行仿真，選擇“充填+保壓”分析次序，速度/壓力切換采用體積控制在97%，使用Basell Hostcom PF062-3的短玻纖增強PP作為熔體材料，玻纖的質量分數為30%，預制件材料為連續玻纖增強聚丙烯(PP)[15]。注塑工藝參數對黏結界面的溫度、壓力以及保持時間的影響中，熔體溫度、預制件溫度以及保壓壓力的影響較為突出，因此，采用單因素仿真分析分別對其進行單獨討論，注塑速率為24 cm3/s，保壓時間為10 s，冷卻時間為20 s。分別提取預制件表面節點N39793，N39776和N39759作為溫度測量點，N39776為流動方向上中間位置節點，N39793與N39759分別為距中位置34 mm的近澆口端與遠澆口端節點，提取注塑層表面中間點N2139作為壓力測 量點。

1.2.2 單因素實驗仿真結果與分析

1) 預制件溫度的影響。預制件溫度對黏結界面流動方向上溫度及保持時間的影響分別如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可見：隨著預制件溫度的提高，黏結界面最高溫度與超過結晶溫度的保持時間都明顯提高，當預制件溫度為130 ℃時，近澆口端溫度要明顯高于中間點及遠澆口端溫度；注塑熔體在流過近澆端時，預制件溫度過低，注塑熔體迅速冷卻，導致流動方向上黏結界面的溫度差異，這也將導致黏結強度從近澆端向遠澆端逐漸變差，保持時間也呈現遞減式分布；隨著預制件溫度接近PP熔點溫度(165 ℃)，流動方向上的溫度差異得到明顯改善。因此，快速加熱CFRT預制件溫度對黏結界面間的溫度及超過結晶溫度保持時間影響較顯著。

隨著預制件溫度的提高，黏結界面間的壓力保持常量，但壓力保持時間在溫度達到熔點溫度以后發生了突變，且保壓壓力和保壓時間的增加都會提高界面的黏結強度，隨后又保持不變，該現象與預制件材料達到熔點溫度后發生相轉變有關，如圖4所示。

1—近澆端；2—中間；3—遠澆端。

1—近澆端；2—中間；3—遠澆端。

1—界面壓力；2—壓力保持時間。

2) 熔體溫度的影響。熔體溫度對黏結界面溫度影響僅次于預制件溫度的影響如圖5所示。從圖5可見：隨著熔體溫度提高，黏結界面的溫度也隨之提高，在流動方向上溫度一直呈階梯式分布，但溫度只相差1~3 ℃。黏結界面間超過結晶溫度的保持時間與界面間最高溫度變化趨勢基本一致，且中間與近澆口端保持時間無差別，但遠澆口端時間相差0.5 s左右，如圖6所示。這也說明熔體溫度的調節不能降低在流動方向上黏結界面溫度的差異，隨著流動距離的延長，這種現象表現得更加明顯。

1—近澆端；2—中間；3—遠澆端。

1—近澆端；2—中間；3—遠澆端。

熔體溫度對黏結界面壓力及壓力保持時間的影響如圖7所示。從圖7可見：當熔體溫度達到240 ℃時，黏結界面間的壓力突然由11.5 MPa增大到15 MPa；隨著熔體溫度繼續升高到260 ℃，壓力增加量低于 1 MPa，而時間隨著熔體溫度的提高呈直線增加。這主要是因為壓力的傳遞是由主流道冷卻速度決定的，當熔體溫度不夠高時，主流道受較低模具溫度的影響迅速凝固，壓力損失增加，當熔體溫度足夠高時，保壓壓力在主流道凝固前得以施加，壓力迅速增加。

1—界面間最高壓力；2—保持時間。

3) 保壓壓力的影響。保壓壓力對黏結界面最高溫度保持時間及最高壓力的影響分別如圖8與圖9所示。從圖8和圖9可見：隨著保壓壓力增加，黏結界面間的最高溫度及界面間溫度保持時間幾乎沒有變化，說明保壓壓力對其幾乎沒有影響。但黏結界面間的壓力與保持時間具有明顯變化，如圖10所示，這也是保壓壓力唯一影響黏結界面黏結強度的方式；隨著保壓壓力的增大，界面間壓力呈直線上升，而時間的變化呈現中間增大，兩端保持的情況；保壓壓力在30 MPa前，壓力持續時間變化不大；當保壓壓力增大到40 MPa后，壓力持續時間由8 s提高到10 s，保壓壓力再增加壓力持續時間不再改變。在選擇工藝參數時，保壓壓力需大于40 MPa。

1—近澆端；2—中間；3—遠澆端。

1—界面間最高壓力；2—保持時間。

2 模內混合注塑成型界面黏結強度實驗論證分析

通過Moldflow軟件仿真研究，得出了模內混合注塑成型黏結界面愈合過程中預制件溫度、熔體溫度及保壓壓力對其影響的定性分析。參考其結果，選擇合理的工藝參數，采用單因素實驗方法研究模內混合注塑成型工藝參數(預制件溫度、熔體溫度、保壓壓力)對黏結界面強度影響規律，并通過觀測和分析微觀形貌中黏結界面愈合過程，與Moldflow仿真結果進行對比，為模內混合注塑成型提供參考依據并為后續實驗奠定了基礎。

2.1 預制件溫度對黏結強度影響實驗研究

仿真分析過程中CFRT預制件表面溫度對于黏結界面溫度的提高、聚合物熔體擴散時間的延長及最終對界面黏結強度的提高具有較大影響。圖11所示為預制件表面加熱溫度與黏結強度的關系圖。從圖11可見：從室溫至80 ℃，無明顯影響；當達到熔點溫度到165 ℃時，隨著CFRT預制件表面溫度的提高，黏結強度迅速提高。這是由于提高預制件表面溫度后，增加了黏結界面冷卻固化的時間，促進界面間分子擴散與界面愈合，力學強度得到極大提高。當預制件溫度達到185 ℃左右時，黏結界面基本已完全愈合，但隨著CFRT預制件表面溫度的提高，強度還會進行一步提高。微觀形貌如圖12所示。從圖12可見：注塑熔體中的短纖維已完成黏結界面中的穿越，形成牢固的黏結。但當溫度達到225 ℃時，強度突然降低。這是由于當溫度升高達到一定值時，CFRT預制件整體變得很軟，表面一層纖維在高速熔體的剪切力下被沖散，與注塑熔體混在一起，從而降低最終力學性能[16]。圖13所示為微觀截面圖，原來4層纖維織物被黏結層熔體沖散后只剩下3層。

從以上實驗結果可知：CFRT預制件表面溫度對于黏結界面強度的提高有明顯的影響，其本質是預制件溫度的提高延長了界面間分子的擴散時間，最終表現在界面的黏結效果得到改善。通過研究預制件溫度對影響界面黏結效果的影響可以得出：通過調整預制件表面溫度參數，可以改善并注塑工藝條件，從而降低工藝成本。

圖11 CFRT預制件溫度對層間剪切強度的影響

圖12 短纖維穿過黏結界面

圖13 CFRT截面圖纖維分布情況

2.2 熔體溫度對黏結強度影響實驗研究

Moldflow仿真結果表明熔體溫度對黏結界面溫度具有顯著的影響，從而影響界面間聚合物熔體的擴散程度。通過對預制件溫度對界面黏結情況的影響研究發現：在CFRT沒有加熱的條件下，當熔體溫度為210 ℃時，CFRT預制件與注塑層黏結極為微弱，在外力很小作用下很容易剝離；隨著熔體溫度上升，層間剪切強度越來越大，當熔體溫度達到250 ℃，強度最大可達18 MPa，如圖14所示。

觀測黏結界面微觀形貌圖可以看出：當熔體溫度為210 ℃時，黏結界面還存大較大間隙且黏結強度較低，說明長纖維增強的預制件與短玻纖增強的熔體間界面黏結效果不理想，如圖15(a)所示；當熔體溫度進一步提高，黏結層層間剪切應力也進一步提高，形貌圖顯示黏結界面逐漸愈合，界面間隙減小，如圖15(b)所示。隨著熔體溫度的進一步提高，層間剪切應力相應地基本成線性逐漸增加，從形貌圖也可以直觀地觀測到黏結效果有明顯的改善。當熔體溫度升高至 250 ℃時，層間剪切應力的增幅逐漸變緩，黏結界面愈合基本完成，雖然沒有明顯的間隙，但預制件層和熔體層間并沒有形成相互穿越的效果，可以清楚地區分開來，如圖15(c)所示。

1—嵌件無加熱；2—嵌件加熱。

(a) 熔體溫度為210 ℃黏結界面；(b) 熔體溫度為230 ℃黏結界面；(c) 熔體溫度為250 ℃黏結界面；(d) CFRT加熱后黏結界面

當CFRT預制件采用紅外加熱器進行表面加 熱[17]、熔體溫度為210 ℃時，界面粘接層的剪切應力由9 MPa左右大幅提高至20 MPa，可以推斷在對預制件進行加熱之后，其黏結強度得到極大提高，明顯提高了其黏結強度；隨著熔體溫度進一步提高，層間剪切強度提高并不明顯，說明熔體溫度對界面黏結的影響很小，主要是由于提高預制件溫度足夠使界面間形成較好的黏結效果，所以，熔體溫度對黏結界面愈合已經無明顯影響，如圖15(d)所示。

通過微觀形貌的檢測可以看出：在預制件沒有加熱的情況下，熔體溫度提高可以改善界面黏結的效果，從而提高預制件與熔體間的黏結強度，且提升效果比較明顯，但最終不能使預制件與注塑層間形成進一步融合；當預制件經過加熱后，隨著熔體溫度提高，界面間的黏結效果也有所提升，雖然從層間剪切應力可以看出增長幅度只有3%左右，但最終的層間剪切應力相對于預制件沒加熱時有較大幅度提高，從形貌圖觀測到預制件與注塑熔體層已經完全融合，且黏結界面層已基本消失，再次證明加熱預制件對界面黏結強度有較大的影響，同時也說明在界面黏結愈合基本完成之后，繼續提高熔體溫度，效果已經不明顯。

2.3 保壓壓力對黏結強度的影響

根據Moldflow仿真實驗可知：保壓壓力對CFRT預制件與注塑層界面間的溫度無明顯影響，但對于界面間黏結壓力具有較大的影響作用；當界面間溫度在結晶溫度以上時，保壓壓力可以減少黏結界面間的距離，促進聚合熔體間的滲透和融合，從而增加黏結強度，如圖16所示。當無紅外加熱時、保壓壓力小于30 MPa時，隨著保壓壓力提高，層間剪切強度沒有明顯提高，當保壓壓力升高至40 MPa時，對黏結界面強度有了一定提高。在成型黏結時，保壓壓力克服型腔壓力損失，作用在黏結界面上，促進了界面間熔體的擴散與纏結。而采用紅外加熱時，隨著保壓壓力提高，黏結強度逐漸提高并趨于平緩，保壓壓力對黏結界面強度的提高比較有限。

1—預制件未加熱；2—預制件加熱。

3 結論

1) 采用Moldflow仿真軟件研究各工藝參數對黏結界面溫度場及壓力場的影響規律，分析了PP聚合物間界面黏結強度是由界面間溫度、時間與壓力共同作用的結果，通過仿真研究表明工藝參數對界面間溫度影響的主次順序為預制件溫度、熔體溫度、保壓壓力，對超過結晶溫度保持時間影響主次順序為熔體溫度、保壓壓力、預制件溫度，對最高壓力影響主次順序為保壓壓力、熔體溫度、預制件溫度。

2) 在CFRT預制件表面沒有加熱至結晶溫度以上時，各工藝參數對黏結強度影響較大，其中熔體溫度影響最大。隨著熔體溫度上升，黏結界面逐漸愈合，但最終仍可觀測到界面分界線存在。

3) 當CFRT預制件加熱至熔點溫度165 ℃以上時，界面黏結強度迅速提高，隨著熔體溫度繼續升高，界面剪切應力增幅只有3%左右。熔體溫度繼續上升可使注塑熔體中的短纖維逐漸穿越粘接界面直至界面完全愈合，驗證了仿真研究的可行性，表明CFRT預制件加熱對黏結強度的影響至關重要。

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Interfacial bonding strength between polypropylene and perform on in-mold hybrid injection molding technology

LU Yi1, JIANG Bingyan1, 2, FU Liang2, WU Wangqing2

(1. Hunan Key Laboratory of Advanced Fibers and Composites, Central South University, Changsha 410083, China; 2. State Key Laboratory of High-Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on the simulation of Moldflow software and experiment, the interfacial bonding strength between the preform of continuous fiber reinforced thermoplastic(CFRT) composites and the plastic injection molding of polypropylene(PP) was studied during in-mold hybrid molding. The effect of preformed temperature, melt temperature and holding pressure on the temperature field and pressure field of bonding interface was researched by simulation, the interfacial bonding process of in-mold hybrid injection molding was analyzed, and the importance of rapid heating of CFRT surface for interfacial bonding was pointed out. The results show that without heating perform, the interfacial bonding strength is improved greatly with the increase of melt temperature and pressure. Due to the energy needs, the diffusion motion of interface molecules is satisfied by the significant increase of interface temperature after perform reaches the melting point, and the further improvement of melt temperature and holding pressure have little effect on the interfacial bonding strength..

in-mold hybrid; interfacial bonding; CFRT; molecular diffusion

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.07.008

TQ320.63

A

1672?7207(2018)07?1626?08

2017?07?06；

2017?09?17

國家自然科學基金資助項目(51405519)；湖南省科技計劃項目(2015TP1007)；中南大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2017zzts091) (Project(51405519) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015TP1007) supported by the Science and Technology Plan Project of Hunan Province; Project(2017zzts091) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)

蔣炳炎，博士，教授，從事高分子材料精密成型技術研究；E-mail: jby@csu.edu.cn

(編輯 楊幼平)