藍色無鹵阻燃玻纖增強高溫尼龍材料成型工藝的研究

鐘一平，張志超，王 冰，陳家達，姜蘇俊，麥杰鴻，解明晨

(1 金發科技股份有限公司，廣東 廣州 510663；2 中山詩蘭姆汽車零部件有限公司，廣東 中山 528429；3 珠海萬通特種工程塑料股份有限公司，廣東 珠海 519050)

玻纖增強尼龍材料因具有高強度、耐酸堿腐蝕、價格低廉和良好的可設計性等，在軍事、建筑和汽車等領域得到廣泛應用[1-2]。尼龍材料因酰胺鍵屬于生色基團而在加工和使用過程中常出現顏色波動，李榮福等結合文獻，從經典的自由基式氧化機理和自動催化的特性出發，闡述了PA6熱氧降解過程中產生醛類和酮類化合物，這些化合物造成尼龍黃變，其黃變程度受溫度的影響極大[3-7]。高溫尼龍因較高的加工溫度使其顏色波動大，對色粉的耐溫性也提出了極大的挑戰，尤其是在受熱更高、剪切更強的熱流道中。

在我司與中山詩蘭姆共同開發的“藍色無鹵阻燃玻纖增強高溫尼龍材料注塑汽車零部件”項目中，客戶采用熱流道方式注塑，存在產品發黑異常導致無法正常生產，如圖1所示。我司采用無機顏料群青替代有機顏料酞青藍，在理論注射容積為153 cm3的注塑機進行加嚴熱滯留測試發現：第1模和第20模的色差從原來的10個點降低至約2個點，如圖2所示。但在客戶端熱流道上注塑依然存在局部發黑現象，如圖3所示。遂與客戶共同針對該無鹵阻燃高溫尼龍材料的成型工藝進行研究，主要包括：機臺噸位，溫度的選擇，注射速度,注射壓力和成型周期等方面。

圖1 熱流道注塑產品局部發黑照片Fig.1 Photo of partial blackened products under hot runner injection

圖2 酞青藍配色(上)和群青配色(下)連續注塑試片的圖片Fig.2 Photo of continuous injection samples dyed by phthalocyanine blue color matching (up) and ultramarine blue color matching (down)

圖3 材料改善后注塑局部發黑照片Fig.3 Photo of partial blackened products produced by the improved material

1 實 驗

1.1 材 料

藍色無鹵阻燃玻纖增強高溫尼龍，Vicnyl R430NH A6L-Z0011，金發科技。

1.2 主要設備與儀器

東芝230T注塑機，住友280T注塑機，馬斯特熱流道，馬斯特熱流道溫控箱，SHINI信易油式模溫機。

2 結果與討論

2.1 機臺噸位

客戶采用住友280T注塑機注塑，理論容積476 cm3，材料密度為1.44 g/cm3，每模約90 g，即單次注射量/最大射出量為≈13%。藍色無鹵阻燃玻纖增強高溫尼龍注塑容易變色，需要避免大機臺配小模具，一般建議單次注射量/最大射出量≥20%。遂更換機臺為東芝230T，其理論容積318 cm3，單次注射量/最大射出量≈20%。更換機臺后顏色有所改善，但仍存在發黑，如圖4所示。

圖4 更換注塑機后注塑局部發黑照片Fig.4 Photo of partial blackened products after changing injection molding machine

2.2 溫度的選擇

客戶采用8段溫控箱提高至13段溫控箱，更加精準控制，同時將溫度設定于320 ℃，主要考慮材料熔點為305～310 ℃，溫度過高容易導致變色加劇。嘗試將溫控箱和注塑溫度降溫至310 ℃，雖然可以改善發黑，但產品出現冷膠發白現象，并且注塑僅1 h后出現尾部燒焦，如圖5所示。一般而言，針對高溫尼龍配色產品，注塑溫度建議較熔點高5～20 ℃，主要視材料色粉耐溫性，材料在炮筒的滯留時間及溫控波動等方面的影響。關于注塑溫度的設置，一般采用下料口溫度略低于熔點，方便下料；壓縮段建議在熔點-5～15 ℃；而塑化段則根據材料實際流動性以及產品制件厚度進行調整；機嘴段則需要考慮流延以及冷膠的問題。針對配色產品，一般不建議前低后高(機嘴溫度低，壓縮段溫度高)，主要是這種方式雖然有利于提高材料的充模性，但往往會導致顏色波動大。

關于模溫的選擇，建議比材料的玻璃化轉變溫度高10～ 30 ℃，這有利于樹脂將玻纖包覆避免浮纖。需要注意的是，模溫需要以實測溫度為準，因為不同模溫機的熱轉換效率以及模具結構設計不同會導致模具實際溫度和設置溫度存在較大差異。當將油溫機的設置溫度從150 ℃(實測模溫114 ℃)降低至120 ℃(實測模溫90 ℃)后產品發白嚴重，如圖6所示。

圖5 降溫至310 ℃后的照片Fig.5 Photo of the products under 310 ℃ injection temperature

圖6 90 ℃實測模溫產品的照片Fig.6 Photo of the products under 90 ℃ actual mold temperature

2.3 注射速度和注射壓力

高溫尼龍的結晶溫度一般高達265～280 ℃，建議采用中高注射速度和中高注射壓力，降低注塑過程中熔體和型腔接觸時間，避免熔體冷卻導致缺膠，如圖7所示。如前文研究，連續注塑1 h后產品尾部存在燒焦，主要是高溫注塑以及中高注射速度都會加劇瓦斯氣的產生；另一方面高模溫使模具鋼材膨脹，排氣槽變淺，長期注塑時瓦斯氣在排氣槽處沉積，最終排氣槽被堵，困氣導致燒焦。所以針對高溫尼龍材料，一般建議采用中高射速和中高射壓將產品填充至95%～98%后轉中低射速和射壓，使瓦斯氣順暢排出，再利用適當的保壓防止泄壓導致產品不密實。

圖7 低射速注塑的缺膠產品照片Fig.7 Photo of short shot products under low injection speed

2.4 成型周期

圖8 降低成型周期后的產品照片Fig.8 Photo of products under short cycle time

注塑包括合模，注塑充模，保壓，冷卻，儲料，脫模等環節。此產品薄壁位置約1.5 mm，高溫尼龍結晶溫度較PA66高，冷卻較快，遂將冷卻時間從15 s下降至7 s。高溫尼龍加工溫度較高，粘度較低使其具有優異的流動特性，導致熔體容易逆流，在儲料過程中螺桿容易打滑空轉。通過將背壓從 15 MPa下降至5 MPa，儲料時間從15 s下降至7 s。通過將模座的速度從原來的15%提升至30%縮短開模和合模時間。經過以上優化，成型周期從原來40 s下滑至18 s，生產效率提高了55%，材料的滯留時間從原來的200 s下滑至90 s，產品無發黑及發白現象，如圖8所示。因為高溫尼龍注塑容易變色，建議自然色材料在炮筒的滯留時間≤5 min，配色材料在炮筒的滯留時間≤3 min為宜。

滯留時間=最大射出量/單模射出量×成型周期

(1)

3 結 論

配色無鹵阻燃玻纖增強高溫尼龍因較高的成型溫度而需要耐高溫色粉，同時因酰胺鍵是生色基團容易黃變，在成型過程中會面臨各種問題。本文針對藍色無鹵阻燃玻纖增強高溫尼龍在熱流道成型過程中變色問題進行了探究，詳細分析了機臺噸位，注塑溫度，模具溫度，注射速度，注射壓力和成型周期等對產品外觀的影響：

機臺噸位：滿足鎖模力要求下，單次注射量/最大射出量為≥20%為宜；

溫度的選擇：在滿足塑化及無冷膠情況下宜低不宜高；

射速和射壓：建議采用中高射速和射壓填充至95-98%后轉中低射速和射壓；

成型周期：可以通過調整冷卻時間，背壓，模座速度等參數改善成型周期，優化不同顏色材料的外觀要求。