結晶性塑料制品注塑成形質量在線監測方法研究

錢應平 薛 杭 梅建良

湖北工業大學機械工程學院，武漢，430068

0 引言

注塑工藝成形結晶性塑料時，結晶度會直接影響塑料制品質量的好壞。目前，聚合物結晶度測量主要采用離線的方法，如倪卓等[1]運用差熱分析法、光譜分析法、密度法對PP共混材料進行了結晶度的測量，結果表明：測量曲線的整體趨勢相同，但數值的差異性較大，光譜分析法較其他方法而言測量結果更真實。包世星等[2]提出并制定了利用差熱分析法進行結晶度測量的國家通用標準。關于結晶度的在線測量，于同敏等[3]通過熱電偶傳感器和超聲外場注塑成形試驗系統，研究了工藝參數和超聲功率變化對注塑件內部結晶結構的影響，結果表明，適當增大超聲功率可以使其結晶度提高，從而提高注塑件的力學性能。FAVARO等[4]采用光學儀器通過注塑過程中光學性質的變化對注塑件進行監測，研究了成核劑和注塑工藝參數對光信號的影響，結果表明，該器件對不同注塑件的結晶動力學、形貌和注塑參數變化具有較好的敏感性。MORETTI等[5]采用光纖傳感器監測不同工藝條件下制件的結晶動力學參數，并研究了注塑成形變量對結晶動力學參數的影響，但是該光學系統對結晶度很低的制件無法監測。趙朋等[6]采用超聲波對模具內聚合物熔體的完全結晶區及完全非晶區的密度進行實時監測，然后通過密度與結晶度的關系獲得結晶度，該方法易導致結晶度不準確。

在線監測是獲得高性能注塑成形制品的有效方法之一，目前在線監測主要集中在成形過程中的工藝參數和型腔內部壓力，但由于成形中外界因素的影響，難以保證實際成形參數的穩定性，不能準確反映制品的真實質量。本文利用電容傳感器的物理特性，通過測量注塑成形過程中的結晶度來實現制品質量的在線監測，設計并制造出一套注塑模具，開展了驗證試驗，通過上機位處理實時結晶度數據，達到結晶度的在線可視化測量的目的。同時分析研究了制品結晶度與成形參數和力學性能之間的關系。

1 試驗原理分析

塑料熔體在注塑充模、保壓補縮、冷卻凝固過程中會發生形態改變，工藝參數的調整致使注塑件內部結構變化，從而改變其介電常數。結合模具成形過程的特點，試驗選用圓柱形介電常數變化型電容傳感器。

結晶度測量傳感器在監測過程中需經歷預注塑、注塑填充和冷卻凝固三種工作狀態，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相關的傳感器參數下標分別為1、2、3。由于冷卻定型后塑料的結晶情況才趨于穩定，下面重點分析冷卻凝固階段電容式傳感器測量結晶度的原理。

(a)合模預注塑 (b)注塑填充

(c)冷卻凝固圖1 結晶度測量傳感器所經歷的三種工作狀態Fig.1 The three operating states experienced by thesensor for measuring crystallinity

如圖1c所示，熔融塑料充滿模具型腔時，型腔中的電介質完全為塑料，電容傳感器測量的總電容可由下式得到：

(1)

式中，CT為兩極板之間總電容;C2為塑料介質的等效電容;C3為陶瓷介質的等效電容。

通常，平板式電容器總電容量由下式計算得到：

(2)

式中，εr為被測物質的相對介電常數；d為兩極板之間的距離；S為極板的有效測量面積。

由式(1)和式(2)得兩極板間總電容值

(3)

式中，ε3、d2、d3、S為固定值。

由式(3)可知，總電容CT只受ε2影響，因此電容傳感器的最終測量電容值由塑料的介電常數ε2決定。塑料的介電常數ε與結晶度Xc(%)的關系[7]如下：

Xc=7.577ε2-44.11ε+89.58

(4)

2 試驗

2.1 成形試驗

為便于力學性能測試，注塑件設計為圖2所示形狀，壁厚為2 mm，且符合GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》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 注塑件設計圖Fig.2 Design drawing of injection parts

注塑成形試驗在海天集團制造的MA1200-370G型螺桿臥式注塑機上進行，模具采用一模兩腔側澆口結構，如圖3a所示，并在模具的型腔里安裝一個電容傳感器探頭，位置設在型腔橫截面變化處，同時為了避免因塑料收縮導致監測點脫離模具，在安裝探頭孔的下端設有擋板固定，如圖3b所示。電容傳感器測量系統包括電容傳感器探頭、阿爾泰測控系統、USB3102數據采集卡、振蕩器、放大器等。結晶度測量采用DSC200F3差示掃描量熱儀。

1.定位環 2.定模底板 3.定模固定板 4.動模固定板5.拉料桿 6.復位桿 7.墊塊 8.動模底板 9.頂板10.頂桿固定板 11.頂桿 12.動模板 13.定模板14.活動型芯 15.型芯導桿 16.主流道襯套(a)模具結構圖

(b)注塑件及電容傳感器安裝位置圖3 注塑件及模具結構Fig.3 Injection parts and mold structure

根據改性PA66的成形工藝特性，確定將熔體溫度290 ℃、注塑壓力110 MPa、保壓壓力80 MPa、注塑時間2.5 s作為試驗初始工藝參數。在此基礎上，通過改變熔體溫度、注塑壓力、保壓壓力和注塑時間進行注塑成形試驗，研究注塑成形工藝參數與結晶度及其力學性能之間的關系。成形工藝參數的變化值如表1所示。根據正交試驗方法，確定力學性能測試試樣成形工藝參數，如表2所示。

表1 工藝參數

2.2 拉伸及彎曲性能測試

進行力學性能試驗前，根據試驗要求設置好相應參數，分別以5 mm/min和2 mm/min的速度進行拉伸及彎曲試驗，直至試樣被完全拉斷或壓斷為止，獲得每組試驗的拉伸強度及彎曲強度數值。

2.3 差示掃描量熱法(DSC)測量結晶度試驗

在 DSC 測試時，將PA66樣品中心部分切下薄片，質量為3～8 mg，初始溫度設定為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，升溫與降溫時間均為14 min。

3 結果分析與討論

3.1 注塑件結晶度與成形工藝參數的關系

利用DSC分析法測量得到不同工藝參數變化時的試樣內部結晶度變化曲線,見圖4。由圖4a可見，隨著塑料熔體溫度的升高，結晶度也隨之增大，當熔體溫度達到一定值后，結晶度的變化趨于平緩。這是因為結晶是一個熱量變化的過程。用θg代表玻璃化溫度，θm代表熔融溫度，θ代表熔體溫度，當θ<θg時，分子的動能較小，受分子力的束縛，運動緩慢甚至停止，結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，無法結晶；當θg<θ<θm時，在大量晶核存在的條件下，隨著溫度不斷升高，分子運動加速，成核速度加快，晶粒增長速度也增大，兩者相結合使結晶速率達到最大速度，結晶度不斷增大；當θ>θm時，分子獲得的動能超過分子間作用力的能量，分子運動加劇，晶核反而不穩定，易使已形成的晶核數量減少。

表2 力學性能測試試樣成形工藝參數

由圖4b可見，增大注塑壓力，能有效增大結晶度。原因是增大注塑壓力使得聚合物熔體壓實程度提高，在充填流動過程中，熔體受到的剪切力增大，促使分子鏈沿著剪切應力方向有序排列，從而形成有序排列的區域，誘導生成更多晶胚，加快了成核及結晶速率，導致最終結晶度增大。

(a)熔體溫度

(b)注塑壓力

(c)注塑時間

(d)保壓壓力圖4 工藝參數與注塑件結晶度的關系曲線Fig.4 The relationship curves of processing parametersand crystallinity of injection parts

同理，縮短注塑時間，則注塑速率增大，剪切效應增強，分子鏈受剪切應力作用而取向，致使結晶度增大。增加注塑時間，會減小塑料熔體的充填速度，減弱剪切效應，降低分子鏈有序排列程度，難以產生結晶，如圖4c所示。

由圖4d可知，保壓壓力對結晶度的影響較大。在注塑成形時，保壓的主要目的是型腔中的熔體進一步補充塑料，減少收縮引起制品的缺陷。保壓壓力的增大會提高補縮效率，從而使型腔中熔體的密實程度進一步提高，表現為塑料制品的密度和結晶度增大。隨著保壓壓力不斷增大，注塑件中的殘余應力也隨之增大，高分子的應力誘導結晶效應增強。GUO等[8]利用數值模擬方法研究了剪切誘導結晶模型，研究表明：當應力增至一定程度時，會促使聚合物分子鏈產生有序排列，提高塑料熔體的平衡熔點及過冷度，致使最終結晶度增大。當保壓壓力進一步增大時，型腔中聚合物熔體不斷壓實，分子鏈自由運動的空間減小，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間延長，導致在冷卻結晶完成之前得到取向的分子鏈數量減少，從而降低結晶度。

3.2 結晶度與注塑件力學性能的關系

根據力學試驗獲得的性能參數，得到注塑件結晶度與拉伸強度、彎曲強度的關系曲線，如圖5所示。由圖5可知，隨著結晶度的增大，注塑件的拉伸和彎曲強度也隨之增大，這是因為結晶度的增大說明結晶粒子增多，而結晶粒子是聚合物的物理交聯點，分子鏈則是由眾多物理交聯點連接起來的[9]。注塑件在拉伸或彎曲時，分子鏈上的物理交聯點均會受力，降低了因受力過于集中而發生分子鏈斷裂的概率。

圖5 力學性能與注塑件結晶度的關系曲線Fig.5 The relationship curves between mechanicsproperties and crystallinity of injection parts

4 結論

(1)注塑成形過程中塑料熔體溫度、注塑壓力、注塑時間及保壓壓力等工藝參數會影響結晶度。

(2)結晶性塑料的注塑件的拉伸及彎曲強度隨著結晶度的增大而提高。

(3)對于結晶性塑料，利用電容傳感器的物理特性，通過測量注塑成形過程中的結晶度可實現制品質量的在線監測。

(4)根據注塑成形工藝參數-塑件結晶度-力學性能之間的關系，通過調控和優化成形工藝參數，能有效控制注塑件的結晶度，進而得到優良力學性能的注塑產品。