塑料體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)研究

秦森，何和智，張濤，黃照夏，瞿金平*

（1.聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心，廣州 510641；2.聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510641；3.廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510641；4.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641；5.廣東伊之密精密注壓科技有限公司，廣東 佛山 528000）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)塑料產(chǎn)品提出了更高的要求，這迫使注射成型裝備向高端化發(fā)展，其核心思想就是如何低成本且高效地利用高分子材料制造出高質(zhì)量塑料產(chǎn)品。基于該思想，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)注射成型的研究主要集中于裝備優(yōu)化和模流分析兩個(gè)方面。在注射成型裝備優(yōu)化方面，主要是解決注塑機(jī)高速［1］、高精度［2］、智能化［3］以及節(jié)能［4］等問題。在注射成型模流分析方面，主要是利用Moldflow、Moldex3D等成熟商業(yè)軟件輔助模具和工藝設(shè)計(jì)［5］，或者與晶體生長(zhǎng)、相形貌演變、纖維取向等相結(jié)合進(jìn)行多尺度多物理場(chǎng)模擬研究［6］。

然而，這些研究大都基于傳統(tǒng)注射成型裝備，在高分子材料加工原理和方法方面未展示出較大的突破，缺乏調(diào)控高分子材料微觀結(jié)構(gòu)的能力，無法優(yōu)化高分子材料成型過程，從而難以制造高質(zhì)量塑料產(chǎn)品。因此，有必要研究注射成型新原理、新方法與新裝備，以制造高性能塑料產(chǎn)品，從而滿足市場(chǎng)需求。

自20世紀(jì)80年代以來，我們團(tuán)隊(duì)一直致力于將脈動(dòng)力場(chǎng)引入以注射成型為代表的高分子材料加工中，使物料承受周期性波動(dòng)的應(yīng)力/應(yīng)變，從而將傳統(tǒng)的基于穩(wěn)態(tài)力場(chǎng)的加工原理改變成新穎的基于脈動(dòng)力場(chǎng)的加工原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)高分子材料加工原理的根本突破［7］。近幾年來，我們團(tuán)隊(duì)基于該原理發(fā)明了體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)，使注射成型裝備具有調(diào)控高分子材料微觀結(jié)構(gòu)的能力，從而可優(yōu)化高分子材料成型過程以及強(qiáng)化塑料產(chǎn)品服役性能［8-11］。本文主要介紹體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)研究進(jìn)展，以展示其優(yōu)點(diǎn)與潛在應(yīng)用。

1 體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)

如圖1所示，基于脈動(dòng)力場(chǎng)的加工原理，我們團(tuán)隊(duì)在20世紀(jì)90年代發(fā)明了電磁式動(dòng)態(tài)注射成型方法及裝備［7］。該注塑機(jī)利用電磁繞組產(chǎn)生振動(dòng)力，并將振動(dòng)力施加到螺桿上，使螺桿在原來勻速運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上疊加周期性運(yùn)動(dòng)，從而將脈動(dòng)力場(chǎng)可控地引入到注射成型全過程中（包含塑化、注射和保壓）。基于電磁式動(dòng)態(tài)注射成型裝備，我們團(tuán)隊(duì)開展了流變學(xué)、振動(dòng)學(xué)、流體力學(xué)、材料學(xué)等方面的基礎(chǔ)理論研究，以闡明脈動(dòng)力場(chǎng)在高分子材料注射成型過程中的作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)力場(chǎng)的引入可降低加工能耗、減小運(yùn)行噪音、提高制品質(zhì)量等［12-13］。

圖1 電磁式動(dòng)態(tài)注射成型裝備Fig.1 Electromagnetic dynamic injection molding machine

電磁式動(dòng)態(tài)注射成型裝備可對(duì)高分子材料施加頻率較高的脈動(dòng)力場(chǎng)，但其振幅較小，如Wang等開發(fā)的DPII-90型電磁動(dòng)態(tài)注射成型裝備可執(zhí)行的頻率和振幅范圍分別為0～20 Hz和0～0.4 mm［14］。如圖2所示，為了解決該問題，我們團(tuán)隊(duì)發(fā)明了體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)和裝備，可利用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)齒輪泵以產(chǎn)生波動(dòng)的流量和壓力，迫使螺桿周期性運(yùn)動(dòng)，從而可在整個(gè)注射成型全過程中對(duì)高分子材料施加振幅較高的脈動(dòng)力場(chǎng)，可執(zhí)行的頻率和振幅范圍分別為0～5 Hz和0～6 mm［8，15］。在脈動(dòng)力場(chǎng)作用下高分子鏈會(huì)發(fā)生解纏結(jié)、取向、伸展等運(yùn)動(dòng)行為，將降低材料黏度、誘導(dǎo)形成取向結(jié)構(gòu)等，從而可縮短成型周期、減小成型壓力、提高模腔壓力、增加產(chǎn)品致密性、提升力學(xué)性能等。此外，體積脈動(dòng)注射成型裝備具有實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、無須額外輔助設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，適合于工業(yè)化應(yīng)用。

圖2 體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)Fig.2 Volume-pulsation injection molding technology and equipment

2 脈動(dòng)力場(chǎng)強(qiáng)化注射過程

如圖3（a）所示，開發(fā)了基于脈動(dòng)力場(chǎng)的毛細(xì)管流變儀，以研究脈動(dòng)力場(chǎng)對(duì)高分子材料黏度的影響。毛細(xì)管流變儀工作原理如下：在穩(wěn)態(tài)力場(chǎng)條件下柱塞以恒定的速度往下運(yùn)動(dòng)，將熔體從口模處以恒定的速度射出；在脈動(dòng)力場(chǎng)條件下柱塞以周期性波動(dòng)的速度往下運(yùn)動(dòng)，將熔體從口模處以時(shí)快時(shí)慢的速度射出。將PET（廣州泛亞聚酯有限公司，牌號(hào)FY1002）作為實(shí)驗(yàn)材料，分析脈動(dòng)力場(chǎng)對(duì)PET材料黏度的影響。如圖3（b）所示，柱塞以14 mm/s的恒定速度對(duì)熔體施加穩(wěn)態(tài)力場(chǎng)，可計(jì)算出熔體承受的剪切速率為1 612.8 s-1；另外，柱塞以平均值為14 mm/s的周期性變化速度對(duì)熔體施加脈動(dòng)力場(chǎng)，可計(jì)算出熔體承受的平均剪切速率為1 612.8 s-1。如圖3（c）所示，在毛細(xì)管流變儀機(jī)筒里安裝了壓力傳感器以獲取熔體壓力。在穩(wěn)態(tài)力場(chǎng)作用下熔體壓力恒定，其值為10.95 MPa，可計(jì)算出剪切應(yīng)力為0.67 MPa；在脈動(dòng)力場(chǎng)作用下熔體壓力周期性波動(dòng)，其平均值為9.41 MPa，可計(jì)算出平均剪切應(yīng)力為0.63 MPa。熔體壓力和剪切應(yīng)力在脈動(dòng)力場(chǎng)作用下的減小代表了熔體黏度的下降。如圖3（d）所示，通過剪切速率和剪切應(yīng)力，可以計(jì)算出不同溫度和柱塞速度下的PET熔體黏度，可以發(fā)現(xiàn)在脈動(dòng)力場(chǎng)作用下PET熔體黏度明顯下降。PET材料流動(dòng)能力的改善源于高分子鏈在脈動(dòng)力場(chǎng)作用下的解纏結(jié)行為，這有利于降低成型壓力、縮短充模時(shí)間、減少成型缺陷等［16］。

圖3 基于脈動(dòng)力場(chǎng)的毛細(xì)管流變儀及測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.3 The capillary rheometer and test data based on pulsation force field

3 脈動(dòng)力場(chǎng)強(qiáng)化保壓過程

如圖4（a）所示，開發(fā)了注塑模腔壓力測(cè)試系統(tǒng)，以研究脈動(dòng)力場(chǎng)對(duì)保壓過程中模腔壓力的影響。注塑模腔壓力測(cè)試系統(tǒng)組成如下：在近澆口和遠(yuǎn)澆口分別安裝了壓力傳感器（奇石樂，型號(hào)6157）；注射成型過程中的模腔壓力數(shù)據(jù)將由壓力傳感器傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（奇石樂，型號(hào)5887A）。以PE-HD（中國(guó)石油天然氣股份有限公司，牌號(hào)DMDA8008）為實(shí)驗(yàn)材料，分析脈動(dòng)力場(chǎng)對(duì)保壓過程中模腔壓力的影響。常規(guī)注射成型的保壓壓力設(shè)為恒定的55 bar；體積脈動(dòng)注射成型的保壓壓力設(shè)為周期性波動(dòng)的（55±26.25） bar，其脈動(dòng)頻率為1.5 Hz。常規(guī)注射成型和體積脈動(dòng)注射成型的模具溫度均為30 ℃。如圖4（b）所示，模腔壓力在保壓過程中依次表現(xiàn)出3種狀態(tài)：首先，由于從充模階段轉(zhuǎn)變?yōu)楸弘A段，模腔壓力將迅速提升至最高值；接著，由于澆口尚未封閉，螺桿施加給熔體的壓力能夠傳遞進(jìn)模腔內(nèi)，促使模腔壓力將維持高壓一段時(shí)間；最后，由于澆口封閉，螺桿施加給熔體的壓力無法傳遞進(jìn)模腔內(nèi)，導(dǎo)致模腔壓力將迅速下降。將脈動(dòng)力場(chǎng)作用引入到保壓過程后，可以發(fā)現(xiàn)模腔壓力明顯提升，澆口封閉時(shí)間延長(zhǎng)。在近澆口處，相比于常規(guī)注塑的模腔壓力，脈動(dòng)注塑的平均模腔壓力提升了約95 bar，增幅約為14.6%；相比于常規(guī)注塑的澆口封閉時(shí)間，脈動(dòng)注塑的封閉時(shí)間延長(zhǎng)了約3.15 s，增幅約為17.3%。在遠(yuǎn)澆口處，脈動(dòng)注塑的平均模腔壓力也明顯提升，并且其澆口封閉時(shí)間也明顯延長(zhǎng)。這些現(xiàn)象表明：在保持平均保壓壓力不變的情況下，體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)利用脈動(dòng)力場(chǎng)作用減少了流道中的壓力損失，從而提升了模腔壓力，并加劇了澆口處的黏性耗散生熱，從而延長(zhǎng)了澆口封閉時(shí)間。由于模腔壓力的提升和澆口封閉時(shí)間的延長(zhǎng)，體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料產(chǎn)品的強(qiáng)制補(bǔ)縮效果，有利于提高塑料產(chǎn)品尺寸精度與穩(wěn)定性［17-18］。

圖4 注塑模腔壓力測(cè)試Fig.4 Injection mold cavity pressure test

4 脈動(dòng)力場(chǎng)誘導(dǎo)取向結(jié)構(gòu)

為了研究脈動(dòng)力場(chǎng)對(duì)不相容共混體系微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，將PE-HD（中國(guó)石油天然氣股份有限公司，牌號(hào)DMDA8008）作為基體，PET（廣州泛亞聚酯有限公司，牌號(hào)FY1002）作為分散相，以85∶15的質(zhì)量比將兩種材料進(jìn)行雙螺桿擠出機(jī)共混造粒，再利用體積脈動(dòng)注塑機(jī)將母粒注射成型啞鈴形樣條，最后采用萬能試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)INSTRON5566）以50 mm/min的拉伸速率進(jìn)行拉伸性能表征，采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)MTS系統(tǒng)公司ZBC7251-B型）進(jìn)行沖擊性能表征，以及采用X射線散射儀（法國(guó)Xenocs公司，型號(hào)：Xeuss 2.0，波長(zhǎng)：0.134 144 nm）進(jìn)行二維廣角表征。如圖5所示，隨著振幅的增加，沖擊強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均上升，實(shí)現(xiàn)了PE-HD/PET不相容共混體系的自增韌和自增強(qiáng)，這打破了高分子材料增韌和增強(qiáng)不可兼得的研究瓶頸。為了闡明不相容共混體系力學(xué)性能強(qiáng)化的原因，采用了二維廣角測(cè)試對(duì)試樣晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。如圖6所示，在所有試樣的二維廣角圖案中均有兩個(gè)清晰的衍射環(huán)，從內(nèi)到外分別代表PE-HD的（110）和（200）晶面。在所有體積脈動(dòng)注射成型試樣中，衍射環(huán)均以弧狀的形式存在，這代表PE晶體的取向。如圖7所示，將（110）晶面衍射分布沿-120 °～6 °的方位角進(jìn)行積分，可以發(fā)現(xiàn)所有體積脈動(dòng)注射成型試樣的（110）晶面衍射峰均位于赤道附近，這更清晰地代表了PE晶體沿流動(dòng)方向的取向特征。因此，在脈動(dòng)力場(chǎng)作用下PE晶體產(chǎn)生了取向，這是PE-HD/PET不相容共混體系力學(xué)性能強(qiáng)化的原因。這些現(xiàn)象表明：體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)可以利用脈動(dòng)力場(chǎng)調(diào)控高分子材料取向結(jié)構(gòu)，以提升塑料產(chǎn)品綜合服役性能。

圖5 基于脈動(dòng)力場(chǎng)的PE-HD/PET共混體系力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of HDPE/PET blend under pulsation force field

圖6 不同加工條件下二維廣角圖案Fig.6 2D-WAXD patterns at different processing conditions

圖7 不同加工條件下（110）晶面衍射分布Fig.7 The （110） azimuthal distributions at different processing conditions

5 結(jié)語

體積脈動(dòng)注射成型技術(shù)及裝備的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)注射成型原理的突破，將傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)力場(chǎng)加工原理改變成新穎的脈動(dòng)力場(chǎng)加工原理，使注射成型裝備具有調(diào)控高分子材料微觀結(jié)構(gòu)的能力，可降低材料黏度、提高材料流動(dòng)能力、提升模腔壓力、延長(zhǎng)澆口封閉時(shí)間、誘導(dǎo)形成取向結(jié)構(gòu)等，有利于縮短成型周期、降低成型壓力、減少成型缺陷、增加產(chǎn)品致密性、改善產(chǎn)品均勻性、強(qiáng)化產(chǎn)品服役性能等，為制造高性能塑料產(chǎn)品提供了有效方法。