玻璃制品液壓壓結(jié)機(jī)設(shè)計(jì)——均勻震蕩部分設(shè)計(jì);液壓系統(tǒng)和液壓泵站設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS】
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PBT玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料水輔注塑成型的實(shí)驗(yàn)研究
摘要:本報(bào)告的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究聚對(duì)苯二甲酸丁二醇復(fù)合材料水輔注塑的成型工藝。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)配備了水輔注塑統(tǒng)的80噸注塑機(jī)上進(jìn)行,包括一個(gè)水泵,一個(gè)壓力檢測(cè)器,一個(gè)注水裝置。實(shí)驗(yàn)材料包括PBT和15%玻璃纖維填充PBT的混合物以及一個(gè)中間有一個(gè)肋板的空心盤。實(shí)驗(yàn)根據(jù)水注入制品的長(zhǎng)度的影響測(cè)得了各種工藝參數(shù)以及它們的機(jī)械性能。XRD也被用來(lái)分別材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后,作了水輔助和氣體輔助注塑件的比較。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熔體壓力,熔融溫度,及短射類型是影響水注塑行為的決定性參數(shù)。材料在模具一面比在水一面展示了較高的結(jié)晶度。氣輔成型制品也要比水輔成型制品結(jié)晶度高。另外,制品表面的玻璃纖維大部分取向與流動(dòng)方向一致,而隨著離制品表面距離的增加,越來(lái)越多的垂直與流動(dòng)方向。
關(guān)鍵詞:水輔注塑成型,玻璃纖維增強(qiáng)PBT,工藝參數(shù),機(jī)械性能,結(jié)晶
1.前言
依靠重量輕,成型周期短,消耗低,水輔注塑成型技術(shù)在塑料制品制造方面已經(jīng)取得了突破。在水輔注塑成型中,模具行腔被部分注入聚合物熔體,而后向這些聚合物中心注入水。水輔注塑成型的原理如圖1
圖1 水輔注塑成型的原理如圖
水輔注塑成型能夠在更短的循環(huán)時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出收縮小,翹曲小,表面質(zhì)量好的各種薄厚的制品。水輔注塑成型工藝也可根據(jù)工具及設(shè)備的承受壓力在設(shè)計(jì),節(jié)省材料,減輕重量,減少成本方面取得更大的自由。典型的應(yīng)用有棒,管材,水路管網(wǎng)建設(shè)用的大型復(fù)合結(jié)構(gòu)管。另一方面,盡管有很多優(yōu)勢(shì),由于加入了額外的工藝參數(shù),模具和工藝控制變的更加嚴(yán)峻和困難。水也可能腐蝕模具鋼,同時(shí)一些材料包括熱塑性塑料難以成型。成型后水的清除也是對(duì)這個(gè)新技術(shù)的一個(gè)挑戰(zhàn)。表1列出了水輔注塑成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限性。
優(yōu)勢(shì)
局限性
1,成型周期短
2,成本低(水更便宜而且可方便地循環(huán)利用)
3,制品內(nèi)部不產(chǎn)生泡沫現(xiàn)象。
1,水腐蝕模具
2,需要較大的注塑元件。(容易陷入聚合物熔體)
3,一些材料難以成型(尤其是非晶態(tài)熱塑性材料)
4,成型后需要清除水
表1
水輔注塑成型有優(yōu)勢(shì)超過(guò)它更有名的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,氣輔注塑成型,因?yàn)橐揽克诔尚瓦^(guò)程中更好的冷卻能力,水輔注塑成型獲得了更短的成型周期。它的不可壓縮性,低成本以及易循環(huán)利用,水成為這一過(guò)程的理想媒介。既然水不會(huì)溶解和擴(kuò)散到聚合物熔體中,那么經(jīng)常在氣輔成型工藝出現(xiàn)的氣泡現(xiàn)象也便消除了。另外,水輔注塑成型能更好的用小剩余壁厚成型大型制件。表2是對(duì)水輔和氣輔成型工藝的一個(gè)比較。
表2水輔和氣輔成型工藝比較。
水輔
氣輔
1成型周期
2介質(zhì)成本
3氣泡現(xiàn)象
5殘余壁厚
6表面粗糙度
7表面光澤
8指形效應(yīng)
9非均勻穿透
10制品透明度
11內(nèi)表面(熱塑性半晶)
12內(nèi)表面(熱固性)
短
低
無(wú)
小
小
高
大
穩(wěn)定
高
平滑
粗糙
長(zhǎng)
高
有
大
高
低
小
不穩(wěn)定
低
粗糙
平滑
隨著對(duì)密度小,強(qiáng)度高,價(jià)格便宜,成型周期短的優(yōu)良性能材料需求的增加,塑料工程是一個(gè)不可忽視的工藝。這些塑料包括熱塑性和熱固性塑料。一般來(lái)說(shuō),熱塑性塑料以其更高的沖擊強(qiáng)度,斷裂阻力,疲勞強(qiáng)度而更有優(yōu)勢(shì)。這使得熱塑性塑料在工程建設(shè)中廣泛使用。
PBT是廣泛使用的熱塑性工程塑料之一,它有1,4—丁烯乙2醇和DMT聚合而成。玻纖增強(qiáng)混合材料適用于提高原材料的機(jī)械性能。今天,短玻璃纖維增強(qiáng)PBT已被廣泛應(yīng)用與電子,通信,汽車領(lǐng)域。所以,對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)PBT的研究更加重要了。本文是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究聚對(duì)苯二甲酸丁二醇水輔注塑的成型工藝,實(shí)驗(yàn)在一個(gè)配備了水輔注塑統(tǒng)的80噸注塑機(jī)上進(jìn)行,包括一個(gè)水泵一個(gè)壓力檢測(cè)器,一個(gè)注水裝置。實(shí)驗(yàn)材料包括PBT和15%玻璃纖維填充PBT的混合物以及一個(gè)中間有一個(gè)肋板的空心盤。實(shí)驗(yàn)根據(jù)水注入制品的長(zhǎng)度的影響測(cè)得了各種工藝參數(shù)以及它們的機(jī)械性能。XRD也被用來(lái)分別材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后,作了水輔助和氣體輔助注塑件的比較。
2.實(shí)驗(yàn)步驟
2.1 材料
實(shí)驗(yàn)材料包括PBT(牌號(hào)1111FB,南亞塑料,臺(tái)灣)和15%玻璃纖維填充PBT的混合物(牌號(hào)1210G3,南亞塑料,臺(tái)灣)。表3列出了此混合材料的特征。
表3 纖維增強(qiáng)PBT復(fù)合材料特征
性質(zhì)
ASTM
PBT
15%G.F.PBT
屈服應(yīng)力(kg/cm2)
彎曲應(yīng)力(kg/cm2)
硬度
熱變形溫度(℃)
MFI
沖擊強(qiáng)度
熔點(diǎn)(℃)
D-638
D-570
D-785
D-648
D-1238
D-256
DSC
600
900
119
60
40
5
224
1000
1500
120
200
25
5
224
2.2 水輔注塑元件
一個(gè)實(shí)驗(yàn)室注水元件,包括一個(gè)水泵,一個(gè)壓力檢測(cè)器,一個(gè)注水閥,一個(gè)配備了溫度調(diào)節(jié)裝置的水箱,以及一個(gè)控制電路。這個(gè)孔板型注水閥每邊有兩個(gè)孔,用來(lái)成型制件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,注水閥的控制電路收到由注塑機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間和注水壓力的控制。在注入模具行腔之前,水在有溫控裝置的水箱里加熱30分鐘。
2.3注塑機(jī)和模具
水輔注塑成型實(shí)驗(yàn)在一個(gè)最高注塑速率109cm3/s的80噸注塑機(jī)上進(jìn)行。研究使用了一個(gè)中間有一個(gè)肋板的空心盤。圖2顯示了這個(gè)行腔的尺寸。模具溫度由一個(gè)水循環(huán)模溫控制元件調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)根據(jù)水注入制品的長(zhǎng)度的影響測(cè)得了各種工藝參數(shù),包括熔體溫度,模具溫度,熔體充模壓力,水溫和水壓,注水延遲時(shí)間和保持時(shí)間,以及熔體短射類型。表4列出這些工藝參數(shù)及在實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值。
A
B
C
D
E
F
熔體壓力
熔體溫度
短射類型
水 壓
水 溫
模具溫度
140
126
114
98
84
280
275
270
265
260
76
77
78
80
81
8
9
10
11
12
80
75
70
65
60
80
75
70
65
60
表 4
2.4氣輔注塑元件
為了對(duì)水輔和氣輔注塑成型制件進(jìn)行比較,氣輔注塑成型實(shí)驗(yàn)使用了一個(gè)商用氣輔注塑成型元件,其具體配置可參考RCFS。氣輔注塑成型工藝控制和水輔注塑成型一樣,除了氣體溫度設(shè)置為25外。
圖2 模具行腔的尺寸和外形
2.5 XRD
為了分析水輔注塑成型制品的晶體結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)使用了具有二維探測(cè)分析傳輸模式的廣角X射線衍射儀。更特別的是實(shí)驗(yàn)對(duì)水輔注塑成型制品模具一邊和水一邊的樣品在7到40的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。分析所用的樣品來(lái)自制品中心。為了獲得XRD樣品要求的厚度,多余的部分在一個(gè)旋轉(zhuǎn)輪上打磨掉。首先用濕的碳硅紗布,而后用粒度300的,再用粒度600和1200的,以獲得更好的表面質(zhì)量。
2.6機(jī)械性能
拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度測(cè)試在一個(gè)拉力測(cè)試機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)對(duì)水輔注塑成型制件樣本進(jìn)行拉力測(cè)試以評(píng)估水溫對(duì)拉伸性能的影響。樣本的尺寸為30mm*10mm*1mm.
水輔注塑成型制件的彎曲實(shí)驗(yàn)也在室溫下進(jìn)行。彎曲樣本的尺寸為20mm*10mm*1mm
2.7顯微鏡觀察
用電子掃描顯微鏡(型號(hào)5410)觀察制品中纖維的分子取向。樣品為取自注塑成型制件厚度方向上(圖3)。在垂直于流動(dòng)方向了對(duì)截面進(jìn)行觀察。觀察前,所有樣品表面鍍金。
圖3拉伸和彎曲測(cè)試切取樣品的位置圖示
3結(jié)果和討論
所有實(shí)驗(yàn)在一個(gè)最高注塑速率109cm3/s的80噸注塑機(jī)上進(jìn)行。所有研究中使用了一個(gè)中間有一個(gè)肋板水道的空心盤。
3.1制品的指形效應(yīng)
所有制品都在水道的過(guò)度區(qū)域出現(xiàn)了指形效應(yīng)。并且,玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料指形效應(yīng)比不增強(qiáng)的更嚴(yán)重,如圖4所示。指形效應(yīng)一般在一種密度小,粘性低的液體穿過(guò)另一種密度大,粘性高的不相溶液體時(shí)產(chǎn)生??紤]一個(gè)密度和黏度變化都很快的兩相界面或區(qū)域。流體移動(dòng)的壓力P2-P1導(dǎo)致有效的置換量用下式描述
這里U是特性速率,K是穿透性。當(dāng)壓力為正時(shí),任何很小的置換量都會(huì)被放大,導(dǎo)致不穩(wěn)定并出現(xiàn)指形效應(yīng)。當(dāng)一種液體被比它密度低,黏度小的液體置換時(shí),我們知道u=u1-u2》0,而且U》O。這時(shí),當(dāng)一個(gè)黏度較高的液體被一種黏度較低的液體置換時(shí),這種液體流動(dòng)性較高,會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定和指形效應(yīng)。這次研究的結(jié)果顯示玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料更傾向于指形效應(yīng)。這也許是因?yàn)椴AЮw維增強(qiáng)的復(fù)合材料和水的黏度差比較大。因此水輔注塑成型復(fù)合材料顯示了更嚴(yán)重的指形效應(yīng)。
3.2水穿透對(duì)工藝參數(shù)的影響
圖4 PBT復(fù)合材料水輔注塑成型照片
3.2工藝參數(shù)對(duì)水穿透的影響
實(shí)驗(yàn)根據(jù)水穿透行為的影響測(cè)得了各種工藝參數(shù)。表4列出這些工藝參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)中使用的數(shù)值。為了成型制件,引用了一個(gè)重要工藝條件。通過(guò)在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)中改變一個(gè)參數(shù),我們可以更好的理解在復(fù)合材料水輔注塑成型中每個(gè)參數(shù)對(duì)水穿透行為的影響。成型后,實(shí)驗(yàn)測(cè)量了水注塑的長(zhǎng)度。圖5-10顯示了工藝參數(shù)對(duì)水注塑長(zhǎng)度的影響,包括熔體充模壓力,熔體溫度,模具溫度,短射類型,水溫以及水壓。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,水在純凈PBT中比在玻璃纖維增強(qiáng)PBT復(fù)合材料中穿透更深。這是由于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料冷卻過(guò)程中體積收縮更小,因此,制品被水穿過(guò)的長(zhǎng)度要短些。
熔體充模壓力
圖5,熔體充模壓力對(duì)水穿過(guò)長(zhǎng)度的影響
熔體溫度
圖6 熔體溫度對(duì)水穿過(guò)長(zhǎng)度的影響
模具溫度
圖7模具溫度對(duì)水穿過(guò)長(zhǎng)度的影響
短射類型
圖8短射類型對(duì)水穿過(guò)長(zhǎng)度的影響
水溫
圖9水溫對(duì)水穿過(guò)長(zhǎng)度的影響
水壓
圖10水壓對(duì)水穿過(guò)長(zhǎng)度的影響
由圖5可以看出,水穿過(guò)長(zhǎng)度隨著熔體充模壓力的增大而減小。這可以解釋為由于熔體充模壓力增大,模具行腔對(duì)流動(dòng)的阻力增加,因此水更難以進(jìn)入材料的內(nèi)部。水穿過(guò)長(zhǎng)度因而變短。
圖6可以看出成型PBT復(fù)合材料制品時(shí),隨著熔體溫度是增加水穿過(guò)長(zhǎng)度也會(huì)變短。這也許是因?yàn)殡S著溫度增加聚合物熔體的黏度降低。較低的熔體黏度有利于水包裹住水道,減少空閑區(qū)域,而不是更深的穿透。水道開(kāi)頭孔的變小導(dǎo)致了水穿過(guò)長(zhǎng)度的變短。
如圖7,增加模具溫度稍微降低了水在成型制品中的穿過(guò)長(zhǎng)度。這也許是因?yàn)樵黾幽>邷囟冉档土死鋮s速率以及材料的黏度。于是水就包裹了水道,減少了水道口附近的空閑空間,而不是更深的穿透制品。
如圖8,增加短射率降低了水穿過(guò)長(zhǎng)度。在水輔注塑成型中,模具行腔被部分注入聚合物熔體,而后向這些聚合物中心注入水。聚合物熔體短射率的增加降低了水在成型制品中的穿過(guò)長(zhǎng)度。
作為實(shí)驗(yàn)中的工藝參數(shù),增加水溫或者水壓都增加了水在成型制品中的穿過(guò)長(zhǎng)度。增加水溫降低了冷卻速率,是聚合物熔體更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保溫,它的黏度也因此降低。這有利于水更深的進(jìn)入進(jìn)品中心。增加水壓也有利于水穿過(guò)物體,因此而獲得更深的穿透長(zhǎng)度。
最后,制品的偏差,各種工藝參數(shù)測(cè)量的主觀性,
最大的制品偏差是翹曲。表11的結(jié)果顯示制品翹曲隨著水在成型制品中的穿過(guò)長(zhǎng)度的降低而減少。這是因?yàn)樗┻^(guò)制品的長(zhǎng)度越長(zhǎng),包裹聚合物材料的水就越多。制品的翹曲和收縮也因而降低。
水穿過(guò)制品的長(zhǎng)度
3.3成型制品的結(jié)晶
PBT是一個(gè)結(jié)晶速率很高的半結(jié)晶熱塑性聚脂。在水輔注塑成型過(guò)程中,結(jié)晶在非等溫條件下發(fā)生,冷卻速率隨著冷卻時(shí)間而變化。這里研究了各種工藝參數(shù)包括充熔體溫度,模具溫度,以及水溫對(duì)成型制品結(jié)晶的影響。測(cè)量使用了2維廣角X射線衍射儀。表12的結(jié)果顯示所有材料在模具層的結(jié)晶比在水層的結(jié)晶度要高。這個(gè)結(jié)果標(biāo)志著在冷卻過(guò)程中水有著更好的冷卻能力。這與我們?cè)缦韧ㄟ^(guò)測(cè)量模內(nèi)溫度分布得到的結(jié)果一致。另外,表12C的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示成型材料的結(jié)晶隨著水溫的增加而增加。這是因?yàn)樵黾铀疁亟档土死鋮s過(guò)程中的材料冷卻速率。成型制品因而有更高的結(jié)晶度。
熔體溫度,模具溫度,以及水溫對(duì)水輔成型制品結(jié)晶的影響
另一方面,為了對(duì)水輔和氣輔注塑成型制品的結(jié)晶作一個(gè)比較,我們?cè)谕慌_(tái)注塑機(jī)上做了實(shí)驗(yàn),不同的是注塑機(jī)裝備了一個(gè)高壓氮?dú)庾⑺苎b置。圖13的結(jié)果顯示氣輔注塑成型制品比水輔注塑成型制品有著更高的結(jié)晶度。這是因?yàn)樗瓤諝獾睦鋮s能力高,冷卻快。因而水輔注塑成型制品比氣輔注塑成型制品的結(jié)晶度要低些。
圖13,水輔和氣輔成型制品的結(jié)晶度
3.4機(jī)械性能
對(duì)水輔注塑成型制品樣本進(jìn)行拉伸測(cè)試以觀察水溫對(duì)拉伸性能的影響,表14的測(cè)量結(jié)果顯示其隨水溫增高而降低。正如我們看到的,PBT材料的屈服應(yīng)力和拉伸應(yīng)力都隨著溫度增高而降低。另一方面,PBT水輔注塑成型制品彎曲強(qiáng)度測(cè)試也在室溫下進(jìn)行。圖15的測(cè)試結(jié)果顯示,制品的彎曲強(qiáng)度也隨溫度升高而降低。
圖15 水溫對(duì)PBT制品彎曲強(qiáng)度的影響
圖14水溫對(duì)PBT制品拉伸性能的影響
一般來(lái)說(shuō),增高水溫降低了冷卻速率,使制品的結(jié)晶度增高。正如我們所知,對(duì)于半結(jié)晶熱塑性塑料,較高的結(jié)晶度意味著較低的自由體積因而增加了制品的剛度。但是,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,結(jié)晶度對(duì)PBT力學(xué)性能的影響是微不足道的,有更重要的增加了PBT材料的拉伸和彎曲應(yīng)力。成型材料的機(jī)械性能取決于成型過(guò)程中結(jié)晶的數(shù)量和晶體類型。PBT的延展性隨著結(jié)晶降低的事實(shí)說(shuō)明PBT在冷卻速率較低的成型過(guò)程中結(jié)晶度和剛性增加,因?yàn)槿狈ρ诱剐?,成型制品在拉伸測(cè)試中的數(shù)值較高,而剛度沒(méi)有預(yù)期的高。無(wú)論如何,需要更詳細(xì) 的實(shí)驗(yàn)研究水輔注塑成型制品的形態(tài)參數(shù)以及相關(guān)的機(jī)械性能。
3.5成型制品中纖維取向
從制品的中間切取小的樣品用來(lái)觀察纖維的取向。觀察的位置如圖3所示。觀察前,所有樣品的表面被磨光并鍍金。圖16顯示了水輔注塑成型制品的微型結(jié)構(gòu)。
圖16 PBT復(fù)合材料水輔注塑成型制品的纖維取向
測(cè)量結(jié)果顯示水輔注塑成型制品中的纖維取向與常規(guī)注塑制品有明顯區(qū)別。
在常規(guī)注塑制品中一般觀察兩個(gè)區(qū)域:薄壁處與中心。在薄壁區(qū)域,所有纖維取向與流動(dòng)方向平行,而在中心,纖維在流動(dòng)平面內(nèi)取向隨意。與常規(guī)注塑成型相比,水輔注塑成型技術(shù)的充模方式不同。對(duì)于常規(guī)注塑機(jī),一個(gè)循環(huán)周期被定義為充模,保壓,冷卻3個(gè)階段。而在水輔注塑成型過(guò)程中,模具行腔被部分注入聚合物熔體,而后向這些聚合物中心注入水。這個(gè)新穎的充模方式明顯影響了纖維的取向。
由圖16可以看出,水輔注塑成型制品的纖維取向大致可分為3個(gè)區(qū)域,在模具一邊的表面,這里充模時(shí)剪切很嚴(yán)重,纖維很規(guī)則的平行。在水一側(cè)的表面,剪切作用不明顯,速率快,在這種情況下,纖維更傾向與垂直與注射方向。在制品中心,纖維取向很隨意。 總的來(lái)說(shuō),模具一邊的制品表面的玻璃纖維取向大部分與流動(dòng)方向一致,而隨著離這一表面距離的增加,纖維取向逐漸的垂直與流動(dòng)方向。最后,應(yīng)該注意的是,我們實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該在今后的研究中對(duì)水輔注塑成型和常規(guī)注塑成型的纖維取向和形態(tài)做一個(gè)定量的比較。
4結(jié)論
本報(bào)告的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究聚對(duì)苯二甲酸丁二醇復(fù)合材料水輔注塑的成型工藝?;诋?dāng)前實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論
1. 水輔注塑成型制品在水道的過(guò)度區(qū)域出現(xiàn)了指形效應(yīng)。并且,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的指形效應(yīng)比不增強(qiáng)的更嚴(yán)重
2. 研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示PBT復(fù)合材料的水穿透長(zhǎng)度隨著水溫和水壓的增加而增加。隨著熔體充模壓力,熔體溫度,模具溫度,短射量的增加而降低。,
3. 制品的翹曲隨著水穿透的程度而降低了。
4. 注塑制品的結(jié)晶度隨著水溫的升高而提高。水輔成型制品的結(jié)晶度比氣輔的要低。
5. 模具一邊的制品表面的玻璃纖維取向大部分與流動(dòng)方向一致,而隨著離這一表面距離的增加,纖維取向逐漸的垂直與流動(dòng)方向
感謝
感謝臺(tái)灣科學(xué)委員會(huì)對(duì)研究工作的資金支持!
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