常 樂(lè)，丁玉梅，楊衛(wèi)民，謝鵬程

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029）

0 前言

隨著注射成型技術(shù)的不斷發(fā)展[1-2]，其制品已經(jīng)應(yīng)用于尖端電子器件、先進(jìn)光學(xué)儀器的透鏡和鏡片、光導(dǎo)波材料、非線性光學(xué)材料等領(lǐng)域并逐漸代替了此前的無(wú)機(jī)材料，使得制造成本有了很大程度的降低。但是，無(wú)論是其所使用的材料，或是注射成型工藝上仍存在進(jìn)一步提升的空間[3]。如，聚碳酸酯在注射成型過(guò)程中分子易取向，產(chǎn)生明顯的雙折射現(xiàn)象，導(dǎo)致彩虹效應(yīng)，因此，很大程度上限制其在精密光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

UV光固化成型是一種利用光化學(xué)反應(yīng)原理的高效成型加工方法，在光學(xué)圖層、光學(xué)粘結(jié)層中應(yīng)用廣泛，可用于光固化成型的高折射材料在諸多領(lǐng)域顯現(xiàn)出越來(lái)越重要的應(yīng)用價(jià)值[4-5]。

本文作者此前已成功實(shí)現(xiàn)將光固化材料與傳統(tǒng)注射成型方法的有機(jī)結(jié)合，并將這種成型方式定義為光化學(xué)制造技術(shù)。在光固化成型領(lǐng)域已有合成高折射率、低收縮率 UV 樹(shù)脂的相關(guān)報(bào)道[6-8]，一些新型 UV光固化材料折射率可達(dá)1.5以上，與光學(xué)級(jí)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料性能相當(dāng)，具備應(yīng)用于光學(xué)制品加工生產(chǎn)的可能性。同時(shí)，具有低收縮率的UV材料適用于微流道混合器等精密產(chǎn)品的生產(chǎn)。這些都為UV光固化注射成型替代熱塑性材料注射成型提供了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。本文在傳統(tǒng)注射成型工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)模內(nèi)“光化學(xué)制造”工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了UV材料溫度、保壓壓力對(duì)制品精度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

雙官能度聚氨酯丙烯酸酯，LE6702，鶴山市勵(lì)志門(mén)貿(mào)易有限公司；

三羥甲基丙烷三丙烯酸酯，TMPTA，鶴山市勵(lì)志門(mén)貿(mào)易有限公司；

二縮三丙二醇二丙烯酸酯，TGPDA，鶴山市勵(lì)志門(mén)貿(mào)易有限公司；

1-羥基環(huán)己基苯基酮，UV184，長(zhǎng)沙新宇高分子科技有限公司；

聚丙烯（PP），ST868M，臺(tái)灣LCY公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

UV光固化注射成型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，自制；

紫外光源輻射設(shè)備，UPECII-4（主機(jī)）、UP-365（點(diǎn)光源輻射頭），深圳市尤藍(lán)譜科技有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），S-4700，日本日立公司；

全電動(dòng)注塑機(jī)，AE80-32 H，廣州數(shù)控設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用的簡(jiǎn)易模塑成型如圖1所示，柱塞裝置上端托盤(pán)可承放砝碼，從而達(dá)到注射壓力與保壓壓力的控制；電熱棒安裝于模板內(nèi)與流道相鄰，通過(guò)比例-積分-微分控制器（P id）控制，流道內(nèi)UV混合體可保持恒定溫度；壓塊加緊玻璃達(dá)到鎖緊模具的功能；燈距調(diào)節(jié)裝置可上下移動(dòng)，達(dá)到控制燈頭與型腔表面距離的目的；制品的外形圖如圖2所示；

本文結(jié)合注射成型技術(shù)和UV光固化工藝兩方面，首先將UV材料溫度和保壓壓力作為兩個(gè)考察制品復(fù)制度的因素，對(duì)不同工藝條件下制品的成型質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)量；其次對(duì)經(jīng)過(guò)模擬工藝優(yōu)化過(guò)的PP注射成型制品和實(shí)驗(yàn)得出的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)制品進(jìn)行了SEM測(cè)試，并根據(jù)電鏡圖片利用圖形處理軟件獲得制品微結(jié)構(gòu)形貌對(duì)比圖；

保壓壓力、UV材料溫度變化時(shí)制品成型精度實(shí)驗(yàn)：本文重點(diǎn)討論UV光固化注射成型對(duì)熱塑性成型的替代性問(wèn)題，因此是在考慮注射成型工藝[9]的情況下同時(shí)結(jié)合UV材料特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)此樹(shù)脂的使用說(shuō)明得知，60℃下，本實(shí)驗(yàn)所使用的UV樹(shù)脂黏度為8000～15000 mPa·s，在與適量單體混合后其黏度低于8000 mPa·s，在試驗(yàn)中注射壓力在4 MPa時(shí)已經(jīng)可以將型腔充滿；根據(jù)注射壓力的成型經(jīng)驗(yàn)，過(guò)大的保壓壓力會(huì)產(chǎn)生明顯制品飛邊，實(shí)驗(yàn)中保壓壓力設(shè)定為0.25、0.5、1 MPa；

本實(shí)驗(yàn)使用的UV樹(shù)脂為多種材料的混合體，溫度過(guò)高會(huì)加速其中一部分材料的揮發(fā)，因此分別設(shè)定成型溫度為25、35、45℃進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)；本實(shí)驗(yàn)選擇質(zhì)量法對(duì)制品的成型精度進(jìn)行評(píng)測(cè)；質(zhì)量法是注射成型復(fù)制度量化衡量指標(biāo)之一，制品質(zhì)量包含了制品體收縮和微結(jié)構(gòu)充填的信息，充填率越高，體積收縮率越?。芏仍酱螅?，則制品質(zhì)量越大，制品精度越高；本實(shí)驗(yàn)每組實(shí)驗(yàn)條件下選擇20個(gè)樣品；

UV光固化注射成型制品精度與PP注射成型制品質(zhì)量比較實(shí)驗(yàn)：以相同微細(xì)結(jié)構(gòu)制品作為成型對(duì)象，利用Moldex3d進(jìn)行PP材料注射成型模擬，選取適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)進(jìn)行傳統(tǒng)注射成型。將2種不同材料所獲得的微制品中的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行SEM測(cè)試，并將其結(jié)果處理后進(jìn)行橫截面圖形比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 UV光固化注射成型工藝參數(shù)的選擇

2.1.1 保壓壓力

在注射成型微制品工藝中，提高保壓壓力作為提高制品復(fù)制度的重要手段之一。UV光固化注射成型作為新的成型方式，保壓壓力是影響UV光固化注射成型精度的影響因素之一。表1為不同溫度下不同保壓壓力遞增情況下的制品平均質(zhì)量表。

從表1中可以看出，在25、35、45℃3個(gè)設(shè)定溫度下，保壓壓力為0.5 MPa時(shí)，制品平均質(zhì)量達(dá)到最大值。當(dāng)物料溫度為25℃、保壓壓力遞增時(shí)，制品平均質(zhì)量變化百分比分別為0.325%、0.333%；當(dāng)料溫度為35℃、保壓壓力遞增時(shí)，制品平均質(zhì)量變化百分比分別為0.725%、0.880%；當(dāng)料溫度為45℃、保壓壓力遞增，制品平均質(zhì)量變化百分比分別為0.356%、0.199%。

圖1 UV光固化注射成型實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 UV curing moldinjection experiment table

圖2 成型制品Fig.2 Geometry of the product

表1 制品在不同實(shí)驗(yàn)條件下的平均質(zhì)量 mgTab.1 Average quality of the productsin different experimental conditions mg

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同一溫度下制品質(zhì)量隨保壓壓力增加而增大的明顯趨勢(shì)。這是由于在同一溫度下逐漸增大保壓壓力時(shí)，保壓壓力直接影響進(jìn)入型腔內(nèi)UV材料量，使得施加保壓壓力后，型腔內(nèi)UV材料的密度有所增加。

平均質(zhì)量法作為評(píng)測(cè)微制品復(fù)制度的有效方法在熱塑性注射成型中得到了廣泛的應(yīng)用，制品質(zhì)量包含了制品收縮及微結(jié)構(gòu)充填信息，其質(zhì)量的大小初步反映了微結(jié)構(gòu)零件注射成型復(fù)制度的高低，在微結(jié)構(gòu)零件注射成型中，可用制品成型質(zhì)量來(lái)初步量化評(píng)價(jià)其復(fù)制度。在已有的研究[10-12]結(jié)果中表明：在微制品注射成型中，保壓壓力增加，制品的質(zhì)量約增加1%[13]。相比之下，增加保壓壓力，UV光固化的制品質(zhì)量呈現(xiàn)增加現(xiàn)象，但其增加量均在1%以下，這一點(diǎn)與熱塑性材料注射成型中保壓壓力對(duì)制品復(fù)制度的影響有一定的差別。相對(duì)于傳統(tǒng)微制品注射成型的幾十至上百兆帕保壓壓力，試驗(yàn)中所使用的UV光固化注射成型保壓壓力僅在0.5～2 MPa之間，足以證明UV光固化成型工藝條件容易達(dá)到。

2.1.2 UV物料溫度

與熱塑性注射成型相比，UV光固化材料注射成型的溫度要低得多，因?yàn)閁V材料一般僅在20～60℃具有較好的反應(yīng)活性，所以本實(shí)驗(yàn)選擇25、35、45℃3個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度。

從表1中可以看出，當(dāng)保壓壓力為0.5 MPa時(shí)，隨著UV材料溫度的變化，制品的質(zhì)量變化百分比為0.780%、1.610%；當(dāng)保壓壓力為1 MPa時(shí)，隨著 UV材料溫度的變化，制品的質(zhì)量變化百分比為1.181%、2.667%；當(dāng)保壓壓力為1 MPa時(shí)，隨著UV材料溫度的變化，制品的質(zhì)量變化百分比為0.625%、1.997%。在實(shí)驗(yàn)的3個(gè)溫度下，制品平均質(zhì)量均出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，UV材料溫度的增加引起其密度和黏度的變化，當(dāng)溫度的增加較大時(shí)，UV材料的黏度大幅下降，注射成型過(guò)程中施加保壓壓力將造成明顯的流延現(xiàn)象。因此，成型溫度的增加不僅沒(méi)有起到提高型腔內(nèi)UV材料密度的作用，相反使得型腔內(nèi)UV材料密度更小。

熱塑性材料注射成型熔體溫度對(duì)制品質(zhì)量變化率的影響為1%[14]，UV光固化注射成型與其相比有一定的差別。這一點(diǎn)足以說(shuō)明UV物料的溫度對(duì)成型制品復(fù)制度的重要性。但是，與熱塑性材料注射成型相比，其固化溫度較低，成型工藝難度較小，這就為UV材料注射成型替代熱塑性材料注射成型提供了一定的工藝替代基礎(chǔ)。

2.2 微結(jié)構(gòu)制品的復(fù)制度比較

微制品的成型質(zhì)量作為評(píng)測(cè)其復(fù)制度的一個(gè)方法是對(duì)制品的收縮及微結(jié)構(gòu)的復(fù)制度的宏觀評(píng)鑒，對(duì)制品上的微細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸與模具尺寸差別不能直觀的反應(yīng)，因此需要借助一些微觀表征手段對(duì)制品的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的表征，利用SEM對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)的橫截面圖形進(jìn)行拍攝，并將拍攝結(jié)果適當(dāng)處理，可獲得UV光固化成型制品與傳統(tǒng)注射成型制品微結(jié)構(gòu)的對(duì)比圖。圖3和圖4為UV材料和PP材料成型的制品的梯形凸棱SEM圖；圖5是根據(jù)成型制品突棱形狀SEM結(jié)果描繪得到的注射成型制品與UV光固化注射成型制品橫截面對(duì)比圖。

圖3 UV光固化注射成型梯形棱SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of UV curinginjection molding trapezo idal edge

圖4 PP注射成型梯形棱SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photograph of PPinjection molding trapezo idal edge

圖5 UV制品與PP制品梯形棱外形比較圖Fig.5 Trapezo idal edge shape comparison between UV products and PP ones

PP制品注射成型工藝參數(shù)如表2、表3所示。UV光固化注射成型制品所使用的工藝參數(shù)根據(jù)2.1、2.2中得到的最高質(zhì)量復(fù)制度的條件而定，如表4所示。

表2 注射機(jī)機(jī)筒溫度設(shè)定Tab.2 Barrel temperature of theinjection machine

表3 PP注射成型工藝參數(shù)Tab.3injection molding process parameters for PP

表4 UV光固化注射成型工藝參數(shù)Tab.4 UV curinginjection molding process parameters

從圖5中可以看出，UV材料成型后梯形棱的高度與PP材料成型后棱的高度有一定的差距，但就凸棱整體高度而言，PP成型制品棱高最高處為646μm，UV光固化成型制品棱高最高處為626μm，其差距僅為3.10%。根據(jù)圖3和圖4，PP材料與UV材料成型的凸棱均保持了較好的梯形形狀。所以，在不考慮力學(xué)性能的條件下，UV光固化注射成型是可以替代熱塑性材料注射成型的。

3 結(jié)論

（1）UV光固化注射成型保壓壓力、物料溫度均低于熱塑性注射成型保壓壓力、物料溫度較多，工藝要求易滿足要求；

（2）UV光固化注射成型制品微米級(jí)特征的復(fù)制度與傳統(tǒng)注射成型制品復(fù)制度差別相差無(wú)幾，充分顯示UV光固化注射成型在替代熱塑性材料注射成型方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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