周林璆 王立成(蘭州石化公司質(zhì)檢部, 甘肅 蘭州 730060)
注塑工藝對(duì)聚丙烯T28FE力學(xué)性能影響的研究
周林璆 王立成(蘭州石化公司質(zhì)檢部, 甘肅 蘭州 730060)
本試驗(yàn)研討了聚丙烯T28FE在注塑成型過(guò)程中,注塑工藝(注射速度、注射壓力、保壓壓力、熔體溫度、螺桿轉(zhuǎn)速)對(duì)其拉伸屈服應(yīng)力、彎曲模量、簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度的影響及其變化規(guī)律。確定了蘭州石化公司聚烯烴事業(yè)部生產(chǎn)聚丙烯T28FE的最佳注塑工藝為注射速度210mm/s、注射壓力40bar、保壓壓力40bar、螺桿轉(zhuǎn)速150 U/min、注塑溫度230℃。
聚丙烯;T28FE;注塑工藝;力學(xué)性能;簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度
熱塑性聚丙烯樹(shù)脂T28FE產(chǎn)品是薄膜料產(chǎn)品的主要原料,可廣泛用于制作各種包裝紙、食品保鮮膜、BOPP膜等。T28FE有多種成型方法,注塑成型是最重要的成型方法之一。在聚合物的注塑成型加工中,聚合物要經(jīng)受熱和機(jī)械剪切的作用,在一定形狀的模具內(nèi),制成固定形狀的制品。由于T28FE流動(dòng)性較強(qiáng)、熔體彈性較大且冷凝速度快,在注塑成型加工中,其分子鏈排列的變化,流動(dòng)的變化,會(huì)引起聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的變化,從而影響其物理機(jī)械性能。我公司對(duì)聚丙烯樹(shù)脂T28FE力學(xué)性能的檢測(cè)是模擬實(shí)際應(yīng)用,將成品物料通過(guò)注塑機(jī)注塑成樣條之后再測(cè)量其拉伸屈服應(yīng)力、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度。在這一過(guò)程中,各項(xiàng)注塑參數(shù)的改變將直接影響注塑件的力學(xué)性能。以往都是在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)自行尋找一個(gè)合適參數(shù)來(lái)注塑樣條,并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的最佳注塑條件,這就使同一批物料在不同人手中注塑出的樣條在測(cè)試中會(huì)有不同的數(shù)據(jù)表現(xiàn),雖然這些差異都在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi),但對(duì)分析的精確度還是會(huì)有不利影響。另外,按照新版的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),采用 GB/T 1043.1-2008 《塑料簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定 第1部分:非儀器化沖擊試驗(yàn)》代替GB/T 1843-2008 《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》來(lái)測(cè)定聚丙烯T28FE沖擊性能。本文通過(guò)改變注塑工藝的注射速度、注射壓力、保壓壓力、螺桿轉(zhuǎn)速、熔體溫度來(lái)尋找影響聚丙烯樹(shù)脂T28FE力學(xué)性能的主要因素,找出最佳的注塑參數(shù),這對(duì)正確注塑樣條、客觀統(tǒng)一反應(yīng)聚丙烯樹(shù)脂T28FE的力學(xué)性能以及新版標(biāo)準(zhǔn)的制定都具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
1.1注塑成型工藝
注塑成型工藝流程為:料斗加料→塑料熔融→合模→加壓注射→保壓→制件冷卻→制件脫模
注塑成型過(guò)程分為3個(gè)階段:填充、保壓和冷卻階段。在填充階段,聚合物熔體在極高的注射壓力推動(dòng)下進(jìn)入型腔。熔體在型腔中的流動(dòng)經(jīng)歷了非常復(fù)雜的受熱史和流變史。熔體的充模過(guò)程如圖1所示,在與注射方向平行的熔體流動(dòng)中間的最前端,即流動(dòng)前緣區(qū),存在有“噴泉式”的流動(dòng)。熔體與型腔壁接觸部分迅速冷卻形成高粘性層,即形成一層外表層。前緣區(qū)后的熔體流動(dòng)形成充分發(fā)展區(qū)的流動(dòng)。熔體繼續(xù)進(jìn)入模腔,通過(guò)前緣區(qū)所形成的“噴泉流動(dòng)”必然會(huì)朝后彎曲形成反向流動(dòng)狀況,直到模腔被塑料熔體充滿(mǎn)為止。充填結(jié)束后,注塑過(guò)程從注射階段進(jìn)入保壓階段,注塑機(jī)控制也從速度控制切換到壓力控制。在保壓階段,模腔內(nèi)熔體冷卻收縮,導(dǎo)致熔體密度發(fā)生變化,在保壓壓力的作用下,聚合物熔體繼續(xù)向型腔內(nèi)補(bǔ)充物料,產(chǎn)生保壓流動(dòng),直到澆口封閉。然后進(jìn)入冷卻階段,在冷卻階段,澆口的塑料完全凍結(jié),制品進(jìn)一步冷卻,直至制品從型腔中頂出。
圖1 聚合物熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)模擬圖
1.2外觀
試樣不應(yīng)翹曲、相對(duì)表面應(yīng)互相平行、相鄰表面應(yīng)互相垂直,所有表面和棱應(yīng)無(wú)刮痕、麻點(diǎn)、凹陷、飛邊、無(wú)焦燒、黃變、顏色均勻、應(yīng)力發(fā)白。
1.3試樣測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)
拉伸屈服應(yīng)力: GB/T 1040.2-2006 《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第2部分:模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》
簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度:GB/T 1043.1-2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定 第1部分:非儀器化沖擊試驗(yàn)》
彎曲模量:GB/T 9341-2008《塑料 彎曲性能的測(cè)定》
2.1注塑工藝對(duì)T28FE力學(xué)性能的影響
①注射速度的影響。根據(jù)GB/T 2546.2-2003《塑料 聚丙烯模塑和擠出材料第2部分:試樣制備和性能測(cè)定》的要求以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),選擇合適的參數(shù)。
保持熔體溫度230℃、模具溫度40℃、保壓時(shí)間40s、注射壓力40 bar、保壓壓力40 bar、螺桿轉(zhuǎn)速150 U/min不變,改變注射速度,考查注射速度對(duì)試樣力學(xué)性能的影響。注射速度對(duì)拉伸屈服應(yīng)力和彎曲模量的影響不明顯;簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度則隨注射速度的增加而增大。這是由于在注塑過(guò)程中,“噴泉流動(dòng)”前沿的中心熔體單元遭受穩(wěn)定的拉伸流動(dòng),當(dāng)注射速度增大時(shí)熔體充模快,拉伸作用變強(qiáng),使熔體表層產(chǎn)生高度取向,取向高分子鏈順著外力方向平行的排列,斷裂時(shí)破壞主價(jià)鍵的比例大為增加,而主價(jià)鍵的強(qiáng)度比范德華力高20倍左右,另外,取向后,可以阻礙裂紋向縱深發(fā)展,所以,沖擊強(qiáng)度高。所以提高沖擊強(qiáng)度的辦法可采用較高的注射速度。
②注射壓力的影響。保持熔體溫度230℃、模具溫度40℃、保壓時(shí)間40s、注射速度200 mm/s、保壓壓力40bar、螺桿轉(zhuǎn)速150 U/min不變,改變注射壓力,考查注射壓力對(duì)試樣力學(xué)性能的影響。注射壓力對(duì)拉伸屈服應(yīng)力和彎曲模量的影響不明顯;簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度隨注射壓力的增加開(kāi)始有所增加,之后隨注射壓力的增加而下降。這是由于注射壓力增大,剪切速度大,剪切作用增強(qiáng),使鏈段沿受力方向取向,形成有序區(qū),破壞時(shí)所需能量大,所以沖擊強(qiáng)度高;當(dāng)速度繼續(xù)增大時(shí),剪切作用加劇,此時(shí),溫度上升,粘度下降,熔體在模腔內(nèi)由層流變?yōu)橥牧?,造成塊狀熔體擠滿(mǎn)型腔,導(dǎo)致模腔內(nèi)空氣不易排出而被壓縮,引起制品局部燒傷,故而沖擊強(qiáng)度降低。
③保壓壓力的影響。保壓壓力是一個(gè)需要調(diào)整的參數(shù),從需開(kāi)始逐漸增加熔體壓力,直到樣條沒(méi)有空洞、凹痕和其它可見(jiàn)的缺陷,用此熔體壓力作為保壓壓力。保壓可以對(duì)型腔內(nèi)的熔體進(jìn)行壓實(shí),使塑料緊貼于模壁以獲得精確的形狀,讓不同時(shí)間和不同方向進(jìn)入型腔同一部位的塑料熔合成一個(gè)整體,樹(shù)脂在冷卻的過(guò)程中不致產(chǎn)生回流,且能繼續(xù)補(bǔ)充因樹(shù)脂冷卻收縮產(chǎn)生的不足空間,從而得到最佳的模具復(fù)制效果。保壓壓力設(shè)定過(guò)高,易造成飛邊、過(guò)度充填澆口附近的應(yīng)力集中等不良現(xiàn)象;相反,保壓壓力設(shè)定過(guò)低,則易造成填料不滿(mǎn)、收縮太大、尺寸不安定等現(xiàn)象[5]。
④熔體溫度的影響。保持模具溫度40℃、保壓時(shí)間40s、注射速度200mm/s、注射壓力40bar、保壓壓力40bar、螺桿轉(zhuǎn)速150U/min不變,改變?nèi)垠w溫度,考查熔體溫度對(duì)試樣力學(xué)性能的影響。拉伸屈服應(yīng)力、彎曲模量都隨著熔體溫度的增加而下降。拉伸屈服應(yīng)力和彎曲模量的下降是由于熔體溫度高,聚合物熔體在模具(模具溫度40℃)中快速冷卻時(shí)皮層的降溫速度遠(yuǎn)比內(nèi)層快,這樣可使皮層溫度已經(jīng)低于玻璃化溫度而內(nèi)層依然在這一溫度之上,當(dāng)內(nèi)層進(jìn)一步冷卻時(shí),必然由于收縮而使其處于拉伸狀態(tài),產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,此時(shí)聚合物的物理機(jī)械性能都比原來(lái)低,所以拉伸屈服應(yīng)力和彎曲模量降低[6]。簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度有所降低是由于熔體溫度高,取向程度低。熔體溫度高,整個(gè)分子鏈的運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),熱運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈,不易形成規(guī)整有序的排列,取向程度低[7];另外,由于熔體溫度高,冷卻至凝固溫度所需要的時(shí)間就長(zhǎng),塑料大分子的松弛時(shí)間也就加長(zhǎng),容易解取向,取向程度也會(huì)降低[8]。
⑤螺桿轉(zhuǎn)速的影響。螺桿轉(zhuǎn)速影響著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中作用在塑料上的熱量。當(dāng)螺桿以高速旋轉(zhuǎn)時(shí),傳送到塑料的磨擦(剪切)能量提高了塑化效率,同時(shí)亦增加了熔料溫度的不均勻度。這有可能使熔料發(fā)生局部過(guò)熱,導(dǎo)致分子降解等現(xiàn)象。而且從經(jīng)濟(jì)角度考慮,采用高螺桿轉(zhuǎn)速會(huì)使能源(電能)的消耗增大。
保持模具溫度40℃、保壓時(shí)間40s、注射速度200mm/s、注射壓力40bar、保壓壓力40bar,熔體溫度230℃,改變螺桿轉(zhuǎn)速,考查螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)試樣力學(xué)性能的影響。螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)拉伸屈服應(yīng)力、彎曲模量和簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度的影響不大。在較低的螺桿轉(zhuǎn)速(110U/min、120U/min)和過(guò)高的螺桿轉(zhuǎn)速(170U/min、180U/min、190U/min)下力學(xué)性能相對(duì)較差,而適當(dāng)?shù)穆輻U轉(zhuǎn)速則有利于提高注塑件的力學(xué)性能,這是由于適當(dāng)?shù)穆輻U轉(zhuǎn)速提高了塑化效率且不易產(chǎn)生局部過(guò)熱。
2.2最佳注塑條件的確定
保持模具溫度40℃、保壓時(shí)間40s、注射壓力40bar、注射速度200mm/s、保壓壓力40bar、螺桿轉(zhuǎn)速150U/min不變,選擇熔體溫度230℃注塑長(zhǎng)條試樣,把長(zhǎng)條試樣切成小塊測(cè)定注塑后熔指。測(cè)試注塑前的熔指和注塑后的熔指,以上數(shù)據(jù)可以看出,上述注塑條件下的熔體流動(dòng)速率與注塑前熔體流動(dòng)速率相比變化不大,沒(méi)有超過(guò)原值的1.5倍,對(duì)T28FE來(lái)說(shuō),采用230℃的注塑溫度是適當(dāng)?shù)摹?/p>
根據(jù)上述的單因素考察結(jié)果,結(jié)合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)范圍及文獻(xiàn)資料,確定正交試驗(yàn)為5因素4水平。5個(gè)因素對(duì)T28FE簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度影響程度由大到小依次為注射速度、注射壓力、保壓壓力、螺桿轉(zhuǎn)速、熔體溫度。在注射速度為210mm/s、注射壓力為40bar、保壓壓力為40bar時(shí)簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度最大。螺桿轉(zhuǎn)速為150U/min與160U/min時(shí),對(duì)簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度的影響差別不大,所以可選擇150U/min與160U/ min作為螺桿轉(zhuǎn)速,但考慮到能源(電能)的消耗,采用150U/ min螺桿轉(zhuǎn)速比較合理。
2.3試驗(yàn)條件的驗(yàn)證
由以上試驗(yàn)確定注塑工藝的最佳條件為:注射速度為210mm/s、注射壓力為40bar、保壓壓力為40bar、螺桿轉(zhuǎn)速為150U/min、熔體溫度為230℃。
以上確定的是熔指為2.78g/10min的T28FE產(chǎn)品的最佳注塑工藝條件,為使其更具說(shuō)服性,利用該條件進(jìn)行追加驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果可以看出,試驗(yàn)平穩(wěn)。拉伸屈服應(yīng)力平均值為35.54MPa,彎曲模量平均值為1344.2MPa,簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度平均值為3.332KJ/m3,且注塑后熔指均未超過(guò)原熔指的1.5倍。由此確定了化工質(zhì)檢一室注塑機(jī)注塑T28FE的最佳工藝條件。
(1)聚丙烯樹(shù)脂T28FE力學(xué)性能受注塑工藝影響最大的是簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度。
(2)簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度隨著注射速度、注射壓力、保壓壓力的增加而增大,隨著熔體溫度的增大而降低,隨螺桿轉(zhuǎn)速的變化影響不大;拉伸屈服應(yīng)力、彎曲模量受注射速度、注射壓力、保壓壓力和螺桿轉(zhuǎn)速的影響變化不大,隨熔體溫度的增大而降低。
(3)T28FE簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度最佳注塑工藝為注射速度210mm/s、注射壓力40bar、保壓壓力40bar、螺桿轉(zhuǎn)速150U/ min、注塑溫度230℃。
隨著石油行業(yè)的發(fā)展,各種技術(shù)在不斷的應(yīng)用更新,在進(jìn)行以上研究的方案中,發(fā)現(xiàn)其能夠取得較好的應(yīng)用效果,采用優(yōu)化改造之后的配套工藝,多項(xiàng)開(kāi)采技術(shù)得到顯著提升,并且具有非常好的經(jīng)濟(jì)效益。
[1]劉君怡.成型工藝對(duì)i-PP注塑件聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響研究,2007.