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

1　引言

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　結(jié)果與討論

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。

3　結(jié)論

（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.