何澤鴻，謝鵬程，郁文霞，楊衛(wèi)民

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

加工與應(yīng)用

石墨烯模具改善注塑制品表面“浮纖”缺陷的實(shí)驗(yàn)研究

何澤鴻，謝鵬程*，郁文霞，楊衛(wèi)民

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

通過(guò)石墨烯輔助快速熱循環(huán)技術(shù)研究了制品在成型過(guò)程中對(duì)模具型腔溫度的控制。結(jié)果表明，提高模具型腔表面溫度可降低模具表面與熔體溫度差，減弱熱交換，可使熔體能夠保持較高的流動(dòng)性，防止熔體充填時(shí)玻纖遇冷在表面淤積，從而有效改善聚丙烯表面“浮纖”狀況；當(dāng)模具型腔溫度為120 ℃時(shí)，可完全消除制件表面的“浮纖”缺陷。

聚丙烯；浮纖；石墨烯；快速熱循環(huán)；玻璃纖維；增強(qiáng)

0 前言

玻璃纖維(簡(jiǎn)稱為“玻纖”)增強(qiáng)聚丙烯(GFRPP)是工程上應(yīng)用面較廣、應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)的一類樹(shù)脂基復(fù)合材料。通過(guò)向聚丙烯(PP)中添加玻纖，可提高PP材料的強(qiáng)度、熱變形溫度和尺寸穩(wěn)定性，擴(kuò)大PP材料的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。GFRPP中，“浮纖”(玻纖外露)是其中的一個(gè)問(wèn)題，它不僅影響材料的外觀品質(zhì)，而且使材料的力學(xué)性能不均一。

玻纖“浮纖”現(xiàn)象是在塑料熔體充模流動(dòng)過(guò)程中，白色的玻纖會(huì)浮露于外表， 冷卻后便在制品表面形成放射狀的白色痕跡，其嚴(yán)重影響了制品的美觀[3]。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因有：

(1)塑料熔體在流動(dòng)過(guò)程中受到螺桿、噴嘴、流道及澆口的摩擦剪切作用， 不僅會(huì)使局部黏度有差異，還會(huì)破壞樹(shù)脂基體與玻纖之間的界面層。當(dāng)熔體黏度越小時(shí)，界面層破壞越嚴(yán)重，兩者之間的黏結(jié)力就會(huì)減弱，當(dāng)黏結(jié)力減弱到一定程度時(shí)，兩者便會(huì)脫離，玻纖逐漸向表面累積而外露。

(2) 當(dāng)塑料熔體注入型腔時(shí)， 伴隨著會(huì)產(chǎn)生“噴泉”效應(yīng)，在這個(gè)過(guò)程中，玻纖會(huì)逐漸向表面外露，由于模具型腔表面溫度較低，質(zhì)量輕、冷凝快的玻纖與型腔壁接觸時(shí)會(huì)瞬間凍結(jié)，若不能被熔體及時(shí)充分包圍，便會(huì)在制品表面形成放射狀的白色痕跡[4]。

(3)塑化熔體在流動(dòng)過(guò)程中，由于玻纖與樹(shù)脂的流動(dòng)性和密度差異很大，兩者在混合后難以相容。

由以上分析可知，“浮纖”產(chǎn)生的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，本文采用石墨烯鍍層為模具型腔進(jìn)行加熱的方式，研究了在該新型工藝條件下不同模具型腔溫度對(duì)“浮纖”現(xiàn)象的改善情況。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

GFRPP，玻纖含量為20 %，GB205U，熔體流動(dòng)速率為2 g/10 min，北歐化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

注塑機(jī)，PT130，力勁機(jī)械廠有限公司；

直流電源，HSPY-600，北京漢晟普源科技有限公司；

溫度采集模塊，ITCP-6505，泉州冠航達(dá)電子科技有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，HITACHI S4700，日立(中國(guó))有限公司；

模具，自主設(shè)計(jì)的單側(cè)石墨烯鍍層快速熱循環(huán)模具如圖1、圖2(a)所示，通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)法將石墨烯鍍于硅片上，表面電阻約為120 Ω，且石墨烯鍍層與基體通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合，不易剝蝕，具有快速升溫的特點(diǎn)；當(dāng)直流電源以額定電流2.5 A輸出時(shí)，型腔表面溫度可在14 s 內(nèi)上升120 ℃，升溫速率可達(dá)8.6 ℃/s，型腔表面不同位置的升溫速率基本一致[5]，石墨烯鍍層的熱響應(yīng)性能測(cè)試位置和對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果分別如圖2(b)、圖3所示。

(a)鍍上石墨烯的硅片 (b)硅片安裝方式圖1 鍍上石墨烯的硅片F(xiàn)ig.1 Graphene coating silicon slice

(a)裝上硅片的模具 (b)硅片熱響應(yīng)測(cè)試位置圖2 裝上硅片的模具及其熱響應(yīng)測(cè)試位置Fig.2 The mold with silicon slice and thermal response test position

位置：■—1 ●—2 ▲—3 ▼—4 ◆—5圖3 額定電流2.5 A下型腔表面不同位置的升溫圖Fig.3 Temperature rising at different location on cavity surface under rated current of 2.5 A

1.3 樣品制備

圖4 制品形狀Fig.4 Shape of products

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)具有雙澆口的澆口板來(lái)注射成型GFRPP制品，制品形狀如圖4所示，制品厚度為1.75 mm，注射成型工藝參數(shù)為：注射溫度為220 ℃，注射壓力為40 MPa，注射速度為40 mm/s，保壓壓力為80 %，保壓時(shí)間為10 s；模具型腔溫度設(shè)置為60、90、120 ℃以及室溫4種條件，分別在這4種不同模具型腔溫度條件下成型制件。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

在自然光條件下通過(guò)感官觀察不同模具型腔溫度下注塑制品加熱面的“浮纖”改善情況；

為觀察不同模具型腔溫度對(duì)制件“浮纖”微觀的改善情況，對(duì)制件進(jìn)行取樣、噴金處理，置于SEM下觀察，加速電壓為20 kV，真空，介質(zhì)和環(huán)境溫度不超過(guò) 45 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 感官觀察“浮纖”改善情況

在添加玻纖這類填充物的時(shí)候，一般采用的是物理混合方法，因此玻纖只是均勻分散在塑料中間，但在塑料融化后，這個(gè)混合物會(huì)出現(xiàn)不同程度的分離。文中選用全新的石墨烯輔助快速熱循環(huán)工藝方法消除“浮纖”缺陷。通過(guò)將制件置于自然光下觀察制件的表面“浮纖”情況，如圖5所示。從圖5(a)中可看出模具型腔溫度為室溫時(shí)(即常規(guī)注塑)制件的表面具有很明顯的的“浮纖”現(xiàn)象，并且在流動(dòng)方向上成發(fā)射狀，表面較為粗糙。采用石墨烯鍍層模具將型腔加熱至60 ℃[如圖5(b)] “浮纖”現(xiàn)象較常溫有所改善，但是還能清晰看到發(fā)射狀“浮纖”。90 ℃時(shí)制件表面基本沒(méi)有“浮纖”[如圖5(c)]，120 ℃時(shí)制件表面光亮沒(méi)有“浮纖”[如圖5(d)]。

溫度/℃：(a)室溫 (b)60 (c)90 (d)120圖5 不同型腔溫度時(shí)20 %GFRPP制品表面浮纖情況Fig.5 Floating fiber of 20 % GFRPP products at different cavity temperatures

2.2 微觀觀察“浮纖”改善情況

溫度/℃：(a)室溫 (b)60 (c)90 (d)120圖6 不同型腔溫度下GFRPP制品表面的SEM照片(70×)Fig.6 SEM of GFRPP product surface at different cavity temperatures

為改善“浮纖”現(xiàn)象，通常采用增加充填速度、降低螺桿計(jì)量段的溫度等方法，這些方法在實(shí)際操作中雖然有一定的作用，但是改善效果不佳，而且與工藝制定水平有很大的關(guān)系，并與設(shè)備情況緊緊相關(guān)[6]。為了更好地評(píng)價(jià)石墨烯鍍層模具對(duì)“浮纖”缺陷的改善效果，制件取樣噴金置于SEM觀察其表面情況如圖6所示。從圖中可以看出當(dāng)模具型腔為室溫時(shí)制件表面玻纖裸露嚴(yán)重，并且表面品質(zhì)較差[圖6(a)]；隨著型腔溫度升至60、90 ℃時(shí)，制件表面“浮纖”現(xiàn)象明顯改善[圖6(b)、6(c)]，并且表面逐漸變光滑；當(dāng)型腔溫度達(dá)到120 ℃時(shí) “浮纖”現(xiàn)象消失，制件表面光滑[圖6(d)]。通過(guò)以上現(xiàn)象驗(yàn)證了石墨烯輔助快速熱循環(huán)技術(shù)可以有效地改善制品表面“浮纖”缺陷。由于放大倍率一致，對(duì)圖6中4種成型條件下的“浮纖”數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得，模具型腔溫度分別為室溫、60、90、120 ℃時(shí)，“浮纖”數(shù)目分別為32、20、3、0根。

2.3 制件厚度方向玻纖位置變化情況

為更好地了解玻纖在皮層內(nèi)的分布情況，截取了制件沿厚度方向的截面，對(duì)其進(jìn)行微觀形貌觀察。從圖7(a)可知塑件在室溫條件下成型時(shí)靠近制件表面位置處玻纖取向雜亂，方向分布毫無(wú)規(guī)律，并在此截面皮層處出現(xiàn)了大量空洞以及凸起(空洞是由脆斷時(shí)被抽出的玻纖所產(chǎn)生，凸起則是脆斷后殘余的玻纖)，這些空洞與凸起有一大部分與制件表面并不平行，還有部分與制件表面相連。從圖7(b)、7(c)中可看出，皮層處與制件表面成角度的空洞或凸起隨著型腔溫度升高而減少。當(dāng)型腔溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，與制件表面相鄰的區(qū)域內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)與制件表面相連的空洞以及凸起，甚至與制件表面成角度的空洞或凸起在此區(qū)域內(nèi)也沒(méi)有出現(xiàn)。

溫度/℃：(a)室溫 (b)60 (c)90 (d)120圖7 不同型腔溫度下GFRPP制品截面的SEM照片(100×)Fig.7 SEM of GFRPP product section at different cavity temperatures(100×)

2.4 結(jié)果分析

在注塑時(shí)，玻纖相對(duì)于塑料的流動(dòng)要差很多，而塑料在模具中的流動(dòng)是“噴泉”式流動(dòng)(“噴泉”效應(yīng))，即以從中間往兩邊翻動(dòng)的方式流動(dòng)(如圖8)，因此跑在最前面的一定是流動(dòng)性最好的熔體，而流動(dòng)性不好的玻纖就會(huì)停留在模具表面。當(dāng)模腔溫度較低時(shí)，熔體在進(jìn)入型腔后玻纖會(huì)由內(nèi)部向表面流動(dòng)，并產(chǎn)生“噴泉”效應(yīng)使纖維和塑料脫離，再與溫度較低的模具發(fā)生接觸時(shí)纖維來(lái)不及取向便凍結(jié)在皮層中，使得表面有較多的纖維裸露在皮層中。模具型腔溫度越低裸露的玻纖越多，“浮纖”現(xiàn)象越明顯。

圖8 熔體填充過(guò)程Fig.8 Melt filling process

采用石墨烯輔助快速熱循環(huán)工藝成型GFRPP制品時(shí)，在成型過(guò)程中可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)模具型腔溫度。隨著模具加熱溫度的升高，模具型腔溫度越高熔體能處于高彈態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，熔體流動(dòng)性越好。因此，樹(shù)脂與玻纖的包裹效果越好，兩者之間的相容效果越好。制品表面變光滑，并且表面“浮纖”裸露數(shù)目減少，這是由于較高的模具表面溫度與熔體溫差減小，熱交換減弱，皮層熔體不會(huì)很快從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，熔體能夠保持較低的黏度，使得皮層的纖維可以被基體很好的包裹而不會(huì)裸露在皮層外面。從圖5、圖6可看出當(dāng)成型型腔溫度為120 ℃時(shí)制件表面光滑，并完全消除了“浮纖”等缺陷。此外較高的模具表面溫度可以使熔體具有較高的流動(dòng)性，使制件能夠復(fù)制光滑的型腔面，使制件表面變得光滑。在熔體厚度方向上某一位置溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，此溫度梯度區(qū)間內(nèi)的熔體均迅速冷凝形成皮層，其中有部分纖維漂浮于制件表面，還有部分纖維與制件表面處于非平行狀態(tài)，在靠近制件表面位置處，物料中的纖維由于在填充過(guò)程中物料遇到低溫模具而迅速冷卻保持取向。從而出現(xiàn)了纖維部分裸露在制件表面的情況這與圖7(a)、7(b)中有玻纖部分裸露而部分在制件內(nèi)部的情況相符。

3 結(jié)論

(1)隨著型腔溫度越高物料熱交換減弱，“浮纖”改善效果越明顯；模腔溫度從室溫～60 ℃，60～90 ℃制件表面“浮纖”數(shù)目大幅減少，分別減少了12、17根；120 ℃時(shí)“浮纖”數(shù)目為0根；

(2)石墨烯輔助快速熱循環(huán)技術(shù)能有效提高GFRPP制品的表面品質(zhì)；當(dāng)模具型腔溫度達(dá)到120 ℃時(shí)，能夠完全消除GFRPP的“浮纖”缺陷。

[1] 連榮丙,徐名智,李 強(qiáng)，等.玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料性能研究[J].塑料科技,2008,36(8):40-44. Lian Rongbing, Xu Mingzhi, Li Qiang. et al. Study on Properties of Glass Fiber Reinforced Polypropylene Composite[J].Plastics Science and Technology,2008,36(8):40-44.

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[6] 王恒兵. 聚丙烯/玻璃纖維復(fù)合材料浮纖改善及其結(jié)構(gòu)性能研究[D]. 重慶：重慶理工大學(xué)材料加工工程, 2012.

關(guān)于召開(kāi)2017 BOPP、BOPA、BOPI、BOPE等薄膜產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)與技術(shù)發(fā)展研討會(huì)的通知

各有關(guān)企業(yè)：

自2016年下半年以來(lái)，雙向拉伸聚丙烯薄膜(BOPP)、雙向拉伸聚酰胺薄膜(BOPA)、雙向拉伸聚酰亞胺薄膜(BOPI)、雙向拉伸聚乙烯薄膜(BOPE)薄膜行業(yè)的情況發(fā)生了很大的變化。由于歐洲國(guó)家經(jīng)濟(jì)陷入衰退，我國(guó)出口下降，且國(guó)內(nèi)產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩和原材料價(jià)格波動(dòng)等，導(dǎo)致我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的環(huán)境不容樂(lè)觀。為了探討行業(yè)的未來(lái)市場(chǎng)與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，交流原輔材料行業(yè)信息，研討下游企業(yè)需求情況，促進(jìn)BOPP、BOPA、BOPI、BOPE薄膜生產(chǎn)企業(yè)重視節(jié)能降耗，開(kāi)拓雙向拉伸聚偏二氟乙烯薄膜(BOPVDF)、雙向拉伸聚乙烯醇薄膜(BOPVA)等新型雙向拉伸薄膜領(lǐng)域，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，提升產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)薄膜出口，鼓勵(lì)企業(yè)走差異化發(fā)展道路，并逐步形成各自獨(dú)特的發(fā)展模式和發(fā)展優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高設(shè)備維修保養(yǎng)水平，交流備品備件供應(yīng)，促進(jìn)BOPP、BOPA、BOPI、BOPE薄膜行業(yè)與上下游產(chǎn)業(yè)鏈保持可持續(xù)發(fā)展，我專委會(huì)決定于2017年9月25-26日在佛山順德金茂華美達(dá)廣場(chǎng)酒店召開(kāi)“2017 BOPP、BOPA、BOPI、BOPE等薄膜產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)與技術(shù)發(fā)展研討會(huì)暨BOPP薄膜專委會(huì)換屆大會(huì)”，9月25日?qǐng)?bào)到，26日開(kāi)會(huì)。本次會(huì)議由廣東德冠薄膜新材料股份有限公司承辦，廈門長(zhǎng)塑實(shí)業(yè)有限公司支持，德國(guó)布魯克納機(jī)械股份有限公司、常州博斯特西太湖包裝設(shè)備有限公司、廣州思肯德電子測(cè)量設(shè)備有限公司、美國(guó)微覺(jué)視檢測(cè)技術(shù)(蘇州)有限公司、威海旭日過(guò)濾器有限公司贊助，秦皇島飛塑科技開(kāi)發(fā)有限公司協(xié)辦。會(huì)議規(guī)模約300人。

一、會(huì)議主要內(nèi)容

(1)召開(kāi)BOPP薄膜專委會(huì)理事會(huì)暨雙向拉伸薄膜生產(chǎn)企業(yè)2017年度經(jīng)濟(jì)工作座談會(huì)；(2)召開(kāi)BOPP薄膜專委會(huì)換屆大會(huì)；(3)2017年BOPP、BOPA、BOPI、BOPE等薄膜產(chǎn)業(yè)鏈存在問(wèn)題與對(duì)策探討；(4)2017年中國(guó)BOPP、BOPA、BOPI、BOPE等薄膜市場(chǎng)需求分析與2018年發(fā)展趨勢(shì)研討；(5)雙向拉伸薄膜行業(yè)最新技術(shù)動(dòng)態(tài)介紹；(6)BOPP、BOPA等原料開(kāi)發(fā)、供需情況與價(jià)格走勢(shì)探討；(7)BOPP、BOPA薄膜新產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)探討；(8)交流雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線維修保養(yǎng)與節(jié)能技術(shù)；(9)下游軟包裝、電容器、煙草行業(yè)有關(guān)情況交流；(10)雙向拉伸薄膜的原輔材料與雙向拉伸設(shè)備備品備件的樣品與圖片展示。

二、收費(fèi)原則

(1)為鼓勵(lì)廣大塑料薄膜制品企業(yè)和薄膜經(jīng)銷商參加，加強(qiáng)與下游產(chǎn)業(yè)鏈的聯(lián)系，促進(jìn)質(zhì)量控制和科研開(kāi)發(fā)，對(duì)BOPP、BOPA、BOPI、BOPE等塑料薄膜制品企業(yè)和薄膜經(jīng)銷商、下游客戶及相關(guān)薄膜企業(yè)不收取會(huì)務(wù)費(fèi)；

(2)對(duì)大專院校、科研所不收取會(huì)務(wù)費(fèi)；

(3)對(duì)國(guó)內(nèi)外雙向拉伸薄膜設(shè)備、鍍膜機(jī)、涂布機(jī)、分切機(jī)、原料非會(huì)員企業(yè)收取每人2000元會(huì)務(wù)費(fèi)，會(huì)員企業(yè)收取每人1500元會(huì)務(wù)費(fèi)；

(4)國(guó)內(nèi)外備品備件、輔助材料、檢驗(yàn)檢測(cè)等配套企業(yè)及其貿(mào)易公司非會(huì)員企業(yè)收取每人1500元會(huì)務(wù)費(fèi)，會(huì)員企業(yè)收取每人1000元會(huì)務(wù)費(fèi)；

(5)住宿費(fèi)用由各會(huì)議代表自己承擔(dān)。

三、聯(lián)系方式

聯(lián)系人：孫冬泉、范艷、李靜

電 話：010-68690149，68693004，68679752

手 機(jī)：13601177690(范) 15321669630(李)

E-mail：ppack@ppack.cn或ppack@126.com

Study on Prevention of Fiber-floating Phenomenon on Injection-molded PPParts with Graphite-assisted Rapid Heat Cycle Molding Technology

HE Zehong, XIE Pengcheng*, YU Wenxia, YANG Weimin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

A temperature control for mold cavities was realized during injection-molding process by a graphene-assisted rapid heat cycle molding technology, and an intensive investigation indicated that the improvement of the surface temperature of mold cavities could reduce the temperature difference between mold surface and melt, and also resulted in a decrease in heat exchange. This made the melt have a low viscosity and prevented glass fiber depositing on mold surface when cooled. In this case, the glass fiber-floating phenomenon on the surface of injection-mold parts could be well prevented. Fiber-floating defects could be completely eliminated when temperature of the mold cavities was set to 120 ℃.

polypropylene; fiber floating; graphene; rapid heat cycle molding; glass fiber; reinforced

2017-03-16

TQ320.5+2

B

1001-9278(2017)08-0068-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.08.012

北京市自然科學(xué)基金(2162034)

*聯(lián)系人：xiepc@mail.buct.edu.cn