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(中國航發(fā)北京航空材料研究院 透明件研究所，北京 100095)

聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是飛機透明件用的主要兩種材料，聚碳酸酯具有較高的透光率和抗沖擊強度，但耐磨性較差；聚甲基丙烯酸甲酯的耐磨性好，光學性能優(yōu)異，但抗沖擊強度偏低[1]。將兩者的優(yōu)勢結合有利于制造高性能飛機透明件。傳統(tǒng)的結合方法是將聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯通過中間層(例如聚氨酯)進行層合，然而層合方法工藝復雜，且制件使用壽命周期偏短，難以達到滿意的效果。

近年來多次注射成型技術的發(fā)展為異質材料結合提供了一種新的思路。其中二次注射成型技術就有可能滿足兩種材料一體化成型的需求，選擇兩種合適的高分子材料，通過二次注射得到的制品就兼有兩種材料的優(yōu)點[2-3]，目前已在汽車內飾、手機、光盤等領域上成功得到初步應用。隨著二次注射成型技術的使用,如何控制制品的翹曲變形以滿足尺寸公差和性能的要求成為學者關注的重點。對常規(guī)注射而言，保壓壓力、保壓時間、熔體溫度、模具溫度等工藝參數對制品的翹曲變形有著不同程度的影響[4-6]。曾盛渠等[7]通過實驗的方法研究了常規(guī)注射下保壓壓力、熔體溫度等參數對盒型制件收縮和翹曲的影響，發(fā)現保壓壓力對制品收縮影響最為顯著、模具溫度對減小制件翹曲有顯著效果。崔如坤等[8]通過數值模擬的方法研究常規(guī)注射成型的工藝參數對薄壁配光鏡翹曲的影響，結果表明，延長保壓時間可減少制件的翹曲。郭志英等[9]研究了不同澆口形狀與成型工藝參數對高密度聚乙烯(HDPE)平板制品翹曲的影響,結果發(fā)現,在最優(yōu)的成型工藝參數條件下,窄澆口的產品比寬澆口的翹曲變形小;不同澆口形狀對翹曲影響最大的工藝參數不同,對寬澆口下的HDPE制品,保壓壓力對翹曲變形影響最大,而窄澆口為熔體溫度影響最大。楊大偉[10]通過模擬和實驗結合的方法研究了PP制件脫模后自然冷卻下的熱變形，發(fā)現制件脫模溫度、厚度、形狀結構等都會導致翹曲。

雖然許多學者在注射成型中對工藝參數優(yōu)化進行了研究，但是上述文獻基本上都是研究常規(guī)注射工藝參數對翹曲的影響。目前，國內外對于利用二次成型技術直接融合聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯以制造飛機透明件鮮有報道，更不用提關于分析二次成型技術的工藝特性對制品翹曲變形的研究報告。本工作針對二次注射成型聚甲基丙烯酸甲酯-聚碳酸酯平板制件的翹曲變形展開研究，采用單因素多水平分析方法考察了成型工藝參數對PMMA-PC平板翹曲量的影響，分析工藝參數對PMMA-PC平板翹曲量的影響規(guī)律，為高尺寸精度聚甲基丙烯酸甲酯/聚碳酸酯光學件的二次注射成型提供技術參考。

1 實驗材料與方法

1.1 原料與儀器

聚碳酸酯：牌號為OQ2720，沙特Sabic公司；聚甲基丙烯酸甲酯：牌號為Altuglas V040，法國阿科瑪公司。注射成型設備采用CX130-750型注射壓縮成型機。平板預熱設備采用101-3AB型電熱鼓風干燥箱。翹曲量測量采用數顯高度尺、外溝槽數顯卡尺。復合平板殘余應力測試選擇WPA-100-L寬量程2D雙折射測定儀。

1.2 實驗過程

1.2.1 3mm聚甲基丙烯酸甲酯平板制備

將 PMMA 粒料在 80℃下干燥4h，通過常規(guī)注射成型，制備尺寸為200mm×100mm×3mm平板試樣，如圖1所示。

圖1 3mm PMMA板Fig.1 3mm PMMA board

1.2.2 7mm PMMA-PC平板注射成型

將3mm PMMA平板的澆口部分切去并放在烘箱中預熱至80℃，后放入7mm動模型腔中，以PC為第二組分，注射成型200mm×100mm×7mm PMMA-PC復合平板，如圖2所示。本實驗采用單因素多水平實驗方法分析第二次注射成型過程對PMMA-PC 平板翹曲的影響因素，所選擇的研究因素分別是保壓壓力、保壓時間、熔體溫度、模具溫度以及注射速率。保壓壓力為50MPa，保壓時間為5s，熔體溫度為300℃，注射速率為15mm/s，模具溫度為100℃為工藝基準點，在考察其中一個因素對制件翹曲量的影響時，其余4個參數值恒定不變，表1列出了各因素參數及其水平。實驗中其余的工藝參數固定不變，其中，鎖模力為1300kN，冷卻時間60s，3mm PMMA平板溫度80℃。

圖2 7mm PMMA-PC復合平板 (a)主視圖；(b)側視圖Fig.2 7mm PMMA-PC composite board (a)front view;(b)lateral view

FactorLevel12345Packingpressure/MPa030507090Packingtime/s05101520Melttemperature/℃280290300310320Moldtemperature/℃608090100120Injectionspeed/(mm·s-1)510152025

1.2.3 復合平板翹曲量測量

表達翹曲的方式有兩種[1]，如圖3所示：一是翹曲量，即為圖3的h；二是翹曲度γ，其公式為γ=h/L，L為制件在特定方向的投影長度。本實驗選擇用翹曲量h表達制件的翹曲。

圖3 翹曲量的表達方式[11] Fig.3 Parameters in warpage degree[11]

具體的測量方法如下：將制件放置于高度尺基臺面上，目測找出翹曲彎曲最大處出現的區(qū)域，使用高度尺在此區(qū)域內測量出高度最大值，記為H，并用記號筆標示出該位置。用高度尺在平板任意其他位置隨機測量幾個點的高度，確認H為該平板的最大高度。用外溝槽卡尺測高度最大值H處的平板的厚度，記為d。則該平板翹曲量h=H-d。

1.2.4 復合平板殘余應力測試

采用光彈法測試復合平板的殘余應力，其原理是：當透明無定型聚合物分子鏈發(fā)生取向，會產生殘余應力，并使得材料由原先的光學各向同性改變成各向異性。一束平面偏振光垂直入射于復合平板時，產生雙折射并按矢量分解定律分解為互相垂直的兩束平面偏振光，這兩束光的光程差與殘余應力成正比關系，即：

δ=Cd(σ1-σ2)

(1)

式(1)為應力-光學定律，δ為兩束光的光程差；C為材料應力光學系數，與材料本身有關；d為復合平板厚度；σ1和σ2為主應力。由于本工作測試的復合平板使用的材料與厚度相同，并且均是常數，所以平板的殘余應力與光程差呈線性相關。

2 結果與分析

2.1 保壓壓力

圖4所示為不同的保壓壓力對PMMA-PC復合平板的翹曲量的影響。從圖4可以看出，沒有保壓時復合平板的翹曲量最大，施加保壓壓力后，復合平板的翹曲量隨保壓壓力的增大呈先減小后增加的趨勢；保壓壓力從0MPa升至50MPa，復合平板的翹曲量有較大幅度降低，減小了約15%；但當保壓壓力大于50MPa，復合平板翹曲量反而增加。這是因為PMMA-PC復合平板宏觀上的翹曲變形是由熔體在模腔內冷卻過程中收縮和殘余應力共同造成的。注射過程中，加入保壓階段的目的在于補充熔體進入型腔以彌補材料本身的收縮。保壓在低于50MPa時，復合平板處于 “未填滿”狀態(tài)，增大保壓壓力，更多的熔體補充進型腔，將型腔內的熔體壓實，并補充因熔體收縮而產生的空隙，保證塑件的致密性，減少了材料體積收縮率，所以保壓壓力在0～50MPa段復合平板的翹曲量有明顯的下降。一般來說，保壓壓力應為實際注射壓力的60%～80%，在實驗中實際注射壓力為70MPa左右，當保壓壓力30MPa時，不足以抵抗型腔中熔體壓力，補充的熔體量較少，復合平板仍有收縮；當保壓壓力增大至50MPa，可基本填滿型腔，故復合平板翹曲量在保壓壓力0～50MPa段隨保壓壓力的增加而降低。保壓也可以引起聚合物分子的流動取向[12]，保壓壓力越大，取向程度越顯著，殘余應力相應也就越大。當保壓壓力大于50MPa時，熔體長時間內維持在一個比較高的保壓狀態(tài)，增大了熔體分子的取向應力，在冷卻后會表現出較高的殘余應力，最終導致翹曲變形量上升。

圖4 保壓壓力對復合平板翹曲的影響Fig.4 Effect of packing pressure on the warpage of composite board

2.2 保壓時間

圖5所示為不同的保壓時間下PMMA-PC復合平板的翹曲量。由圖5可以看出，隨著保壓時間的延長，復合平板的翹曲量總體是呈下降趨勢，并且保壓0s時，復合平板的翹曲量最大，為5.282mm，保壓時間是5s時，平板翹曲量急劇下降至4.488mm，減少了近15%；繼續(xù)延長保壓時間，復合平板的翹曲量下降速度變小，在20s時得到的復合平板翹曲量最小，為2.03mm，較0s時減小了61.6%。出現翹曲量隨保壓時間變化的原因是保壓時間直接影響熔體的收縮，從而影響制品的翹曲[5]。冷卻階段，聚碳酸酯熔體在型腔內會產生一定的收縮，保壓時間為0s就表示沒有熔體進來補償這部分收縮，在聚碳酸酯一側發(fā)生因收縮導致的變形，并且在型腔內的聚碳酸酯溫度高于聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化溫度，聚甲基丙烯酸甲酯接觸聚碳酸酯熔體的一側熔化，與聚碳酸酯熔體結合為一體，導致復合平板在宏觀上有較大的收縮變形。加入保壓壓力后對進入型腔的聚碳酸酯熔體進行補充，減少了因熔體收縮引起的翹曲變形，降低了復合平板的翹曲量。由于實驗所用模具的流道類型為熱流道，故澆口不會凝固，隨著保壓時間的延長，補縮的效果越好，型腔內的熔體壓實的更緊密，表現出復合平板的翹曲量減少。

圖5 保壓時間對復合平板翹曲的影響Fig.5 Effect of packing time on the warpage of composite board

2.3 熔體溫度

圖6所示為在不同熔體溫度下PMMA-PC復合平板的翹曲量。由圖6可以看出，隨著熔體溫度的升高，復合平板的翹曲量呈增大的趨勢；在熔體溫度320℃時翹曲量最大，為5.126mm，在熔體溫度280℃下翹曲量最小，為2.5mm，減小了51.4%。本實驗在動模型腔內有3mm聚甲基丙烯酸甲酯板，溫度為80℃，模具溫度為100℃，二者導熱系數不同，實驗所用的聚甲基丙烯酸甲酯的導熱系數是0.18，模具型面所用的材料是S136鋼，其導熱系數是16.5，由此可見二者的傳導熱能力相差很大，聚碳酸酯進入型腔內，一側與聚甲基丙烯酸甲酯板接觸，另一側與模具型面接觸，與型面接觸的熔體由于快速冷卻形成固化層，而與聚甲基丙烯酸甲酯接觸的熔體冷卻較慢，導致在復合平板厚度方向上有較大的溫度梯度。根據Isayev等[13]的研究,提高熔體溫度能降低制品流動殘余應力,使得制品熱應力占主導，故在復合平板厚度上的溫度梯度會隨著注射熔體的溫度升高而增大。這就導致了在復合平板內存在較大的熱應力，導致在宏觀表現出翹曲增大的趨勢。較高的熔體溫度會增加熔體與模具的溫差，在固定的冷卻時間下，注射的熔體溫度越高，開模時平板表面溫度就越高，在自然冷卻過程中產生收縮越大，也導致了復合平板翹曲量增大。

圖6 熔體溫度對復合平板翹曲的影響Fig.6 Effect of melt temperature on the warpage of composite board

2.4 注射速率

圖7所示為注射速率對PMMA-PC復合平板翹曲量的影響規(guī)律。可以看出，復合平板的翹曲量隨著注射速率的增大而增加，注射速率為25mm/s時翹曲量最大，達到4.88mm，注射速率為5mm/s時復合平板翹曲量最小，為3.5mm，減小了28.3%。注射速率主要通過影響復合平板內的殘余應力來影響翹曲量的大小。注射速率能決定熔體進入平板模具型腔中鋪展的速度，當熔體以較小的速度進入型腔中，熔體流動較慢，分子鏈的取向程度較小，故取向應力較小。增大注射速率后，熔體以較快的速度進入型腔，受到較大的剪切作用力，分子鏈被迫取向拉伸，產生較大的取向應力，復合平板因此產生比較大的翹曲變形。此外，當螺桿以較高速度將熔體擠進型腔時，會使得型腔內壓力增大，沿著流動方向有較大的壓力梯度分布，也會使PMMA-PC復合平板內部產生殘余應力，導致復合板的翹曲。提高注射速率還能導致進入型腔的熔體溫度升高，在模具溫度相同的情況下,熔體的溫度增加則平板厚度方向溫度梯度增大，由溫度梯度造成的熱應力增大，導致翹曲量增大。

圖7 注射速率對復合平板翹曲的影響Fig.7 Effect of injection speed on the warpage of composite board

2.5 模具溫度

圖8是PMMA平板溫度在80℃下注射成型復合平板的翹曲量隨模具溫度變化的曲線。圖中翹曲量的正負代表復合平板脫模及完全冷卻后翹曲的方向，規(guī)定正方向為朝PMMA側方向彎曲變形。從圖8中可看出復合平板的翹曲量隨著模具溫度升高而朝向PMMA側增大。當模具溫度為60℃和80℃時，復合平板在開模時朝PC側彎曲變形，且最后完全冷卻后變形方向不變；模具溫度為90℃時，開模時依舊朝PC側彎曲變形，但在冷卻的過程中，復合平板迅速改變變形方向，朝向PMMA一側，最終完全冷卻后，表現為朝PMMA側彎曲，但是翹曲量很小，只有0.5mm左右；模具溫度在100℃和120℃下，脫模時就朝向PMMA側彎曲，完全冷卻后復合平板變形方向不改變，并在120℃下復合平板翹曲量最大，為10.4mm。模具溫度在90～120℃內，增加模溫復合平板的翹曲量也隨之增大的原因是開模后的復合平板處于自由收縮狀態(tài)，平板表面到芯部的溫度梯度隨著模具溫度的升高而增大，產生的翹曲也增大。此外，型腔中的聚甲基丙烯酸甲酯板的熱傳導率很低，導致熔體進入型腔后的冷卻方式為不對稱冷卻，而不對稱模溫導致產品在冷卻過程中內部產生殘余應力[14-15]。圖9表示測得在不同的模具溫度下復合平板的殘余應力，可以看出隨著模具溫度的升高，平板中心位置的光程差變高，反映該位置的殘余應力增大，這與實驗中平板翹曲量最大值發(fā)生在平板中部位置相吻合。模具溫度在60℃到90℃，復合平板向PC方向的彎曲程度逐漸減小，這是因為冷卻過程中，聚甲基丙烯酸甲酯板與聚碳酸酯熔體都在冷卻，溫度越低，對于PC來說，收縮越大，其表面的壓應力將復合板拉向PC側。當溫度開始升高至接近PC的加工溫度時，PMMA側的收縮變形要大于PC，故將復合板拉向自己一側。

圖8 模具溫度對復合平板翹曲的影響Fig.8 Effect of mold temperature on the warpage of composite board

圖9 不同模溫下平板殘余應力分布 (a)60℃;(b)80℃;(c)90℃;(d)100℃;(e)120℃Fig.9 Measured residual stress distribution at different mold temperatures (a)60℃;(b)80℃;(c)90℃;(d)100℃;(e)120℃

3 結論

(1)PMMA-PC復合平板翹曲量隨保壓壓力的增大表現為先減小后增大，保壓壓力為50MPa時，復合平板翹曲量最??；PMMA-PC復合平板翹曲量隨保壓時間的增大而減小。保壓階段參數主要通過影響材料的冷卻收縮來控制復合平板翹曲量的大小。

(2)PMMA-PC復合平板翹曲量隨聚碳酸酯熔體溫度的增加而增大。熔體溫度的提高加大了在制品厚度方向上的溫度分布，導致了在復合平板內存在較大的熱應力，從而增大了復合平板的翹曲。

(3)PMMA-PC復合平板翹曲量隨注射速率的增加而增大。注射速率影響了熔體分子鏈的取向，并且升高了熔體溫度，導致了翹曲量增大。

(4)模具溫度增加令復合平板的翹曲變形朝聚甲基丙烯酸甲酯一側逐漸增大。在90℃以下時，復合平板最終變形方向為PC一側；當模溫高于90℃，復合平板的翹曲方向在PMMA一側。模內不對稱冷卻引起復合平板內部的殘余熱應力成為翹曲量增大的主要原因。模具溫度為90℃時，復合平板基本無翹曲。

(5)對比各工藝參數下得到的復合平板翹曲量減小量百分數，模具溫度與保壓時間成為影響PMMA-PC復合平板翹曲量最重要的因素。

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