易恒光，游 強(qiáng)，徐志江

(廣州一道注塑機(jī)械股份有限公司，廣東 廣州 510663)

注射成型是一種以高壓高速將塑料熔體注入閉合的模具型腔內(nèi)，經(jīng)過(guò)冷卻定型后得到和模具型腔形狀一致的塑料制品的成型方法[1-2]。注射成型的必要條件為：1)塑料必須是以熔體化的狀態(tài)進(jìn)入模腔；2)塑料熔體必須有足夠的壓力和流速，以保證能及時(shí)充滿模腔[3-4]。注射壓縮成型是將注射和壓縮等2種成型方式結(jié)合起來(lái)的成型技術(shù)，是傳統(tǒng)注射成型的一種高級(jí)形式。其成型過(guò)程分2次進(jìn)行，模具首次合模，動(dòng)模板和定模板不完全閉合而保留一定的壓縮間隙，隨后向未完全閉合的模具型腔內(nèi)注射定量的聚合物熔體；熔體注射完成后，再次合模，使得動(dòng)模板和定模板完全閉合，將模腔內(nèi)的熔體進(jìn)行壓縮填充[5-8]。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶坯的生產(chǎn)一般采用注射成型技術(shù)，鮮有發(fā)現(xiàn)用注射壓縮方法生產(chǎn)PET瓶坯的報(bào)道。本文以一種典型的PET瓶坯為例，采用注射成型和注射壓縮成型等2種方法分別制備了透明PET瓶坯，并對(duì)2種不同成型方式制備的透明PET瓶坯的外觀、瓶口尺寸、坯壁厚度同心度、乙醛(AA)含量、黏度(IV)降和應(yīng)力線分布狀況進(jìn)行了對(duì)比分析。本文研究為PET瓶坯的加工提供了一種新型、有效的成型方法，為注射壓縮成型技術(shù)在PET瓶坯生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了依據(jù)和指導(dǎo)。

1 PET瓶坯的制作

1.1 材料與設(shè)備

PET的牌號(hào)為FY1002，熔融溫度為257～267 ℃，由廣州泛亞聚酯有限公司生產(chǎn)。

所用注塑機(jī)采用廣州一道注塑機(jī)械有限公司研制的UPET30—120閘板式直壓鎖模注塑機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用模具采用廣州一道注塑機(jī)械有限公司生產(chǎn)的一出二熱流道PICH150 S30機(jī)試驗(yàn)?zāi)！?/p>

表1 UPET30—120閘板式直壓鎖模注塑機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 PET瓶坯制作的工藝

在制作開(kāi)始前，將PET料在170 ℃下干燥6 h以排除物料中的水分。在樣品制備過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)閘板式直壓鎖模注射機(jī)的程序，分別采用注射成型和注射壓縮成型方式生產(chǎn)PET瓶坯樣品，其成型工藝參數(shù)見(jiàn)表2，除了注射壓縮成型方式引入了1組壓縮行程和壓縮速度參數(shù)外，其他的工藝參數(shù)與注射成型完全一致。

表2 注射成型與注射壓縮成型工藝參數(shù)

1.3 PET瓶坯結(jié)構(gòu)

PET瓶坯的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 38口徑28克PET瓶坯結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

2 測(cè)試與表征

2.1 表觀尺寸測(cè)試

采用CPJ-3020Aφ300數(shù)字式測(cè)量投影儀分別精確測(cè)量2種不同成型方式制備的PET瓶坯樣品的表觀尺寸。試驗(yàn)步驟如下：確定物鏡倍率，根據(jù)零件設(shè)計(jì)圖樣制作與物鏡放大倍相同比例的標(biāo)準(zhǔn)放大圖，材料選用伸縮性較小的透明塑膠片；制10∶1的放大圖，用10倍物鏡進(jìn)行測(cè)量，將瓶坯放在標(biāo)準(zhǔn)的V型樣板規(guī)上，然后放置在投影屏上；工件放在工作臺(tái)上，調(diào)好焦距，移動(dòng)X、Y工作臺(tái)使零件影像與放大圖套準(zhǔn)；若工件影像與放大圖的偏差在公差帶之內(nèi)，為合格，否則為不合格，偏差數(shù)值可以用X、Y坐標(biāo)測(cè)量出來(lái)。利用RS232接口與計(jì)算機(jī)相連，用專(zhuān)用測(cè)量軟件M2D還可以實(shí)現(xiàn)雙坐標(biāo)、測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和零件形狀的測(cè)繪功能，連接打印設(shè)備可以輸出測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)繪圖形。工件亦可任意放置無(wú)需精確調(diào)整，使測(cè)量功能與測(cè)量效率進(jìn)一步擴(kuò)大與提高。

2.2 IV降測(cè)試

(1)

式中，RV為相對(duì)黏度；t1為溶解液流通時(shí)間；t2為溶劑流通時(shí)間。

測(cè)出RV后，可由下列公式換算出IV：

(2)

式中，C為溶液的濃度，單位為g/mL。

2.3 AA含量測(cè)試

2.3.1 測(cè)試儀器和條件

采用Agilent HP6890氣相色譜儀檢測(cè)殘留在PET瓶坯樣品中的AA含量。進(jìn)樣口溫度為250 ℃，分析柱為2 m×6 mm，80/100 mesh玻璃柱或其他等效色譜柱，柱溫為140 ℃，檢測(cè)器為氫火焰檢測(cè)器，檢測(cè)溫度為250 ℃。載氣為氮?dú)?99.999%)，流量為40 mL/min，燃?xì)鉃闅錃?，流量?0 mL/min，助燃?xì)鉃榭諝?，流量?00 mL/min。頂空進(jìn)樣器使用Agilent HP 7694。爐溫為150 ℃，進(jìn)樣環(huán)溫度為125 ℃，氣體通路溫度為125 ℃，樣品瓶加熱時(shí)間為60 min(標(biāo)樣為10 min)，加壓時(shí)間為0.13 min，加壓壓力為18 psi，充氣時(shí)間為0.15 min，充氣平衡時(shí)間為0.15 min，進(jìn)樣時(shí)間為0.20 min。采用10 μL微量注射器。乙醛標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度約為1 mg/mL，采用20或22 mL樣品瓶(實(shí)驗(yàn)室只能使用同一型號(hào)的樣品)。采用硅化聚四氟乙烯墊片及鋁質(zhì)樣品瓶蓋，分析天平精確到0.000 1 g，粉碎機(jī)及篩網(wǎng)為20目和40目。

2.3.2 求校正因子

求校正因子步驟如下：1)在頂空進(jìn)樣器上設(shè)定技術(shù)參數(shù)；2)在頂空進(jìn)樣器和氣相色譜儀上分別測(cè)定5個(gè)標(biāo)樣的相應(yīng)峰面積；3)根據(jù)每個(gè)標(biāo)樣的響應(yīng)值及標(biāo)樣質(zhì)量，根據(jù)式3計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)直線。

Y=kX+b

(3)

式中，Y為氣相色譜響應(yīng)值；X為標(biāo)樣質(zhì)量；k和b為系數(shù)。一般氣相色譜所配的分析軟件中均可自動(dòng)計(jì)算，如無(wú)合適的軟件，可采用本方法人工計(jì)算：

2.3.3 樣品制備及測(cè)試

將所要測(cè)定的樣品打碎成6 mm左右的小塊，并將樣品置于液氮中冷凍約10 min，將冷凍后的樣品立即放在粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，然后用篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)篩處理，使用停留在40目篩網(wǎng)上的樣品；用分析天平迅速稱入一定量的樣品，樣品質(zhì)量M精確到0.000 1 g；用封蓋器將墊片及鋁蓋緊密蓋在5個(gè)干凈的樣品瓶上，并用微量注射器分別將2、3、4、5和6 μL乙醛標(biāo)樣通過(guò)墊片注入樣品瓶中后開(kāi)始測(cè)試，其中乙醛標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度約為1 mg/mL。確定的樣品質(zhì)量應(yīng)使其大部分響應(yīng)值落在5個(gè)標(biāo)樣量的范圍內(nèi)，參考質(zhì)量為0.2～0.6 g。結(jié)果分析采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，AA為乙醛含量，單位為μg/g；M為樣品質(zhì)量，單位為g。

2.3.4 應(yīng)力線分布測(cè)試

樣品應(yīng)力線分布采用表面WYL—2型應(yīng)力儀，表面應(yīng)力儀的測(cè)試原理是利用玻璃表面離子交換層的光波導(dǎo)效應(yīng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。從光源發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)過(guò)狹縫，由高折射率柱面棱鏡匯聚后變成平行光，通過(guò)調(diào)節(jié)光源的位置，使一束平行光以臨界角入射至玻璃與棱鏡的交界面，由于玻璃表面存在的應(yīng)力，光線分解成為2個(gè)振動(dòng)面相互垂直的矢量光，這2束光在玻璃的離子交換層中傳播速度是不同的，因此以不同全反射角折射到棱鏡。從棱鏡射出的光經(jīng)反射鏡反射進(jìn)入干涉濾光片，由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)聚焦，再經(jīng)過(guò)分析鏡后在分劃板呈像而形成一個(gè)明暗臺(tái)階圖像。通過(guò)分析軟件可以精確測(cè)量臺(tái)階的高度和臺(tái)階線條的數(shù)量，以計(jì)算表面應(yīng)力強(qiáng)度和應(yīng)力層的深度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同成型方式對(duì)PET瓶坯樣品表觀形貌和結(jié)構(gòu)尺寸的影響

注射成型和注射壓縮成型的PET透明瓶坯樣件的表觀形貌如圖2所示。由圖2可以看到，2種不同成型方式制備的透明樣件均具有良好的表面質(zhì)量，其外表晶亮透徹、無(wú)雜色、無(wú)氣泡，無(wú)生料、無(wú)雜質(zhì)、無(wú)黑點(diǎn)、無(wú)焦斑和污點(diǎn)、無(wú)凹痕變形。

注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的外觀結(jié)構(gòu)尺寸檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。表3反映了瓶坯樣件的結(jié)構(gòu)尺寸是否符合制品要求。從表3可以看出，注射成型和注射壓縮成型瓶坯瓶口的外徑、螺紋、鎖環(huán)、扣環(huán)、支撐環(huán)和質(zhì)量等都在標(biāo)準(zhǔn)值的偏差范圍內(nèi)，然而注射壓縮成型更加接近標(biāo)準(zhǔn)值。注射成型瓶坯為了保證螺紋外徑尺寸，不得不加重瓶坯質(zhì)量，以確保瓶口的密封性能，這樣不僅使產(chǎn)品增重，加大了碳排放，同時(shí)延長(zhǎng)了成型周期，降低了成型效率。

圖2 注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的表觀形貌

表3 注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的外觀結(jié)構(gòu)尺寸

3.2 不同成型方式對(duì)PET瓶坯樣品AA含量和IV降的影響

注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的AA含量和IV降的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。從表4中可以看出，注射成型瓶坯樣品和注射壓縮成型瓶坯樣品的AA含量和IV降都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但注射壓縮成型瓶坯樣品的技術(shù)指標(biāo)更接近PET試驗(yàn)原料，可見(jiàn)注射壓縮成型技術(shù)是一種低壓加工工藝，用于低壓力模型成型生產(chǎn)，PET料的塑化剪切，注射壓力和速率都可以放在一個(gè)較小的空間。

表4 注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的AA含量和IV降

3.3 不同成型方式對(duì)PET瓶坯樣品應(yīng)力線分布的影響

WYL—2型應(yīng)力儀測(cè)試觀察下不同成型方式制備的PET瓶坯的應(yīng)力線分布圖如圖3所示。由圖3a和圖3b可以看出，注射成型PET透明瓶坯件存在較大范圍的殘余應(yīng)力，表現(xiàn)為以澆口為中心，出現(xiàn)大量的色彩環(huán)和深度不均的光斑，代表了一系列不同應(yīng)力的等值線(等應(yīng)力環(huán))，這說(shuō)明注射成型的PET透明瓶坯殘余應(yīng)力大而且分布范圍較寬；從圖3b左圖可以看出，注射壓縮成型PET透明瓶坯彩色區(qū)域面積很小，分布條紋非常均勻一致，而圖3b右圖中的等應(yīng)力環(huán)實(shí)際是熔體以澆口為中心沿圓周取向的結(jié)果，這說(shuō)明注射壓縮成型PET透明瓶坯樣品的殘余應(yīng)力小而且分布范圍均勻、窄小。

圖3 注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的應(yīng)力線分布圖

注射壓縮成型PET瓶坯透明件具有更低殘余應(yīng)力，這與其成型特點(diǎn)密切相關(guān)。對(duì)注射成型和注射壓縮成型制品而言，殘余應(yīng)力是指制品出模后未完全松弛而殘留在制品內(nèi)部的各種應(yīng)力之和，主要包括取向應(yīng)力和熱應(yīng)力。取向應(yīng)力源于注射成型的充填和保壓過(guò)程中，塑料熔體在模腔中進(jìn)行非等溫流動(dòng)形成的剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，使得大分子鏈伸展，沿流動(dòng)方向產(chǎn)生形變，在冷卻過(guò)程中若大分子來(lái)不及松弛就被“凍結(jié)”在制品中，即形成取向應(yīng)力；熱應(yīng)力主要來(lái)源于冷卻過(guò)程，制品在快速冷卻過(guò)程中內(nèi)部溫度分布不均勻，冷卻層由模腔表面向內(nèi)部逐漸推進(jìn)，制品中各點(diǎn)在不同時(shí)間從較高的溫度降到玻璃化溫度以下，所經(jīng)歷的收縮變形不一致，從而產(chǎn)生應(yīng)力[9]。取向應(yīng)力主要與充填和保壓過(guò)程有關(guān)，主要影響參數(shù)包括注射壓力、保壓壓力、熔體溫度和模具溫度等。注射成型的注射填充和保壓都是在模具完全閉合的情況下進(jìn)行的，而注射壓縮成型的熔體注射是在模腔未完全閉合情況下進(jìn)行的(見(jiàn)圖4)，型芯和型腔之間保持一定的間隙，因此流動(dòng)阻力小，所需的注射壓力低，當(dāng)注射量達(dá)到要求時(shí)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)壓縮裝置直接壓縮模腔進(jìn)行合模，熔體收縮是通過(guò)整個(gè)模腔直接壓縮熔體來(lái)補(bǔ)償?shù)?，而不是通過(guò)螺桿傳遞到澆口處的局部壓力實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮保壓，因此需要的壓力低而且均勻，壓縮完畢即產(chǎn)品定型。低注射壓力和低保壓壓力導(dǎo)致注射壓縮成型時(shí)熔體在模腔中受到的剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力小，大分子取向程度低，取向應(yīng)力也就低，因此注射壓縮成型透明件具有低且均勻的殘余應(yīng)力，相應(yīng)的光學(xué)雙折射值小而均勻，有利于提高PET瓶坯透明件的光學(xué)性能。

圖4 注射壓縮成型PET透明瓶坯原理示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究，得出如下結(jié)論。

1)2種不同成型方式制備的PET瓶坯樣件均具有良好的表面質(zhì)量，其外表晶亮透徹、無(wú)雜色、無(wú)氣泡，無(wú)生料、無(wú)雜質(zhì)、無(wú)黑點(diǎn)、無(wú)焦斑和污點(diǎn)、無(wú)凹痕變形。其中，注射壓縮成型方式制備的PET瓶坯樣件的結(jié)構(gòu)尺寸較注射成型更為標(biāo)準(zhǔn)。

2)注射成型瓶坯樣品和注射壓縮成型瓶坯樣品的AA含量和IV降都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但注射壓縮成型瓶坯樣品的技術(shù)指標(biāo)更接近PET試驗(yàn)原料。

3)注射成型PET透明瓶坯樣件存在較大范圍的殘余應(yīng)力，表現(xiàn)為以澆口為中心，出現(xiàn)大量的色彩環(huán)和深度不均的光斑，其殘余應(yīng)力大而且分布范圍較寬。注射壓縮成型PET透明瓶坯彩色區(qū)域面積很小，分布條紋非常均勻一致，其殘余應(yīng)力小而且分布范圍更為均勻、窄小。

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