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1、水辅助注塑成型的玻璃纤维填充聚-丁烯-对苯二甲酸酯 (PBT) 复合材料的实验研究作者：刘世荣、林铭仁、吴益川台湾桃源路333号长庚大学机械工程系聚合物流变学及加工实验室摘要：本报告的目的是通过实验研究聚对苯二甲酸丁二醇复合材料(PBT)水辅注塑 的成型工艺。实验在一个配备了水辅注塑统的 80 吨注塑机上进行，包括一个水 泵，一个压力检测器，一个注水装置。实验材料包括PBT和15%玻璃纤维填充PBT 的混合物以及一个中间有一个肋板的空心盘。实验根据水注入制品的长度的影响 测得了各种工艺参数以及它们的机械性能。XRD也被用来分别材料和结构参数。 最后,作了水辅助和气体辅助注塑件的比较。实验发现熔
2、体压力,熔融温度，及短 射类型是影响水注塑行为的决定性参数。材料在模具一面比在水一面展示了较高 的结晶度。气辅成型制品也要比水辅成型制品结晶度高。另外，制品表面的玻璃 纤维大部分取向与流动方向一致，而随着离制品表面距离的增加，越来越多的垂 直与流动方向。关键词：水辅注塑成型，玻璃纤维增强PBT,工艺参数，机械性能，结晶，V,、41前言依靠重量轻，成型周期短，消耗低，水辅注塑成型技术在塑料制品制造方 面已经取得了突破。在水辅注塑成型中，模具型腔被部分注入聚合物熔体，而 后向这些聚合物中心注入水。水辅注塑成型的原理如图 1水辅注塑成型能够在更短的循环时间内生产出收缩小，翘曲小，表面质量好 的各种薄
3、厚的制品。水辅注塑成型工艺也可根据工具及设备的承受压力在设计， 节省材料，减轻重量，减少成本方面取得更大的自由。典型的应用有棒，管材， 水路管网建设用的大型复合结构管。另一方面，尽管有很多优势，由于加入了额 外的工艺参数，模具和工艺控制变的更加严峻和困难。水也可能腐蚀模具钢，同 时一些材料包括热塑性塑料难以成型。成型后水的清除也是对这个新技术的一个 挑战。表1 列出了水辅注塑成型技术的优势和局限性。优势局限性1,成型周期短1,水腐蚀模具2,成本低（水更便宜而且可方便地循2,需要较大的注塑元件。（容易陷入环利用）聚合物熔体）3,制品内部不产生泡沫现象。3, 些材料难以成型（尤其是非晶态热塑性材料
4、）4成型后需要清除水表1水辅注塑成型有优势超过它更有名的竞争对手，气辅注塑成型，因为依靠水 在成型过程中更好的冷却能力，水辅注塑成型获得了更短的成型周期。它的不可 压缩性，低成本以及易循环利用，水成为这一过程的理想媒介。既然水不会溶解 和扩散到聚合物熔体中，那么经常在气辅成型工艺出现的气泡现象也便消除了。 另外，水辅注塑成型能更好的用小剩余壁厚成型大型制件。表 2 是对水辅和气辅 成型工艺的一个比较。表2 水辅和气辅成型工艺比较。水辅气辅1成型周期短长2介质成本低高3气泡现象无有5残余壁厚小大6表面粗糙度小高7表面光泽高低8指形效应大小9非均匀穿透稳定不稳定10制品透明度高低随着对密度小，强度
5、高，价格便宜，成型周期短的优良性能材料需求的增加， 塑料工程是一个不可忽视的工艺。这些塑料包括热塑性和热固性塑料。一般来说， 热塑性塑料以其更高的冲击强度，断裂阻力，疲劳强度而更有优势。这使得热塑 性塑料在工程建设中广泛使用。PBT 是广泛使用的热塑性工程塑料之一，它有 1，4丁烯乙 2 醇和 DMT 聚合而成。玻纤增强混合材料适用于提高原材料的机械性能。今天，短玻璃纤维 增强PBT已被广泛应用与电子，通信，汽车领域。所以，对玻璃纤维增强PBT 的研究更加重要了。本文是通过实验研究聚对苯二甲酸丁二醇水辅注塑的成型工艺，实验 在一个配备了水辅注塑统的 80吨注塑机上进行，包括一个水泵一个压力检测
6、器， 一个注水装置。实验材料包括PBT和15%玻璃纤维填充PBT的混合物以及一个 中间有一个肋板的空心盘。实验根据水注入制品的长度的影响测得了各种工艺参 数以及它们的机械性能。 XRD 也被用来分别材料和结构参数。最后,作了水辅助 和气体辅助注塑件的比较。2实验步骤2.1 材料实验材料包括PBT （牌号1111FB，南亚塑料，台湾）和15%玻璃纤维填充 PBT的混合物（牌号1210G3，南亚塑料，台湾）。表3列出了此混合材料的特 征。表3纤维增强PBT复合材料特征性质ASTMPBT15%G.F.PBT屈服应力（kg/cm2）D-6386001000弯曲应力（kg/cm2）D-570900150
7、0硬度D-785119120热变形温度（C）D-64860200MFID-12384025冲击强度D-25655熔点（C）DSC2242242.2 水辅注塑元件一个实验室注水元件，包括一个水泵，一个压力检测器，一个注水阀，一个配 备了温度调节装置的水箱，以及一个控制电路。这个孔板型注水阀每边有两个孔， 用来成型制件。实验过程中，注水阀的控制电路收到由注塑机产生的信号实现对 时间和注水压力的控制。在注入模具型腔之前，水在有温控装置的水箱里加热 30 分钟。2.3 注塑机和模具水辅注塑成型实验在一个最高注塑速率109cm3/s的80吨注塑机上进行。研究 使用了一个中间有一个肋板的空心盘。图2显示了
8、这个型腔的尺寸。模具温度由 一个水循环模温控制元件调节。实验根据水注入制品的长度的影响测得了各种工 艺参数，包括熔体温度，模具温度，熔体充模压力，水温和水压，注水延迟时间 和保持时间，以及熔体短射类型。表 4 列出这些工艺参数及在实验中的数值。ABCDEF熔体压力熔体温度短射类型水压水温模具温度140280768808012627577975751142707810707098265801165658426081126060表 42.4 气辅注塑元件为了对水辅和气辅注塑成型制件进行比较，气辅注塑成型实验使用了一个商用 气辅注塑成型元件，其具体配置可参考RCFS。气辅注塑成型工艺控制和水辅注 塑
9、成型一样，除了气体温度设置为 25外。Water图 2 模具型腔的尺寸和外形2.5 XRD为了分析水辅注塑成型制品的晶体结构，实验使用了具有二维探测分析传输模 式的广角 X 射线衍射仪。更特别的是实验对水辅注塑成型制品模具一边和水一 边的样品在7 到 40的范围内进行测量。分析所用的样品来自制品中心。为了获 得 XRD 样品要求的厚度，多余的部分在一个旋转轮上打磨掉。首先用湿的碳硅 纱布，而后用粒度 300 的，再用粒度 600 和 1200的，以获得更好的表面质量。2.6 机械性能拉伸强度和弯曲强度测试在一个拉力测试机上进行。实验对水辅注塑成型制件 样本进行拉力测试以评估水温对拉伸性能的影响
10、。样本的尺寸为 30mm*10mm*1mm.水辅注塑成型制件的弯曲实验也在室温下进行。弯曲样本的尺寸为 20mm*10mm*1mm2.7 显微镜观察用电子扫描显微镜（型号 5410）观察制品中纤维的分子取向。样品为取自注塑 成型制件厚度方向上（图 3）。在垂直于流动方向了对截面进行观察。观察前， 所有样品表面镀金。SEM ftbjiferkaLiondirectionSiiinpl-e cue lor urisili2 mJ bicndin lsts图 3 拉伸和弯曲测试切取样品的位置图示3结果和讨论所有实验在一个最高注塑速率 109cm3/s 的 80 吨注塑机上进行。所有研究中 使用了一个
11、中间有一个肋板水道的空心盘。3.1 制品的指形效应所有制品都在水道的过度区域出现了指形效应。并且，玻璃纤维增强的复合 材料指形效应比不增强的更严重，如图 4 所示。指形效应一般在一种密度小，粘 性低的液体穿过另一种密度大，粘性高的不相溶液体时产生。考虑一个密度和黏 度变化都很快的两相界面或区域。流体移动的压力 P2-P1 导致有效的置换量用下 式描述題=化-Pl,=陥-旳）U阿血这里U是特性速率，K是穿透性。当压力为正时，任何很小的置换量都会被放 大，导致不稳定并出现指形效应。当一种液体被比它密度低，黏度小的液体置换 时，我们知道u二ul-u20,而且U0。这时，当一个黏度较高的液体被一种 黏
12、度较低的液体置换时，这种液体流动性较高，会出现不稳定和指形效应。这次 研究的结果显示玻璃纤维增强的复合材料更倾向于指形效应。这也许是因为玻璃 纤维增强的复合材料和水的黏度差比较大。因此水辅注塑成型复合材料显示了更 严重的指形效应。3.2 水穿透对工艺参数的影响3.2 工艺参数对水穿透的影响实验根据水穿透行为的影响测得了各种工艺参数。表 4列出这些工艺参数以 及实验中使用的数值。为了成型制件，引用了一个重要工艺条件。通过在每一个 实验中改变一个参数，我们可以更好的理解在复合材料水辅注塑成型中每个参数 对水穿透行为的影响。成型后，实验测量了水注塑的长度。图 5-10 显示了工艺 参数对水注塑长度的
13、影响，包括熔体充模压力，熔体温度，模具温度，短射类型， 水温以及水压。实验结果显示，水在纯净PBT中比在玻璃纤维增强PBT复合材料中穿透更 深。这是由于玻璃纤维增强复合材料冷却过程中体积收缩更小，因此，制品被水 穿过的长度要短些。熔体充模压力图 5，熔体充模压力对水穿过长度的影响1 1 1 1 1PBT PET-i-15% G.F.-i :I1Kj ；.,006707B&)模具温度图 7 模具温度对水穿过长度的影响* IIIiiiiii P ET PRT+I EX 石 FW -IQ I IiIi IiIi7E77797860g 1短射类型图 8 短射类型对水穿过长度的影响图 9 水温对水穿过长
14、度的影响1011If水压图 10 水压对水穿过长度的影响由图 5 可以看出，水穿过长度随着熔体充模压力的增大而减小。这可以解释 为由于熔体充模压力增大，模具型腔对流动的阻力增加，因此水更难以进入材料 的内部。水穿过长度因而变短。图6 可以看出成型 PBT 复合材料制品时，随着熔体温度是增加水穿过长度也会变 短。这也许是因为随着温度增加聚合物熔体的黏度降低。较低的熔体黏度有利于 水包裹住水道，减少空闲区域，而不是更深的穿透。水道开头孔的变小导致了水 穿过长度的变短。如图 7，增加模具温度稍微降低了水在成型制品中的穿过长度。这也许是因为 增加模具温度降低了冷却速率以及材料的黏度。于是水就包裹了水道，减少了水 道口附近的空闲空间，而不是更深的穿透制品。如图 8，增加短射率降低了水穿过长度。在水辅注塑成型中，模具型腔被部分 注入聚合物熔体，而后向这些聚合物中心注入水。聚合物熔体短射率的增加降低 了水在成型制品中的穿过长度。作为实验中的工艺参数，增加水温或者水压都增加了水在成型制品中的穿过长 度。增加水温降低了冷却速率，是聚合物熔体更长时间内保温，它的黏度也因此 降低。这有利于水更深的进入进品中心。增加水压也有利于水穿过物体，因此而 获得更深的穿透长度最后，制品的偏差，各种工艺参数测量的主观性,最大的制品偏差是翘曲。表11 的结果显示制品翘曲随着水在成型制品中的穿过长度的
