PBT玻璃纤维增强复合材料水辅注塑成型的实验研究
PBT玻璃纤维增强复合材料水辅注塑成型的实验研究
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，
1．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，模具行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
图1 水辅注塑成型的原理如图
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。
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。
随着对密度小，强度高，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
2.2 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。在注入模具行腔之前，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显示了这个行腔的尺寸。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。
表 4
2.4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成型一样，除了气体温度设置为25外。
图2 模具行腔的尺寸和外形
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。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*1mm
2.7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。
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
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=ｕ1-ｕ2》0，而且U》O。这时，当一个黏度较高的液体被一种黏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
图4 PBT复合材料水辅注塑成型照片
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
熔体温度
图6 熔体温度对水穿过长度的影响
模具温度
图7模具温度对水穿过长度的影响
短射类型
图8短射类型对水穿过长度的影响
水温
图9水温对水穿过长度的影响
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，模具行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，模具行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降低而减少。这是因为水穿过制品的长度越长，包裹聚合物材料的水就越多。制品的翘曲和收缩也因而降低。
水穿过制品的长度
3.3成型制品的结晶
PBT是一个结晶速率很高的半结晶热塑性聚脂。在水辅注塑成型过程中，结晶在非等温条件下发生，冷却速率随着冷却时间而变化。这里研究了各种工艺参数包括充熔体温度，模具温度，以及水温对成型制品结晶的影响。测量使用了2维广角X射线衍射仪。表12的结果显示所有材料在模具层的结晶比在水层的结晶度要高。这个结果标志着在冷却过程中水有着更好的冷却能力。这与我们早先通过测量模内温度分布得到的结果一致。另外，表12C的实验结果显示成型材料的结晶随着水温的增加而增加。这是因为增加水温降低了冷却过程中的材料冷却速率。成型制品因而有更高的结晶度。
熔体温度，模具温度，以及水温对水辅成型制品结晶的影响
另一方面，为了对水辅和气辅注塑成型制品的结晶作一个比较，我们在同一台注塑机上做了实验，不同的是注塑机装备了一个高压氮气注塑装置。图13的结果显示气辅注塑成型制品比水辅注塑成型制品有着更高的结晶度。这是因为水比空气的冷却能力高，冷却快。因而水辅注塑成型制品比气辅注塑成型制品的结晶度要低些。
图13，水辅和气辅成型制品的结晶度
3.4机械性能
对水辅注塑成型制品样本进行拉伸测试以观察水温对拉伸性能的影响，表14的测量结果显示其随水温增高而降低。正如我们看到的，PBT材料的屈服应力和拉伸应力都随着温度增高而降低。另一方面，PBT水辅注塑成型制品弯曲强度测试也在室温下进行。图15的测试结果显示，制品的弯曲强度也随温度升高而降低。
图15 水温对PBT制品弯曲强度的影响
图14水温对PBT制品拉伸性能的影响
一般来说，增高水温降低了冷却速率，使制品的结晶度增高。正如我们所知，对于半结晶热塑性塑料，较高的结晶度意味着较低的自由体积因而增加了制品的刚度。但是，实验结果显示，结晶度对PBT力学性能的影响是微不足道的，有更重要的增加了PBT材料的拉伸和弯曲应力。成型材料的机械性能取决于成型过程中结晶的数量和晶体类型。PBT的延展性随着结晶降低的事实说明PBT在冷却速率较低的成型过程中结晶度和刚性增加，因为缺乏延展性，成型制品在拉伸测试中的数值较高，而刚度没有预期的高。无论如何，需要更详细 的实验研究水辅注塑成型制品的形态参数以及相关的机械性能。
3.5成型制品中纤维取向
从制品的中间切取小的样品用来观察纤维的取向。观察的位置如图3所示。观察前，所有样品的表面被磨光并镀金。图16显示了水辅注塑成型制品的微型结构。
图16 PBT复合材料水辅注塑成型制品的纤维取向
测量结果显示水辅注塑成型制品中的纤维取向与常规注塑制品有明显区别。
在常规注塑制品中一般观察两个区域：薄壁处与中心。在薄壁区域，所有纤维取向与流动方向平行，而在中心，纤维在流动平面内取向随意。与常规注塑成型相比，水辅注塑成型技术的充模方式不同。对于常规注塑机，一个循环周期被定义为充模，保压，冷却3个阶段。而在水辅注塑成型过程中，模具行腔被部分注入聚合物熔体，而后向这些聚合物中心注入水。这个新颖的充模方式明显影响了纤维的取向。
由图16可以看出，水辅注塑成型制品的纤维取向大致可分为3个区域，在模具一边的表面，这里充模时剪切很严重，纤维很规则的平行。在水一侧的表面，剪切作用不明显，速率快，在这种情况下，纤维更倾向与垂直与注射方向。在制品中心，纤维取向很随意。 总的来说，模具一边的制品表面的玻璃纤维取向大部分与流动方向一致，而随着离这一表面距离的增加，纤维取向逐渐的垂直与流动方向。最后，应该注意的是，我们实验室应该在今后的研究中对水辅注塑成型和常规注塑成型的纤维取向和形态做一个定量的比较。
4结论
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水辅注塑的成型工艺。基于当前实验可得出以下结论
水辅注塑成型制品在水道的过度区域出现了指形效应。并且，玻璃纤维增强复合材料的指形效应比不增强的更严重
研究的实验结果显示PBT复合材料的水穿透长度随着水温和水压的增加而增加。随着熔体充模压力，熔体温度，模具温度，短射量的增加而降低。，
制品的翘曲随着水穿透的程度而降低了。
注塑制品的结晶度随着水温的升高而提高。水辅成型制品的结晶度比气辅的要低。
模具一边的制品表面的玻璃纤维取向大部分与流动方向一致，而随着离这一表面距离的增加，纤维取向逐渐的垂直与流动方向
感谢
感谢台湾科学委员会对研究工作的资金支持！
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