注射成型工艺条件对聚丙烯制品光泽度的影响

2011-11-04刘西文杨中文

中国塑料 2011年1期

刘西文,杨中文

刘西文,杨中文

(湖南科技职业学院轻化工程学院,湖南长沙410118)

通过一次因子法确定了 Taguchi法的试验因子,采用 Taguchi法对试验因子进行权重分析与优化,并进一步研究了注射成型工艺条件对聚丙烯制品光泽度的影响。结果表明,在注射成型过程中,提高熔体温度、模具温度、保压压力及注射速率都有助于提高制品的光泽度,同时也会提高制品的拉伸强度和弯曲强度,但会降低缺口冲击强度。影响聚丙烯制品光泽度的最显著因素是熔体温度。影响因子的权重大小顺序为：熔体温度、模具温度、保压压力、注射速率。

聚丙烯;光泽度;Taguchi法;注射成型;制品;熔体温度;模具温度

Abstract:In order to explore the effect of injection molding parameters on the glossiness of polypropylene parts,Taguchi method was employed to determine the experiment factors and their weighs.It was found that the increase of melt temperature,mold temperature,dwell pressure,and injection rate could increase the glossiness of the parts;meanwhile the tensile and bending strengths would also increase at the cost of notch impact strength.The descending order in weigh of the influence factors was melt temperature,mold temperature,packing pressure,and injection rate.

Key words:polypropylene;glossiness;Taguchi method;injection molding;part;melt temperature;mold temperature

0 前言

聚丙烯(PP)由于性价比高且加工性能好,已被广泛应用于家用电器、汽车、通讯和医疗等领域。随着PP应用领域的不断增大,对其产品的结构、品质、功能的要求也不断提高,在保证产品的结构、强度和精度的要求下,还要注重制品的外观,特别是表面光泽度,在家用电器、通讯、汽车领域的应用中已引起了人们的高度重视[1]。高光泽制品的生产必须具备3个条件,即高光泽材料、高光模具和合适的工艺控制条件[2]。目前,国内外对于高光泽 PP材料的研究进行了大量的工作,涌现出了多种类型的高光泽PP专用料。在高光模的制造方面目前技术水平也比较高。但由于成型过程的工艺控制因素比较复杂,因此它始终制约着高光泽制品的生产。本文采用 Taguchi法来研究注射成型过程中工艺控制因素对制品光泽度的影响权重,以期得出生产高光泽PP制品的最佳工艺控制方案。

1 实验部分

1.1主要原料

PP,PL101W,熔体流动速率为5～8 g/10 min,杭州力威工程塑料有限公司。

1.2主要设备及仪器

注塑机,SZ-120,台湾震雄机械股份有限公司;

表面光泽仪,KGZ2IA,上海精密科学仪器有限公司;

密度梯度仪,6550/000,意大利 CEAST公司;

试样模,表面粗糙度为1.6～3.2μm;

电子万能试验机,Hounsfield,美国 HE公司。

1.3性能测试与结构表征

光泽度按 GB 8807—1988进行测试,测试角度为60°;

拉伸强度按ASTM D638进行测试,拉伸速度为500 mm/min;

弯曲强度按ASTM D790进行测试,弯曲速度为1.3 cm/min,跨距为50 mm;

冲击强度按ASTM D256进行测试,试样尺寸为6.35 mm×12.7 mm×4.0 mm,45°的V形缺口;

结晶度采用密度法测定[3],将试样放入异丙醇中浸泡片刻后,放入密度梯度柱中在温度23℃下进行测试,然后根据式(1)计算结晶度(Xcg)：

式中d——试样的密度,g/cm3

dc——完全晶态下的密度,0.936 g/cm3

da——完全非晶态下的密度,0.85 g/cm3

2 结果与讨论

2.1 试验因子的选取

在注射成型过程中影响制品光泽度的因素有很多,为了减少试验次数,先采用一次因子法进行试验,以初步确定在注射成型过程中各成型因素对制品光泽度的影响权重,再选择影响权重较大的作为 Taguchi法试验因子[4]。

根据生产经验,熔体温度、下料口物料温度、模具温度、保压压力、注射压力及注射速率的提高都有利于制品光泽度的提高,但过高的熔体温度和模具温度会延长制品的成型周期,降低生产效益;而过高的注射压力和保压压力会使制品脱模困难,制品内应力增大,容易出现变形甚至开裂等现象;过高的注射速率容易造成模腔困气,制品的表面光泽度反而下降甚至还会出现烧焦变色等现象。为此,一次因子法试验选取了熔体温度、下料口物料温度、模具温度、保压压力、注射压力及注射速率等6个成型因素作为试验因子,分别用A、B、C、D、E和F表示,并根据经验确定了各因子的试验水平,如表1所示。本试验采用各因子第1水平试验制品的光泽度为基准,然后把各因子变动后所得制品的光泽度与其作比较,相对差值较大者,说明对光泽度的影响效应较大,即确定为 Taguchi法试验因子。一次因子法试验设计方案及试验结果如表2所示。

从表2可以看出,模具温度、熔体温度、保压压力提高,制品光泽度都有明显提高,而注射速率提高至50%时,光泽度反而下降。从光泽度差值可以看出,因子C、A、D、F,即模具温度、熔体温度、保压压力、注射速率水平试验的差值较大,说明其对制品光泽度影响较大,故选取作为 Taguchi法的试验因子。

表1 试验因子与水平的选取Tab.1 The factors and levels

表2 一次因子法试验设计Tab.2 The design of one-factor-at-a-time experiments

2.2 成型因素权重分析与优化

采用 Taguchi法先进行试验水平与正交表的设计,然后根据正交表进行试验,并对试验结果进行优选分析。为了能使制品的光泽度最大化,可采用望大信噪比(S/N)衡量和确定各因子在不同水平情况下的制品品质,从而确定优选方案[5]。望大信噪比可根据式(2)进行计算：

式中S/N——信噪比

yi——品质特性

n——试验数目

根据上述一次因子法试验结果,本试验采用4因子3水平试验(L934),试验的水平选取及L934正交设计表分别如表3和表4所示。

表3 Taguchi法试验的水平选取Tab.3 The levels for Taguchi method

根据试验结果可计算出各控制因子在不同水平的情况下对光泽度影响的信噪比,如表5所示。

从表4可以看出,PP制品光泽度最佳控制方案为试验方案6,即熔体温度205℃、模具温度65℃、保压压力5 MPa、注射速率50%。根据 Taguchi法望大信噪比原则,从表5可以看出,对制品光泽度的影响效应大小顺序是熔体温度＞模具温度＞保压压力＞注射速率。Taguchi法与一次因子试验法相比较,对于制品光泽度的影响效应大小顺序稍有出入,这主要是由于一次因子试验水平少,试验结果的精确性有限,因此只能作为因子选取的初步确定。而 Taguchi法正交试验则更能准确反应出各因子的影响权重。

表4 Taguchi法L934正交设计表Tab.4 The orthogonal design arrays for Taguchi method

表5 各控制因子的光泽度信噪比Tab.5S/Nof glossiness for control factors

2.3权重因子对PP光泽度的影响与分析

从上述试验可以得出,成型过程中熔体温度和模具温度是影响PP制品光泽度权重最大的2个因素,熔体温度和模具温度升高,制品的光泽度随之提高。这主要是由于熔体温度和模具温度直接影响物料在型腔内的流动、制品的结晶度、熔接痕等[6-7]。当熔体温度和模具温度较高时,熔体在型腔内的流动性增加,表层和中心层的温差变小,塑料与模面之间的摩擦阻力减少,流动引起的分子取向在填充后的短时间内得到松驰,也使保压补缩更加充分,从而可以有效减少产品熔接痕、浮纤等缺陷[2];同时由于高光PP中含有成核剂,在较高的熔体温度和模具温度下会使PP的结晶速率和结晶度增大,而形成的球晶尺寸减小,晶体密度增大,从而使制品密度增加,减少了对入射光的散射和折射,从而提高了制品的表面光泽度[8-9]。表6给出了试验样品的结晶度与光泽度。

表6 制品的结晶度与光泽度Tab.6 Degree of crystallinity and glossiness of the parts

从表4还可以得出,提高熔体温度、下料口物料温度、模具温度、保压压力、注射压力及注射速率都有利于提高制品光泽度。但成型时,熔体温度和模具温度的提高要与保压压力和注射速率等因素相配合,否则还是难以得到较高光泽度的制品,表4中试验方案6当熔体温度为205℃、模具温度为65℃、保压压力5 MPa、注射速率为 50%时,制品的光泽度达到93.5%。而方案9中,当熔体温度为220℃、模具温度为65 ℃、保压压力为4 MPa、注射速率为50%时,制品光泽度只有88.1%,而且在生产时由于高的熔体温度和模具温度会使制品冷却时间延长,从而延长了生产周期,降低生产效益。

从表4还可以看出,试验方案7中当熔体温度为220℃、模具温度为65℃、保压压力为5 MPa、注射速率为60%时,制品光泽度只有71.7%。这主要是由于熔体黏度低,注射速率大,使充模过快,而造成模腔中的气体来不及排尽,出现了闷气现象[10],使制品表面产生微气孔,而出现闷光,光泽度欠佳。

2.4高光泽PP制品的力学性能

从表7可以看出,成型制品的光泽度提高,其拉伸强度、弯曲强度也随着提高,而缺口冲击强度则下降。这主要是由于结晶度提高、熔接痕减少等所导致。