（材料加工工程专业论文）注塑工艺参数和玻纤含量对玻纤增强聚丙烯制品质量影响的研究.pdf

摘要 摘要 注塑成型制品质量控制方面存在的困难不仅来源于工艺动力学的复杂性和 在温度、压力波动下材料行为的不可预测性，还来源于对制品质量与影响因素之 间的关系缺乏准确的判断。研究工艺参数对制品质量的影响关系，确定工艺变量 对制品质量指标的影响程度，是选取控制变量、抽取工艺特性数据及制品质量特 性数据、建立工艺参数与制品质量之间的关系模型的前提。 本文重点研究玻纤增强聚丙烯制品的注塑工艺参数及玻纤含量对制品的收 缩、拉伸强度等质量指标的影响关系。基于正交实验方法研究熔体温度、模具温 度、注射时问、保压压力、保压时间及纤维含量对制品质量的影响，筛选重要影 响工艺参数。通过单因素实验设计，研究各个工艺参数的单因素变化和玻纤含量 对制品质量影响的详细信息。主要工作内容包括以下几个方面： 1 基于注塑成型模拟软件m p l ( m o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h t ) ，利用正交实验 方法，分析研究了玻纤含量和注塑工艺参数对制品收缩和翘曲变形的影响，获 得不同材料各参数对收缩和翘曲变形的影响规律，为实际注塑实验提供参考。 2 基于注塑正交实验，采用四种材料( 纯p p 1 0 玻纤增强p p 2 0 玻纤 增强p p 3 0 玻纤增强p p ) 研究了注塑工艺参数对制品收缩的影响，获得了各 个因素对玻纤增强制品收缩的影响规律及各因素的影响度。同时获得近似最佳 工艺组合，作为后续单因素实验的基准工艺设置。 3 基于三个模具温度水平( 3 0 、5 0 。c 、7 0 ) ，对熔体温度、注射时间、 保压时问、保压压力和玻纤含量等因素进行单因素实验。通过实际的注塑和测 量、拉伸、观察纤维取向微观状态等方法，研究注塑： 艺参数和玻纤含量对玻 纤增强聚丙烯制品的收缩、拉伸等性能的影响规律。 4 利用金相显微镜观察纤维在注塑制品内的取向和分布，对比分析各种工 艺参数组合下制品的纤维取向，研究注塑工艺参数对纤维取向分布的影响规律 和影响程度，并分析工艺参数纤维取向拉伸强度之间的影响规律和关 联性。 关键词：注塑成型，纤维增强，工艺参数收缩，拉伸强度，纤维取向 郑州人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i f f i c u l t yo fi n j e c t i o nm o l d i n gq u a l i t yc o n t r o ld e p e n d sn o to n l yo nt h e c o m p l e xp r o c e s sd y n a m i c sa n dt h eu n p r e d i c t a b i l i t yo fm a t e r i a lb e h a v i o rr e l a t e dt o t h ev a r i a t i o no f t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，b u ta l s oo nt h el a c k i n go f t h ee s t i m a t i o no f t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r tq u a l i t ya n dp r o c e s sp a r a m e t e r s s o ，i t st h ep r e m i s eo f p a r tq u a l i t yc o n t r o lt os t u d ya n dm o d e lt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n j e c t i o n m o l d e d p a r tq u a l i t ya n dp r o c e s sp a r a m e t e r s t h i sp a p e rp a y sa t t e n t i o nt oi n v e s t i g a t i o no f i n f l u e n c eo f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r a n dg l a s sf i b e rc o n t e n to ng l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n ep a r tq u a l i t ys u c ha s s h r i n k a g e ，t e n s i l es t r e n g t h t h ei n f l u e n c eo fm e l tt e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r e ， i n j e c t i o nt i m e ，h o l d i n gp r e s s u r e ，h o l d i n gp r e s s u r et h n ea n df i b e rc o n t e n to nt h ep a r t q u a l i t yw a si n v e s t i g a t e db a s e do no r t h o g o n a le x p e r i m e n t sa n dt h es i g n i f i c a n tf a c t o r s w e r e s e l e c t e d s i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e dt o g e t t h ed e t a i l i n f o r m a t i o no ft h ev a r i a t i o no fs i n g l ef a c t o ra n df i b e rc o n t e n to nt h ep a r tq u a l i t y i n d e x e s t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nm p i ( m o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h t ) a n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h e i n f l u e n c eo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n dg l a s sf i b e rc o n t e n to n s h r i n k a g ea n dw a r p a g e o fg l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp pp a r tw a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h ei n f l u e n c er e l a t i o n s h i pw a s o b t a i n e d 2 o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sb a s e do nt a g u c h id o ea r ec o n d u c t e du s i n g4k i n d s o fm a t e r i a l0t oi n v e s t i g a t er e l a t i o n s h i p so fs h r i n k a g ew i t hp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s a n df i b e rc o n t e n tb a s e do n i n j e c t i o nm o l d i n ge x p e r i m e n t s ，a n dt h ei n f l u e n c e r e l a t i o n s h i pa n ds i g n i f i c a n c eo ft h ef a c t o r sa r ed e t e r m i n e da n dt h eo p t i m a lf a c t o r 1 e v e lc o m b i n a t i o n sa r eo b t a i n e d 3 b a s e do n3l e v e l so fm o l dt e m p e r a t u r e ，s i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t sf o rr e e k t e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o nt i m e ，p a c k i n gt i m ea n dp a c k i n gp r e s s u r e w a sc o n d u c t e d t h e i n f l u e n c er u l e so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e ra n dg l a s sf i b e rc o n t e n to ns h r i n k a g e ，t e n s i l e l i 摘要 s t r e n g t hw e r ea c h i e v e db yi n j e c t i o nm o l d i n g ，m e a s u r e ，t e n s i l et e s t 4 o r i e n t a t i o na n dd i s t r i b u t i o no fg l a s sf i b e ri nt h ep a r tw a so b s e r v e du s i n gt h e m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，a n dt h ei n f l u e n c eo fp r o c e s s i n g p a r a m e t e r so ng l a s sf i b e r o r i e n t a t i o nw a ss t u d i e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i po f t e n s i l es t r e n g t hr e l a t e dt of i b e ro r i e n t a t i o na n d p r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a sa n a l y z e d k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ，f i b e rr e i n f o r c e d ，p r o c e s sp a r a m e t e r ，s h r i n k a g e t e n s i l es t r e n g t h ，f i b e ro r i e n t a t i o n i l i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术水平的不断提高以及加工方法的改进，塑料这一2 0 世纪才 发展起来的新材料已经在我们的日常生活中占据了重要的地位，成为国民经济 中不可缺少的一部分。塑料成型技术是指把粉、粒料或液状树脂及添加剂等原 料加工成具有一定使用价值的制品的一种技术f 1 】。塑料制品性能的优劣及规格 多少与成型技术密不可分。注射成型又称注射模塑或注塑，是塑料加工中重要 的成型方法之一，其技术己发展的相当成熟，且应用非常普遍，注塑制品已占 领塑料制品总量的3 0 以上，在国民经济的许多领域有着广泛的应用。 聚丙烯( p p ) 是一种成本低、性能优异、用途广泛的高分子聚合物材料【2 】。 由于g f 增强的聚丙烯在性价比上明显高于其他常用的工程塑料，为了满足产 品的特殊使用性能，2 0 世纪4 0 年代，伴随着纤维增强塑料复合材料( f r p ) 的 出现，o f 增强p p 复合材料被大量应用于工程领域f 3 】o 由于玻璃纤维的引入， 必将对原有基体材料的各项性能产生很大影响。随着玻纤含量的变化以及成型 工艺条件的不同，导致制品的表观质量和内部质量也会有一定的差异。因此， 玻纤增强p p 复合材料的研究也是目前增强树脂基复合材料极为活跃的一个方 面【4 】【5 】。 1 2 注塑成型设备及工艺简介 1 2 1 注塑机 注射机的类型很多，无论哪种注射机，其基本作用均为：1 加热塑料，使其达 到融化状态；2 对熔融塑料施加高压，使其射出而充满模具型腔。为了更好地完成 上述两个基本作用，注射机的结构已经历了不断改进和发展。 1 9 5 6 年在美国诞生了世界上第一台移动螺杆式注射机( 图1 1 ) ，这是注射成 型工艺技术方面的突破，它标志着塑料成型加工技术创新时期的开始。它是由一根 螺杆和一个料筒组成的。加入的塑料依靠螺杆在料筒内的转动而加热塑化，并不断 被推向料筒前端靠近喷嘴处，因此螺杆在转动的同时就缓慢的向后退移，推到预定 位置时，螺杆即停止转动。此时，螺杆接受液压油缸柱塞传递的高压而进行轴向位 1 郑州大学硕士学位论文 移，将积存在料筒端部的熔化塑料推过喷嘴而以高速注射入模具。移动螺杆式注射 机的效果几乎与预塑注射机相当，但结构简化，制造方便，与柱塞式注射机相比， 可使塑料在料筒内得到良好的混合和塑化，不仅提高了模塑质量，还扩大了注射成 型塑料的范围和注射量。因此，这种移动螺杆式机型问世以来，由于其塑化质量和 生产能力较之其它机型有很大提高，从而使更多的塑料制件采用注射成型。如今常 用的注塑设备就是移动螺杆式注塑机，图l - 2 为其简化示意图。 图1 - 1 移动螺杆式注塑机结构示意图 f i g 1 - l t h es c h e m a t i cp l o to f m o v i n gs c r e w 埘e z t i o nm o l d i n gm a c h i n e s t a t i o n a r ym o v a b l e h 。曼：z z l e 一v _ r m 尖o l d s i p l 8 t e n p stenopper h e a t 。广 9 尖8 一 ro t a t i f i ga n d ba ； r e l re c ip r o c s t i n g s c r 洲 图1 - 2 简化的注塑成型设备示意图 f i g 1 2s i m p l i f i e d e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e 1 2 2 模具 模具( 如图1 3 ) 是生产各种工业产品的重要工艺装备。随着塑料工业的迅速发 展，以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应 用，模具在加工行业的应用日趋广泛旧。 2 l 世纪，塑料工业以前所未有的速度高速发展。塑料，在各个领域、各个行 业乃至国民经济中已拥有举足轻重的不可替代的地位。由于用模具加工成形零部 2 第一章绪论 件，具有生产高效、质量好、节约原材料和能源、成本低等一系列优点，模塑成 型已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。总之，模具具有结构复杂、 型面复杂、精度要求高、使用的材料硬度高、制造周期短等特点。图1 3 为普通 两板和三板塑模结构图。 a ) 两板模b ) 三板模 图1 - 3 普通塑模结构示意图 f 皓1 - 3t h es t r u c t u r eo f 埘e c t i o nm o l d 1 2 3 注塑成型工艺过程 注塑成型【7 】加工过程是一个循环的周期过程，一般包括三个阶段，即注射 阶段、保压及压实阶段、固化及冷却阶段。注塑成型过程如图1 4 所示。 脬蟮榉 ( a ) 模具闭合 ( b ) 充填模腔( c ) 保压 洋。圉料峰 ( d ) 冷却，固化( e ) 顶出塑件( f ) 开始下一个循环 图l - 4 注塑成型过程示意图 f i g 1 - 4t h ei n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s 注塑成型加工过程从聚合物颗粒通过料斗进入螺杆开始。螺杆转动，给物 料一个向前的推力，物料前移，同时，自身受到对应的反作用力，螺杆后退，直 到移动到行程限制开关为止。首先聚合物材料在螺杆剪切热( 主要因素) 与料筒 外部热源的作用下很快塑化并熔融，转变成熔体并存贮在料筒前端的区域( 即计 3 郑州大学硕士学位论文 量室) 。与此同时，机器的液压缸通过螺杆给熔融的胶料提供一个压实的力( 即 背压) 。这一整个过程称为塑化过程；随着液压缸推动螺杆向前运动，熔化的物 料依次通过喷嘴一模具浇道成型模腔系统的通道，将计量室的塑料熔体注入模具 型腔中。这一过程称为注射过程；注射结束后，由于熔体和模具的热传导，型腔 内的熔体开始固化。固化和冷却导致制品会发生收缩，为了补充收缩必须在一定 的压力作用下，补充物料，这一过程称为压实一保压过程；通过一些冷却介质的 流通，热量连续的从模具中散出，最终制件得到固化。这就是冷却过程；最后， 通过脱模顶出系统把制件从模具中分离出来( 或用手动的方法) 的过程称为卸料 过程。这时，一个循环过程结束。螺杆在不同阶段的运动如图1 5 所示j 。 图1 5 往复式螺杆的动作示意图 a ) 注射、压实及保压阶段：螺杆轴向向前移动； b ) 塑化阶段：螺杆一边转动一边后退： c ) 停留阶段：螺杆处于静止状态 f i g 1 - 5r e c i p r o c a t i n gs c r e ws e q u e n c eo f o p e r a t i o n s ； a ) i n j e c t i o na n dp a c k i n g - h o l d i n g ：s c r e wm o v e sa x i a l l yf o r w a r d ； b 、p l a s t i c a t i o n ：s c r e wr o t a t e sa n dr e t r a c t s ； c 1 s e t t l i n g ：n os c r e wm o v e m e n t ， 1 3 玻纤增强聚丙烯的特性 聚丙烯( p p ) 是一种半结晶性材料。有较低的维卡软化温度( 约1 5 0 ) 、 低透明度、低光泽度、低刚性、低屈服和断裂强度。由于结晶的影响，这种材 料的表面刚度和抗划痕特性很好。p p 不存在环境应力开裂问题。通常，采用加 入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对p p 进行改性。 第一章绪论 对于玻纤增强聚丙烯( 本文提及的玻纤增强如无特别声明均为短玻纤) 来 说，它又有自己的一些特性： 山在注塑过程中，随着玻纤的加入，物料的熔融温度、塑化能力、流动性 能等均有较明显的改变，这就使得玻纤增强料的注塑工艺参数设定不同于相 应的基料【9 1 ； b 由于流动过程中纤维取向的影响，玻纤增强聚丙烯较之纯料会有明显的 各向异性。因此，玻纤增强聚丙烯制品的收缩、翘曲等外观质量与未加玻纤 的基料不同； c 玻纤的含量对复合材料的力学性能的影响非常明显，随着玻纤含量的增 加，玻纤增强聚丙烯的强度和模量等力学性能都会提高“o lt i l l 。 正因为玻纤增强聚丙烯具有弹性模量和强度高、尺寸稳定、耐热性好、电性 能优良、价格低廉等优点【1 2 】，作为一种通用热塑性增强复合材料应用十分广泛， 比如在汽车、电子、家电、石油、化工等领域有着广泛的应用前景1 1 3 1 。我国从2 0 世纪7 0 年代开始研究玻纤增强聚丙烯材料，进入2 1 世纪，随着各种改性剂的发展 和对产品性能要求的日益提高，对玻纤增强聚丙烯的研究也日趋活跃。 1 4 注塑成型工艺参数和玻纤增强聚丙烯制品质量概述 注塑成型过程是一个复杂的过程，整体上来说，影响制品质量的因素可以 分为以下四个方面f 1 4 l ：物料特性、注塑机械性能、模具设计性能和注塑工艺控 制，其中，物料和注塑工艺参数的选择显得尤为重要。 制品的质量指标通常包括外观和内部质量两大方面。玻纤增强聚丙烯制品 也存在一般物料共有的这些质量指标，但它也有与普通物料不同或者更有特点 的质量指标。 本小节将针对玻纤增强聚丙烯相对应的注塑工艺参数和制品质量指标进行 简单介绍。 1 4 1 注塑成型工艺参数 注塑成型过程中主要有三大参数体系”l ：压力、时间和温度。其中与压力 有关的指标主要有：注射压力、保压压力和塑化压力( 又称为背压) ；与温度有关 的指标：机筒温度( 熔胶温度) 、模具温度；与时间有关的条件有：注射时间( 注 郑州大学硕士学位论文 射速率) 、保压时间、冷却时间等。 ( 一) 压力参数 ( 1 ) 注塑压力 压力与塑件的许多特性有关，提高注塑压力有助于熔体充模，增加塑件密 度，减少塑件收缩，提高尺寸稳定性等。一般来说，较高的注塑压力对产品的综 合性能是有益的，但过高的注塑压力容易造成熔体的喷射式流动等不良影响【1 6 1 。 ( 2 ) 保压压力 在注射成型的保压补缩阶段，保压压力对模腔内塑料熔体进行压实以及维 持向模腔内进行补料流动。保压压力可影响塑件的缩痕，尺寸稳定性，以及浇口 附近的取向度和脱模等。保压压力在经验上一般控制在注射压力的4 0 - - 8 0 之 间，而具体保压压力的确定，主要考虑塑件材料的特性及制件的结构，并克服熔 体从机筒到模腔的流动阻力，将熔料送入型腔并将之压实。 ( 3 ) 塑化压力( 背压) 塑化压力是指螺杆顶部熔料在螺杆后退时所受到的压力。它对注射成型的影 响主要体现在：注射机对物料的塑化效果及其塑化能力方面。一般来讲，增大塑 化压力，螺杆后退速度减小，机筒内熔体受到的压力随之增加。于是塑化时剪切 作用加强，塑化效果提高。但须往意的是，增大背压的同时，过高的塑化压力一 方面因熔体在螺槽边缘的反流和漏流而减少了塑化量，可能引起计量不足，另一 方面会使剪切热过高剪切应力过大，有可能使物料降解，产生气泡或烧伤，影响 塑件质量。 ( 二) 温度参数 ( 1 ) 模具温度【1 7 1 模具温度是指在成型过程中的模腔表面的温度，模具温度影响熔体的充模 流动行为、制品的冷却速度和成型后的制品性能等。结晶型塑料的模温控制直接 决定了冷却速率，从而进一步决定结晶的速率“8 1 。模温高时冷却速率小，结晶速 率变大，有利于分子的松弛过程，分子取向效应小。因此，要保证制品的成型质 量，必须有一个高低适宜的模温范围。 ( 2 ) 熔胶温度 熔体温度主要取决于机筒和喷嘴两部分的温度，影响物料的塑化和熔体的 6 第一章绪论 注射充模。从总体上看，提高熔体温度有利于改善充模状况以及在模腔内的传递， 降低取向性等，有利于制品的综合性能的提高，但过高的温度也不可取。当熔体 温度接近注塑温度范围的上限值时，一方面容易产生较多的气体，使塑件产生气 泡、空洞、变色、烧焦等，也因过多地改善流动性而产生飞边，影响制品表观质 量；另一方面，过高的温度会使塑料发生降解作用，使塑件强度降低，失去弹性 等，影响使用性能。因此，料温必须进行很好的控制。 ( 三) 时间参数 ( 1 ) 注射时间 注射时间是控制注射速率的参数之一。注射时间越短，则注射速率越高， 注射速率的大小对塑件的性能有很大影响。实验证明【1 9 1 ，过高过低的注射速率都 会导致冲击强度的下降。另一方面，过低的注射速率使塑件熔接缝强度下降，总 取向作用增大，内应力增高等，影响制品力学性能。 ( 2 ) 保压时间 保压时间和冷却时间的长短也对塑件的质量产生直接影响。缩短保压时 间，会使模腔压力降低加快，有可能产生倒流，使塑件产生缩孔、凹陷等缺陷， 并影响塑件尺寸的稳定性。加长保压时间，可提高塑件尺寸的稳定性避免上述缺 陷的发生，得到致密的产品。同时会使模腔压力提高，改变由于温度不均而产生 的内应力。 1 4 2 注塑成型制品质量特性 制品质量由内部质量和外部质量组成，前者又称性质质量，后者又称表观 质量。 内部质量是指与塑料形态有关的结晶、取向、变形、翘曲及内应力分布； 与力学性能有关的拉伸、弯曲、冲击、熔接线强度；与变形有关的尺寸精度、 几何精度等等。制品内部质量将直接影响到制品的使用性能和使用领域。外部 质量是指表观质量即表面质量，是与内部质量有直接联系的，是内部质量的一 种反映，并与注塑工艺条件有直接关系，例如表面有凹陷、缩孔、气孔、流纹、 颜色不均、烧焦、暗纹、暗斑、银纹、无光泽、泛白、剥层、白化、烧1 ：3 裂纹、 应力开裂、龟裂、翘曲、扭转、溢边等表面缺陷。注塑制品质量的主要影响因 素可用鱼刺图( 图1 - 6 ) 表示。 郑州大学硕上学位论文 拄塑材料陛能注塑工艺条件 制品设计 ( 一) 收缩 图l - 6 制品质量影响因素鱼刺图 f i g 1 - 6t h ef i s hp l o to f e f f e c tf a c t o r st ot h ep a r tq u a l i t y 收缩不仅降低了制品的尺寸精度与表观质量，同时还引起制品结构变形与 内在质量缺陷2 0 1 ，是影响注塑制品质量的关键因素之一。 注塑成型过程塑料经历了由固体颗粒被加热成为熔融状态而充满模具型腔， 然后又在较冷的闭合模具内被冷却为固态制品。冷却至室温的注塑制品体积总是 小于成型模具在常温下的模腔体积，这就是注塑制品的成型收缩，通常用收缩率 表示，即常温下制品体积与模腔容积的差异相对于模腔容积的百分比来表示嗍， 即体积收缩： 鼠：v 丁- v 一, 1 0 0 ( 1 1 ) ，m 式中，s 。一注塑成型制品的收缩性； 一常温下注塑模具型腔的容积； 一常温下注塑成型制品的体积。 如果要求注塑制品符合图纸所规定的尺寸，则在设计注塑模具时，需要根 据注塑制品各个尺寸的收缩率在模具成型尺寸中给以补偿。注塑制品某尺寸的收 缩率用下式来表示，即线性收缩： s t ：与立。1 0 蚴( 1 2 ) 1 ” 式中，一注塑成型制品尺寸，。的收缩率； ，m 一常温下与f 。相对应的模具型腔尺寸； ，。一常温下注塑成型制品的某尺寸。 收缩形成主要由以下六个方面原因【2 1 1 e 2 2 ：热胀冷缩、分子取向瞄l 、纤维取 向和纤维含量、结晶、弹性效应、后收缩。 第一章绪论 ( 二) 翘曲 翘曲变形( 如图1 7 示) 是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状，它是塑 料制品常见的缺陷之一。影响注塑制品翘曲变形的因素有很多【2 5 1 ，但注射成型制 品翘曲变形过大的原因主要有3 个：收缩不均匀、取向( 包括分子取向和纤维取向) 不均匀和冷却不均匀等。 1 一 图1 _ 7 制品的翘曲变形示意图 f i g 1 7p i c t u r eo f w a r p a g e 通常，导致翘曲的原因主要有：模具结构对注塑件翘曲变形的影响、注塑工 艺参数对注塑件翘曲变形的影响【2 们 2 7 3 、注塑件收缩对翘曲的影响、纤维取向的 影响和结晶性能的应响等因素。 ( 三) 拉伸强度 拉伸强度是指材料产生最大均匀塑性变形的应力。在拉伸实验中，试样直 至断裂为止所受的最大拉伸应力。 拉伸强度是短纤维复合材料力学性能的重要指标【2 引。短纤维复合材料中存在 一定的纤维取向，对制品承载能力和阻止裂纹的扩展作用产生影响，可以起到增 强制品拉伸强度的作用。但是，纤维高填充时，纤维过于接近、相互挤压造成实 际纤维体积分数减少，又会削弱复合材料的拉伸强度口9 】。 ( 四) 纤维取向 短纤维增强聚丙烯的质量指标不仅取决于聚丙烯基体的性能，而且在很大程 度上取决于纤维的取向及其分布3 0 1 。 t u c k e r 3 1 1 采用取向分布函数来描述纤维的取向状态，并以此计 算了一些简单问题，如平面取向等。这种方法是一种最为普遍的方法：假设纤维 是等长和等直径的刚性圆杆，单位体积内的纤维数目为常数，这样单根纤维的取 向可以用图2 3 中定义的角( 口，伊) 来描述，其定义为纤维位于q 和( 岛+ d 口) ， 仍和( 嘲+ 却) 之间的概率，即： p ( q 0 日+ d o ，仍伊竹+ d 妒) = 少( 鼠，仍) s i n o d o d 口o ( 2 5 ) 9 郑州大学碗士学位论文 i n 2 - 3 坐标系及p 、0 、多的定义 f i g 2 3 c o o r d i n a t e sa n dd e f m i t i o no f 妒、0 、多 1 5 玻纤增强聚丙烯及其性能的国内外研究概况 近年来，研究者们采用多种方法对玻纤增强聚丙烯性能及对其制品质量影响 的因素进行了研究。由于实际实验中，制品质量指标与各影响因素之间的关系复 杂，难以给出确定的表达式，实验设计法成为研究玻纤含量、玻纤分布、注塑工 艺参数等因素对制品质量指标影响的主要方法之一。 b m l e k u s c h l 3 2 1 采用如图1 8 所示制品，基于c a e 模拟实验，通过对玻纤( g f ) 增强聚丙烯和聚丙烯纯料的分子取向对比和纤维取向的影响分析，给出了结论： 测量点的肋位收缩和翘曲变形量，玻纤增强材料明显大于无玻纤增强材料；而且， 对于玻纤增强材料来说，流动状态不同( 浇1 2 1 位置和尺寸改变) 造成的纤维分布 不同是增大各向异性从而使收缩和翘曲变形量增大的主要因素。从而实现了此类 制品的收缩和翘曲的优化。 测量点 图1 - 8b m l e k u s c h 的实验模型 f i g 1 8m o d e lo f b m l e k u s c h se x p e r i m e n t 钟明强，濮阳楠，益小苏，j a c o b so 3 3 l 通过实验研究了短玻纤增强聚丙烯复 第一章绪论 合材料中玻纤及注射压力对材料微观结构和力学性能的影响规律。实验结果表明： 随着玻纤含量提高，复合材料的拉伸强度提高，而断裂伸长率、冲击强度和熔体 流动速率则下降。注射压力提高，拉伸试样芯层中玻纤的平均取向角下降，取向 度提高，因而拉伸强度增大，冲击强度下降。皮层结构中玻纤沿熔体流动方向高 度取向州。如图1 - - 9 所示，聚丙烯球晶尺寸随玻纤含量增加而变小，规整度也变 差，至4 0 时。聚丙烯已难以形成规整的球晶结构。 该研究把玻纤对p p 结副驺】的影响作为关注点，提出随着g f 含量的提高，p p 形成球晶的能力下降，球晶尺寸也逐步变小，至g f 为2 0 时p p 球晶已变得不规整， 当g f 含量高达4 0 时，已基本上看不到球晶结构，此时，大量的玻纤相互接触、重 叠，影响了基体p p 的相连续性，从而影响p p 的结晶性能和力学性能。因此工业生 产中，玻纤增强p p e p g f 控制在2 0 3 0 左右，此时，g f 既不影响p p 相连续性， 又可使p p 球晶细化，从而提高冲击韧性，以降低g f 加入导致的韧性损失。从理论分 析的角度给出了玻纤增强聚丙烯玻纤含量对p p 基料结晶的影响，为我们研究玻纤 增强聚丙烯时的物料选择提供了依据。 ( d ) 3 0 玻纤增强p p( e ) 4 0 玻纤增强p p 图1 - 9 玻纤含量对g f p p 中p p 结晶结构影响偏光显微镜照片( x 4 0 0 ) f i g 1 - 9 e f f e c t so f g fc o n t e n to nc r y s t a ls t r u c t u r eo f p o l y p r o p y l e n ei ng f p pc o m p o s i t e sb y p o l a r i z a t i o nm i c r o s c o p e ( x 4 0 0 ) k ew a n g ，m i ng u o 3 6 等认为，玻纤增强聚丙烯中玻璃纤维有穿透p p 基料形成 的晶体结构( 甚至是球晶) 从而使制品的性能发生变化的现象，而剪切力是产生 该现象的主要原因。通过实验比较了有剪切( 使玻纤在结晶的同时运动，形成剪 郑州大学硕士学位论文 切，这是通常的注塑状态) 和无剪切( 玻纤在结晶之前运动，使结晶在无剪切状 态下进行) 在极化光学显微镜下的微观状态( 如图1 1 0 所示) 。 图l 1 0 极化光学显微镜下单根玻璃纤维和基体晶粒( a ) 无剪切和( b ) 有剪切时状态 f g 1 - 1 0p o me x p e r i m e n to i lt h es i n g l eg l a s sf i b e r p pc o m p o s i t e s ( a ) w i t h o u ts h e a r , ( b ) w i t hs h e a r j l t h o m a s o n 3 7 1 基于实验研究了玻纤增强聚丙烯制品沿料流方向的拉伸强 度和玻纤含量之间的关系，并且得到关系曲线图( 如图1 1 1 所示) 。研究发现， 虽然玻纤的加入可以大大提高制品的拉伸强度，但并非纤维含量越高其拉伸强度 就越好。曲线呈开口向下的抛物线型，并且拉伸强度随玻纤含量的增加在3 0 和 4 0 之间出现最大值。 一蚋e c o n t e n t t 硼 图1 1 l 玻纤增强聚丙烯拉伸强度和玻纤含量的关系曲线 f i g 1 - 11t e n s i l es t r e n g t hv a l s i i sf i b r ec o m e m ( ) k e l l y - t y s o nt h e o r y , ( ) e x p e r i m e n t a l 沈春银，李中兵等p 8 1 研究了p p 种类对玻璃纤维增强热塑性片材( g m t ) 性 能的影响，p p 的熔体质量流动速率( m f r ) 高、粘度低有利于体系的浸渍。低 粘度的p p 熔体不仅容易润湿增强纤维的表面，利于复合体系界面结合强度的提 第一章绪论 高，还有利于二次成型制品时复合材料的流动；但在保证流动性的同时。还应 g m t 片材具有相应的力学性能。表1 一l 为4 种p p 的力学性能，表1 2 为加入两种 相容剂后，p p 种类对g m t 2 p p 片材力学性能的影响。 表l l 、1 2 的结果表明，共聚p p 的冲击强度高于均聚p p 的冲击强度，拉 伸性能则逊于后者；当p p 与玻纤复合后，共聚p p 的冲击性能优势基本消失。无论 是均聚还是共聚p p ，随着p p 的m f r 的增大，复合片材的力学性能均得到改善，弯 曲强度可提高1 2 1 4 、冲击强度提高1 0 1 2 。因而当分子结构相同时， m f r 高的树脂与玻纤毡复合可以得到拉伸和弯曲性较高的片材；而且m f r 高的 p p 还有利于改善材料的冲击性能。 该研究的意义在于关注了玻纤增强聚丙烯中p p 基体对物料性能的影响，并定量 地给出几种常用基体对玻纤增强物料的影响程度，为本文的研究提供了参考依据。 表1 1 各种p p 树脂的力学性能 t a b1 - 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f d i f f e r e n tp pm a t r i x e s 邱斌、陈锋1 4 0 1 研究了短纤维增强复合材料在注射成型中纤维的取向问题。 并用m o l d f l o w 软件对具体注塑制品的纤维取向进行了模拟，对影响纤维取向 郑州大学硕上学位论文 的主要工艺参数( 速度、压力、温度) 进行了分析。研究发现，注射速度对纤维 取向有较大的影响，在熔体温度和模具温度不变的情况下，注射速度大的制品纤维 取向程度反而不如注射速度低的制品的纤维取向程度：注射工艺参数对纤维取向 的影响归根结底是对熔体粘度和在成型过程中剪切的影响。熔体粘度太低或者太 高都不利于纤维取向，剪切力增大有利于纤维取向。纤维取向是这两者综合作用 的结果【4 1 1 。 许干、蒋国昌( 4 2 】通过实验研究发现，当用玻璃纤维增强p p 时，所得制品的性 能不仅与玻璃纤维的含量有关，还与双螺杆形成的温度场、剪切场等有关。因为 在玻纤增强p p 中，载荷不是直接地施加于纤维，而是被传递至l j p p 基体并经过纤 维端部和端部附近的一个很小的纤维长度传递到纤维上，对于玻纤增强p p 来说， 玻纤端基效应是不可忽略的，即玻纤在基体中的长度及长度分布和它在基体中 的分散状态都是至关重要的。而造成这些效果的因素是双螺杆所形成的温度场、 剪切场和在机筒中的停留时间分布，如果剪切场太低，玻纤不能从原丝分散到单 丝，其增强效果难以体现；如果剪切场太强，其分散在p p 中的玻纤单丝平均长 度较短，比其l | 缶长度相差不大，因而性能也不好，故选择合适的加工条件对于制 备性能良好的玻纤增强p p 是十分重要的。 王文生，王旭霞【4 3 l 认为注塑工艺参数对p p 的结晶度有很大影响，而结晶度 的高低对制品性能又有着显著的影响。结晶型聚合物结晶度的高低主要取决于注 塑工艺参数的设置，而聚合物结晶度的高低对制品的性能又产生重要的影响，对 于同一种聚合物而言，结晶度提高，除冲击强度外，其它大多数物理机械性能 都变得优越。所以，在实际生产中，可根据制品的使用要求，调整工艺参数，从而 控制制品结晶度的高低，达到理想的物理一机械性能。 1 6 本文选题思想及主要研究内容 在注塑成型制品质量控制方面存在困难不仅来源于工艺动力学的复杂性和 在温度、压力波动下材料行为的不可预测性，还来源于对制品质量与影响因素之 间的关系缺乏了解 4 4 1 。研究工艺参数对制品质量的影响关系，确定工艺变量对制 品质量指标的影响度，是选取控制变量、抽取工艺特性数据及制品质量特性数据、 建立工艺参数与制品质量之间的关系模型的前提h 5 1 。本论文将侧重研究玻纤增强 1 4 第一章绪论 聚丙烯制品的玻纤含量及注塑工艺参数对制品的收缩、拉伸强度等质量指标的影 响关系。基于正交实验方法研究工艺参数对制品质量的影响，筛选重要影响工艺 参数。通过单因素实验设计，重点研究基于该工艺参数的单因素工艺组合和玻纤 含量对制品质量的影响。 本文重点研究玻纤增强聚丙烯制品的注塑工艺参数及玻纤含量对制品的收 缩、拉伸强度等质量指标的影响关系。基于正交实验方法研究熔体温度、模具温 度、注射时间、保压压力、保压时间及纤维含量对制品质量的影响，筛选重要影 响工艺参数。通过单因素实验设计，研究各个工艺参数的单因素变化和玻纤含量 对制品质量影响的详细信息。主要工作内容包括以下几个方面： 1 基于注塑成型模拟软件m p i ( m o l d f l o w p l a s t i ci n s i g h t ) ，利用正交实验 方法，分析研究了玻纤含量和注塑工艺参数对制品收缩和翘曲变形的影响，获 得不同材料各参数对收缩和翘曲变形的影响规律，为实际注塑实验提供参考。 2 基于注塑正交实验，采用四种材料( 纯p p i o 玻纤增强p p 2 0 玻纤 增强p p 3 0 玻纤增强p p ) 研究了注塑工艺参数和玻纤含量对制品收缩的影响， 获得了各个因素对玻纤增强制品收缩的影响规律及各因素的影响度。同时获得 近似最佳工艺组合，作为后续单因素实验的基准工艺设置。 3 基于三个模具温度水平( 3 04 c 、5 0 、7 0 。c ) ，对熔体温度、注射时间、 保压时间、保压压力和玻纤含量等因素进行单因素实验。通过实际的注塑和测 量、拉伸、观察纤维取向微观状态等方法，研究注塑工艺参数和玻纤含量对玻 纤增强聚丙烯制品的收缩、拉伸等性能的影响规律。 4 利用金相显微镜观察纤维在注塑制品内的取向和分布，对比分析各种工 艺参数组合下制品的纤维取向，研究注塑工艺参数对纤维取向分布的影响规律 和影响程度，并分析工艺参数纤维取向拉伸强度之间的影响规律和关 联性。 郑州大学硕士学位论文 第二章注塑工艺参数和玻纤含量对玻纤增强聚丙烯制品 质量影响的c a e 模拟实验研究 实验设计理论( d e s i g no f e x p e r i m e n t ，简称d o e ) 是用于确定质量问题、 提高产品和工艺设计的离线质量改进技术，应用d o e 技术，可以确定过程变量 的最优值，它包括全因子实验和部分因子实验等。 多因子实验布置技术最早由英国r a f i s h e r 提出，这种方法称为因子实验设 计。全因子实验要包含所有因子的所有可能组合，在真实的工业实验中一般包含 大量的实验因子，这将导致实验数目巨大。为了降低实验数目，只需由所有可能 组合中挑选一小部分因子组合进行实验并可获得充分的实验信息，称为部分因子 实验，t a g u c h i 实验设计技术即是这样一种实验设计技术。 2 1t a g u c h i 正交实验方法简介 塑化与注塑成型是一个具有非线性和时变特征的多参数相互作用的复杂过 程。采用t a g u c h i i e 交实验方法可以通过最少的实验次数来获取工艺变量之间的 隐含关系，通过分析迅速确定塑化装置和注塑工艺参数优化。 t a g u c h i 实验基于一定的规则设计正交实验矩阵，确保以最小数目的实验获 得全因子实验中影响性能参数的全部信息。t a g u c h i 方法采用系统设计、参数设 计和容差设计的三次设计方法 4 6 1 4 7 1 。其核心是参数设计，即运用正交实验设计 的方法选择影响系统质量特性的实验因素的最佳值及最佳水平组合，使系统的质 量波动最小，稳定性最好。t a g u e h i 实验设计方法是采用正交矩阵对多个实验因 素的优化方法，通过数目较少的实验可以找出在所用因素及对应水平条件下的最 优水平组合和实验因素对实验指标的影响度。 在t a g u c h i 实验设计中，采用信号噪声比( s i g r l a i t o n o i s e r a t i o ，简称信噪比或 s n 比) 作为实验稳定性的评价标准，s n 比是实验设计中变量分析和容差分析的基 础。s n 比越高，品质越好。 2 1 1 正交矩阵 t a g u c h i 实验设计方法使用标准的j 下交矩阵以保证通过最少数目的实验，得 1 6 第二章注塑成型工艺参数和玻纤含量对玻