（材料加工工程专业论文）注塑工艺参数对尼龙6蒙脱土纳米复合材料熔接线拉伸性能影响的研究.pdf

摘要摘要聚合物蒙脱土纳米复合材料以常规聚合物材料所没有的结构、形态以及较常规复合材料更优异的力学性能、耐热性、气体阻隔性等性能得到了越来越多的关注，目前已显示出重要的科学意义和广泛的应用前景。由于该领域发展的时间不长，国内外的研究工作还不够广泛和深入，以往的文献报道主要集中在聚合物蒙脱土纳米复合材料的制备、微观结构以及物理力学性能的表征等方面。而对聚合物蒙脱土纳米复合材料注塑成型方面的研究较少，尤其对熔接线的性能缺乏系统的研究。本文的主要工作：1 对比研究单个工艺参数对纯尼龙6 和含有5 ( 质量比重) 蒙脱土的尼龙6 蒙脱土纳米复合材料具有熔接线试样和无熔接线试样拉伸强度的影响趋势，并分析其机理。研究发现纯尼龙6 拉伸强度几乎不受熔接线的影响，而尼龙6 蒙脱土纳米复合材料受熔接线的影响较大。2 利用正交试验设计方法，分析模具温度、熔体温度、注射速度和保压压力四个工艺参数对尼龙6 蒙脱土纳米复合材料具有熔接线和无熔接线试样拉伸强度的影响程度，预测最优的拉伸强度和工艺条件。3 利用正交试验设计方法，通过试验获取试验样本，然后根据试验样本数据对神经网络进行训练，建立神经网络模型，得出具有熔接线尼龙6 蒙脱土纳米复合材料注塑制品的拉伸强度与影响熔接线拉伸强度的四个注塑工艺参数( 模具温度、熔体温度、注射速度和保压压力) 之间的定量数值关系。关键词：尼龙6 蒙脱土纳米复合材料熔接线注塑参数神经网络墨苎塑墨a b s t r a c tt h ep o l y m e r m o n t m o r i l l o n i t en a n o e o m p o s i t e sh a v er e c e i v e ds i g n i f i c a n ta t t e n t i o n ,d i l ct ot h c i rd i s t i n c t i v es t r u c t u r e sl e a dt h a tt h e yh a v eb e 牡i 亭rp r o p e r t i e si nm e c h a n i c a l ，t h e r m a la n dg a s l i q u i db a r r i e rr e s i s t a n c ew h e nc o m p a r e dw i t ht h ep u r ep o l y m e ra n dc o n v e n t i o n a lc o m p o s i t e s t o d a yp o l y m e r m o n t m o r i l l o n i t en a n o c o m p o s i t e sh a v es h o w e dt h e i ri m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ea n dc o m p r e h e n s i v ea p p l i e df u t u r e a st h ed e v e l o p m e n to f t h i sf i e l di sn o tl o n ge n o u g ha n dt h er e s e a r c hi sr a t h e rp l a i nb o t hi ne x t e n s i o na n di nd e p t hn om a t t e ri nh o m ea n da b r o a d t h ep u b l i s h e dp a p e ra r em a i n l yf o c u s e do nt h ep r e p a r a t i o no fm a t e r i a l s ，t h ec h a r a c t e ro ft h em i c r o s u - u e t u r ea n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b u ts y s t e m a t i cs t u d i e so nt h ea p p l i c a t i o no fi n j e c t i o nm o l d e dn a n o c o m p o s i t e sw i t hw e l dl i n el a c k e df o ri n v e s t i g a t i o n t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d ef 0 1 1 0 w i n gp a r t s ：1 t h ee f l e e t so f e a c hp r o c e s sf a c t o ro nt h et e n s i l es t r e n g t ho f s p e c i m e n sw i t hw e l dl i n e 趾dw i t h o u tw e l dl i n ea r ei n v e s t i g a t e du s i n gt h es p e c i m e n st h a ta l e 蝎e e t e db yt w od i f f e r e n tn y l o n6m a t e r i a l s ，o n ei sp u r en y l o n6a n dt h e o t h e ri st h en y l o n6 m o n t m o r i l l o n i t en a n o c o m p o s i t e sw i t h5 w t n a n o - m o n t m o r i u o n i t e i ti sf o u n dt h a tw i t ha d d i 廿o no fm o n t m o r i l l o n i t ep a r t i c l e st h ew e l dl i n es t r e n g l hb e c o m e ss i g n i f i c a n t l yw e a k e n sa sc o m p a r et ot h o s ep u r en y l o n6p a r t s 2 a nl 9e x p e r i m e n t a lm a t r i xd e s i g nb a s e d0 1 1t h eo r t h o g o n a lt e s td e s i g n sa r ec o n d u c t e dt oo p t i m i z et h ei n j e c t i o nm o l d e dp a r t so fn y l o n6 m o n t m o r i l l o n i t en a n o c o m p o s i t e st e n s i l es t r e n g t hw i t ha n dw i t h o u tw e l dl i n e f o u rf a c t o r si n c l u d i n gm o l dt e m p e r a t u r e ，m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o ns p e e da n dp a c k i n gp r e s s u r ea r cs e l e c t e di nt h ee x p e r i m e n t t h eo p t i m u mt e n s i l es t r e n g t ha n dp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sa r ep r e d i c t e d 3 b a s e do nt h eo r t h o g o n a lt e s td e s i g n s ，t w e n t y - f i v e - g r o u pq u a n t i t a t i v ed a t aa r eg a l n e d n e u r a ln e t w o r ki st r a i n e db yt h ed a t a , t h u st h en e u r a lm o d e li sd e v e l o p e d m o l d英文摘要t e m p e t a t u r e ，m e l tt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o ns p e e da n dp a c k i n gp r e s s u r ea r ef o u ri m p o r t a n tp r o c e s s i n gc o n d i t i o n s ，w h i c ha f f e c tt h et e n s i l es u e n g t ho fs p e c i m e no nw e l dl i n e t h en e u r a ln e t w o r km o d e lm a p p e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e c nt h e s ei n j e c t i o np a r a m e t e r sa n dt h et e n s i l es 岫m g i l lo fn y l o n6 m o n t m o r i l l o n i t en a n o c o m p o s i t e si n j e c t i o nm o l d e ds p e c i m e n k e y w o r d ：n y l o n6 m o n t m o r i l l o n i t en a n o c o m p o s i t e s ,w e l dl i n e , p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，n e u r a ln e t w o r ki第一章绪论第一章绪论1 1 聚合物蒙脱土纳米复合材料纳米复合材料的概念最早是由r u s t u n r o y 于1 9 8 4 年提出的1 1 1 。与单一组分的纳米结晶材料和纳米相不同，它是指材料两相( 或多相) 微观结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级尺寸( 1 l o o n m ) 的材料。组成复合材料的两相可以是陶瓷、金属或聚合物等。聚合物蒙脱土纳米复合材料是指通过插层复合法将单体或聚合物插进蒙脱土片层间，进而破坏蒙脱土的片层结构，使之剥离成厚1 r i m ，长、宽约为1 0 0 n m 的基本单元，并使其均匀分散在聚合物基体中，实现高分子与蒙脱土在纳米尺度上的复合。1 1 1 聚合物蒙脱土纳米复合材料的制备翻聚合物蒙脱土纳米复合材料中用作纳米无机相的蒙脱土( m o n t m o r i l l o n i t c ，简称m m t ) ，是我国丰产的一类天然粘土矿物，是一种层状硅酸盐。其结构片层是纳米尺度的，包含三个亚层，在两个硅氧四面体亚层中间夹含一个铝氧八面体亚层，亚层之间通过共用氧原子以共价键连接，结合极为牢固。整个结构片层厚约l n m ，长宽约l o o n m ，其结构图见图1 1 【3 】。由于铝氧八面体亚层中的部分铝原子被低价原子取代，片层带有负电荷。过剩的负电荷靠游离于层间的n a + 、c a 2 + 和m 矿等阳离子平衡州，因此容易与烷基季铵盐或其他有机阳离子发生离子交换反应生成有机化蒙脱土。交换后的蒙脱土呈亲油性，并且层间的距离很大。有机蒙脱土能进一步与单体或者聚合物熔体反应，在与单体聚合或聚合物熔体混合的过程中剥离为具有纳米尺度的结构片层，均匀分散在聚合物基体中，从而形成聚合物蒙脱土纳米复合材料。这种制备聚合物蒙脱土纳米复合材料的方法称为插层复合法( i n t e r c a l a t i o nc o m p o u n d i n g ) 。郑州大学硕士学位论文餐雠黻乎移聪重毫。蝴蠛图1 - 1 蒙脱土的结构示意图f i g 1 - is c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f s t r u c t u r eo f m o n t m o r i l l o n i t e按照复合的不同过程，插层复合法可分为插层聚合法和聚合物插层，插层复合法分类的示意图见图1 - 2 ：( 1 ) 插层聚合法( i n t e r c a l a t i o nc o m p o u n d i n g ) 即先将聚合物单体分散、插层进入蒙脱土的片层中，然后引发原位聚合，利用聚合释放的大量热量，克服蒙脱土片层间的库仑力，从而使蒙脱土片层以纳米尺度与聚合物基体复合。( 2 ) 聚合物插层( p o l y m e ri n t e r c a l a t i o n ) 即将聚合物熔体或液体与层状蒙脱土混合，利用物理或热力学作用使层状蒙脱土剥离成纳米尺寸的片层，并均匀分散在聚合物基体中。插层复合插层聚合聚合物插层tl单体加聚单体缩聚熔融插层溶液插层图l - 2 插层方法的分类f i g 1 2c l a s s i f yo f i n t e r c a l a t i o nm e t h o d聚合物插层又可分为聚合物溶液插层和聚合物熔融插层两种。聚合物溶液插层是聚合物大分子链在溶液中借助于溶剂而插层进入蒙脱土的片层间，然后再挥发掉溶剂。这种方式需要合适的溶剂来同时溶解聚合物和分散蒙脱土，而且大量的溶剂不易回收，对环境不利。聚合物熔融插层是应用传统的聚合物加工工艺制第一章绪论备纳米复合材料的新方法，是聚合物在高于其软化温度下加热，在静止条件或在剪切力作用下直接插层进蒙脱土片层间。这种方法不需任何溶剂，并且可以减少对环境的污染，工艺简单，易于工业化应用，因而聚合物熔融插层具有很大应用前景。1 1 2 聚合物蒙脱土纳米复合材料的类型【垌根据复合材料的微观结构，特别是蒙脱土的片层是否插层有聚合物分子链，可以把复合物分成以下三类( 如图1 3 所示) ：( 1 ) 普通的微粒填充聚合物；( 2 ) 插层型纳米复合材料；( 3 ) 剥离型纳米复合材料。瀚劣露霉黪嚣灌图1 - 3 聚合物蒙脱土纳米复合材料结构示意图f i g 1 - 3s k e t c hm a po f p o l y m e r m o n t m o r i l l o n i t en a n o c o m p o s i t e ss 虮i c t i l _ 图1 3 a 为普通微粒填充聚合物，在这类聚合物蒙脱土复合材料中，蒙脱土仍保持原有状态，以简单的颗粒形式分散于聚合物基体中，分散相尺度为微米级，性能等同于其他颗粒填充复合材料，如未经有机化处理的钠基蒙脱土与聚合物复合时即得到这种类型的复合材料。图1 3 b 为插层型纳米复合材料( i n t e r c a l a t e dn a n o e o m p o s i t e ) ，在该类复合材料中，聚合物分子插入到蒙脱土片层间，使片层间距增大，但蒙脱土原有的叠层结构并没有被破坏，仍有一定的有序性。由于处于层间受限空间的高分子链和处于层外自由空间的高分子链状态不同，有时会表现出特殊的性能，插层型纳米复合材料可作为各向异性的功能材料。多数聚合物通过熔融插层和溶液插层后得到这样的插层型纳米复合材料。郑州大学硕士学位论文图1 3 c 为剥离型纳米复合材料( e x f o l i a t e dn a n o c o m p o s i t e ) ，在这类纳米复合材料中蒙脱土片层完全剥离，原来有序的叠层结构被彻底破坏，相互独立的厚为l n m的蒙脱土片层无规则而均匀地分散于聚合物基体中。由于蒙脱土片层充分分散，具有极大的界面，这种复合材料具有比常规复合材料更优异的物理力学性能，是理想的强韧结构材料。1 1 3 聚合物蒙脱土纳米复合材料的性能由于聚合物蒙脱土纳米复合材料实现了无机分散相、有机聚合物在纳米尺度上的复合，因而大大增强了无机物与有机物之间的相互作用，从而比相应未复合的聚合物或相应的非纳米分散的聚合物复合材料表现出更优越的性能，主要表现在以下方面：纳米复合材料中蒙脱土的质量分数一般在1 0 以下，通常为3 5 ，而非纳米复合材料无机矿物的填充量在3 0 左右，因此，纳米复合材料与传统复合材料相比具有质量轻的特点。如果无机片层被解离开，以单片状被均匀地分散在聚合物基体中，则无机物相当于刚性捧状分子，起着分子增强剂的作用，所以会表现出优异的力学性能。比未复合的聚合物和非纳米结构的复合材料有更高的抗冲击性、拉伸强度和热稳定性。由于纳米复合材料达到了分子水平的相容，相的尺寸小于可见光的波长，因而某些聚合物蒙脱土纳米复合材料反而比纯聚合物更透明，如添加4 2 v 0 1 蒙脱土的尼龙6 的透光率( 4 0 ) 比纯尼龙6 ( 1 0 ) 高得多。蒙脱土片层在聚合物中的插入，使得气体或液体分子在穿越材料时必须绕过这些片层，路径大大增加，因而表现出优异的气一液阻隔性。聚合物蒙脱土纳米复合材料在燃烧时，含碳的外表面层有一个高含量的蒙脱土层，蒙脱土层是一种优良的绝热剂，能阻隔氧气的运输及阻碍燃烧产物逃离，因而它常常具有阻燃性。各向异性纳米复合材料在与夹层平行的方向嵌入聚合物，其性能与垂直夹层的方向有明显的不同，所以往往显示出各向异性。第一章绪论1 2 国内外对熔接线的研究概况在塑料成型加工中，“熔接线”( w e l d l i n e 0 1 k n i t l i n e ) 一词最早是用来描述两股流动的熔融塑料相接触时，所产生的表面缺陷，因为这种表面缺陷最典型而易见的形式是在塑件表面有一条通常用肉眼都可以看到的、看似裂纹的线，故“熔接线”一词由此而得名。但是，随着研究的深入，“熔接线”一词逐渐超出了它最初的含义。现在，“熔接线”是指由于两股流动的熔融塑料相接触，而形成的形态、结构和力学性能都完全不同于塑件其他部分的三维区埘7 1 。回顾熔接线研究的发展过程与研究课题，大致可以把熔接线的研究划分以下三个方向：1 熔接线形成过程与组织结构的研究1 9 5 1 年，g i l m o r e 和s p e n c e r 8 】发表了开创性的文章，文章中描述了熔接线的形成，并声言熔接线是一个表观上和强度上都很复杂的问题。上世纪八十年代初m a l g u a m e r a 7 1 及其合作者对熔接线的形态和性能进行了全面而系统的研究。在熔接线性能方面，他们对几种通用材料的有熔接线试件和无熔接线试件进行了拉伸强度( t e n s i l es t r e n g t h ) 和冲击强度( i m p a c ts u e n g t h ) 的对比试验，并且全面的研究了加工参数对它们的影响。在熔接线形态方面，他们用扫描电子显微镜( s e m - - s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 对有熔接线试件和无熔接线试件强度测试后的断裂表面进行了对比观察，并提出了有线、无线试件强度破坏的不同起因。在对熔接线的形态和性能进行研究的基础上，他们提出了提高注塑件熔接线强度的若干方法。m a l g u a m e r a 综合了这个阶段的研究成果，提出了许多减少此不良影响的方法。自上世纪八十年代末以来，s p i c c a r o l o 及其合作者1 9 就熔接线结构的三大特点对熔接线的弱强度的影响进行了分析研究。特别就v 型槽( v - n o t c h ) 对弱强度的影响进行了深入的研究，并假设了注塑过程中熔接线表面v 型槽形成的物理模型。f e l l a h i 等借助t e m ( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ，透射电子显微镜) 、d s c ( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r , 差示扫描量热法) 和x e s ( xr a yp h o m - e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y , x 射线光电子能谱法) 技术，研究了h d p e p a 6 混合物的熔接线结构，发现熔接区内有非常细小的分散相，熔接区的厚度约为表层厚度的2 倍。郑州大学硕士学位论文在国内，徐智i i l l 利用理论、数值模拟和实验相结合的方法，针对p p 和h d p e料，研究了注塑件熔接线的形成机理。在充模阶段，运用前沿区喷泉流动的概念，建立“喷泉遭遇流”的熔接线产生模型；在冷却阶段，运用分子扩散的理论，建立了熔接线弱粘结的模型，根据两个模型分析了熔接线的结构、性能与材料参数和加工参数的关系。张克惠【1 2 1 认为，在注塑过程中型腔内空气被压缩引起冷接线v 型槽，其明显程度与塑件材料有关，而热熔接线处无被压缩的空气，一般不会出现v 型槽。2 熔接线力学性能研究熔接线的组织结构不同于塑件的其他部分，使得其力学性能大为降低，因此在塑件强度设计中，应选用熔接区域材料的力学强度作为设计标准。从高聚物成型加工一开始，大家就认识到了熔接线的存在，但是由于熔接线是在加工操作中发生的问题，所以其被认为是加工者的问题。从五十年代到七十年代这段时间，熔接线的研究一直未得到重视。这个时期的研究是零散而缺乏理论基础的。这个阶段，熔接线研究的特点是面向生产加工，所以其研究的重心只能是：如何消除熔接线所带来的表面痕纹，以及如何提高熔接线的强度【1 3 1 4 1 5 , 1 6 。c d e n s 和m o s l e l l 7 l 用三种材料一聚苯乙烯( p s p o l y s t y r e n e ) 、聚碳酸酯( p c - p o l y c a r b o n a t e ) 和聚甲醛( p o m - p o l y o x y m e t h y l e r i e ) 研究了熔接区域的拉伸强度受熔体温度影响的程度，结果表明熔体温度对不同材料熔接区域拉伸强度的影响不同。m a l g u a m e r a 掣1 8 1 9 1 用聚丙烯( p p p o l y p r o p y l e n e ) ，讨论了熔体温度、模具温度、模具冷却条件、注射速度和退火对熔接区的形态结构和拉伸强度的影响，结果表明熔接区的拉伸强度受熔体温度、模具温度的影响最大。t o m a r i 等用聚苯乙烯( p s - p o l y s t y r e n e ) 材料，在不同的充模压力和保压压力条件下，测试了熔接区的拉伸强度。结果表明，充模压力越大，拉伸强度越大。对于特定的模具，如果注射压力较低，则通过增加保压压力可以提高制品的拉伸强度。另外，t o m a r i 还在文献刚中研究了其他机械性能如断裂韧度( f r a c t u r et o u g h n e s s ) 。j k k i m 等人【2 l 】使用纯丁二烯一对苯二酸酯共聚物( p b t - p o l yb u t y l e n e st e r e p h t h a l a t e ) 和玻璃纤维( 6 f g l a s sf i b e r ) 复合p b t ( 3 2 w t g f ) 两种材料，对它们的注射制品熔接线强度作对比研究。其研究结果表明纯p b t 拉伸强度几乎不受熔接线的影响，而g f 复合p b t 拉伸强度受熔接线的影响很大。第一章绪论t j p e c o r i r i 【2 2 l 用断裂力学方法对含1 0 塑化剂的非结晶性聚合物乙酸邻苯二甲酸纤维素( c a p c e l l u l o s ea c e t a t ep h t h a l a t e ) 的熔接线进行了研究，把熔接线当作一条尖锐的裂纹来处理。研究表明当熔体温度超过某一临界温度时，所产生的熔接线裂纹长度将低于l l 缶界值，从而不会引起材料的脆性断裂。d e m i e l e w s l d 等1 2 3 采用冲击试验及t e m 、x p s 技术，对熔接线强度下降的原因作了深入研究。研究表明，在p p 中加入的抗氧化剂不溶于p p ，而是以分散相的形式存在于p p 中，并大量聚集于熔接区。文中还就抗氧化剂的含量对冲击强度、屈服强度和断裂伸长率的影响进行了试验比较。徐佩弦洲提出改善短切玻璃纤维塑件上熔接线强度最有效的方法是改善熔接线区的纤维取向。注塑过程中，在两股熔体相遇瞬间转换保压压力，它们的前锋之间存在足够的压力差，熔体流的一方以高压携带纤维进入低压的另一熔体，使熔接线处的纤维呈交叉搭接分布。她还提出采用多型腔来取得两股熔流的不平衡锋端静压。3 熔接线加工参数优化及数值模拟研究注塑过程中，完全消除熔接线的形成几乎不可能，但可以通过采取措施，将它对塑件外观和性能的影响降至最低，通常采用试错试验法和模拟预测法。前一种方法包括加工参数的变化和模具设计的改变，不断试制直至得到满意的结果；后一种方法是用数学模型，通过调整参数和改进塑件结构，使熔接线的影响降至最低。c h u n g 和k w o n l 2 5 1 开发了一个可对试件各位置的纤维取向进行数值模拟的模型。该模型还可以对应力张量、压力、速度和温度场进行数值模拟。s j l i u 等f 2 6 采用“大拇指准则”( t a g u c h im e t h o d ) 设计了一个实验矩阵，用加工参数中的五个参数( 嵌件尺寸、注射压力、保压压力、模腔温度和注射速度)的不同值，进行了十八种组合，对p s 的注塑过程进行实验。用信噪比( s n ：s i g n a l - t o n o i s er a t i o ，s ：s i g n a l ，n ：n o i s e ) 计算比较各参数对性能影响的大小。v k a g a n 2 7 1 拥m o l d f l o w 软件预测熔接线的位置，预测并通过实验证实加工参数的变化对聚乙内酰胺( p o l y c a p r o l a c t a m , p a 6 ，又称为尼龙6 ，n y l o n6 3 3 w t g f )注塑制品熔接线的影响以及玻璃纤维的取向。h k h a r b a s 【2 8 】利用欠注射( s h o r ts h o t ) 来演示熔接线的形成。他在文中使用试验设计法( d o e ，d e s i g no f e x p e r i m e n t s ) 设计实验矩阵，研究熔体温度、注射速度、注郑州大学硕士学位论文射量等参数的变化对熔接线强度的影响。文中同样使用信噪比来比较各个参数对聚碳酸酯( p c - p o l y c a r b o n a t c ) 注塑制品熔接区域强度的影响以及制品质量变化的大小，并使用扫描电子显微镜观察了制品熔接区域截面的微观结构。在国内，张克惠 2 9 1 从注塑件设计、模具设计、塑料选材、工艺参数的调节以及注塑件后处理等方面提出避免产生熔接线和改进熔接线强度的方法。申长雨 3 0 l将消除熔接线对产品质量影响的方法进行了归纳。鲁晓梅【3 1 】提出了一个预测熔接线形成位置的数值计算方法，并用实例对该算法的可行性进行了实验验证。总之，国内外的研究人员对塑件熔接线的形成过程、组织结构、力学性能以及加工参数的优化等课题进行了大量的研究，取得了一定的研究成果。然而，在熔接线加工参数优化及数值模拟研究这一课题领域，研究加工参数的变化对聚合物蒙脱土纳米复合材料注塑制品熔接区域强度影响的文献很少见。另外，前人分析总结加工参数对制品熔接区域强度的影响时，往往只是利用“信噪比”得到定性的结论，没有得到加工参数的变化对熔接区域强度影响的定量的关系。1 3 神经网络在注塑制品质量研究中的应用人工神经网络( m 州，简称神经网络，下同) 是近二十年来发展起来的十分热门的交叉学科，它涉及到生物、电子、计算机、数学和物理等学科。其研究的目的是模仿大脑神经系统的某些结构和功能，克服目前用计算机和其他系统不能解决或解决得不好的问题。神经网络的研究可以分为理论和应用研究两大方面。其中应用研究可分为以下两类：神经网络的软件模拟和硬件实现的研究；神经网络在各个领域中应用的研究。这些领域主要包括：模式识别、信号处理、知识工程、专家系统、优化组合、机器人控制等等1 3 2 。在塑料行业，如何消除注塑制品的缺陷，以及如何设定注塑参数都是非常重要的课题。设定注塑参数需要进行大量的实验研究和验证，涉及的方面有：注塑参数与材料性能间的关系，注塑参数相互间的关系，注塑参数与缺陷之间的关系等，对此人们已经做了大量的研究，并且还出现了许多成熟的商业化辅助设计软件，其中国外以m o l d f l o w 和c m o l d 为代表，国内有z m o l d 软件。针对如何有效的消除注塑件的缺陷，人们也有了不少研究成果。但主要都还是利用m o l d f l o w 或乙m o l d 等商业化流动模拟软件所提供的设计平台与相关第一章绪论工具箱，在设计注塑制品时，进行熔体流动分析与缺陷分析。不过这些软件都是在简化和假设的基础上用有限元分析的方法进行模拟，并且其使用过程还需要经验和专门知识。同时，由于高分子材料的多样性，使其特性相去甚远，各种塑料制品的形状千姿百态，应用领域千变万化，加之新型材料的不断涌现等诸多原因，使得注塑系统中许多问题很难用传统的定量模型来描述，建立其精确的数学模型非常困难甚至是不可能。尽管流变学理论从不同侧面对高聚物的粘度、剪切特性、流动性、可模塑性等方面进行了多角度的分析，然而这种分析往往只是在很小的范围内适用，并且常常只有在作了大量的简化和假设之后，才有可能做出一些简单的模拟的近似解，而这种近似解在材料的更换、甚至注塑机上的某个阻力元件( 如喷嘴、模具等) 更换的情况下都将引起全部过程的重新求解1 3 3 1 。注塑过程是一个多变量、分布参数、非线性、强耦合的复杂大系统，注塑系统中许多问题都很难用传统的定量模型来描述，建立起精确的数学模型是非常困难甚至是不可能的。考虑到神经网络在多变量非线性系统上具有的优点，近年来，国内外已有很多学者将神经网络应用到注塑参数的设定上。g h c h o i 3 4 】以性能指标的形式将注塑件的质量量化，此性能指标本质上是注塑件两个几何特性的函数，通过最小化性能指标就可以得到一系列的优化注塑过程参数。s u z a n n el b w o l l 等【3 5 j 6 1 人利用人工神经网络中的b p 网络，以模腔压力为样本输入，网络经训练后可实现对注塑件质量实时的控制。在国内，已有学者t 3 7 j n 用神经网络，并结合遗传算法、模糊控制、专家系统等手段，实现对注塑制品的重量、飞边和均匀度等质量缺陷的预测。尼龙6 蒙脱土纳米复合材料注塑制品熔接线的形成，以及熔接区域力学性能与注塑参数之间的关系同样也都是复杂的过程，涉及到多个过程变量之间的相互影响。目前，应用的较为普遍的m o l d f l o w 等软件也只是能够预测熔接线出现的位置，对于预测熔接区域的力学性能，则显得软弱无力。而神经网络具有大规模并行、分布或存储和处理、自组织、自适应和自学习能力，特别适用于需要同时考虑许多因素和条件的、不精确的以及模糊的信息处理问题。因此，将神经网络理论应用于注塑参数对尼龙6 蒙脱土纳米复合材料注塑件熔接区域强度影响的研究可望取得很好的效果。郑州大学硕士学位论文1 4 本课题研究的意义和主要研究内容熔接线的存在不仅大大影响了注塑件的表面质量，更重要的是，由于熔接线的形态和结构不同于注塑件的其他部分，使得熔接线的力学性能如拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率都大大低于注塑件的其他部分。并且，注塑制品熔接线强度损失的大小依塑料材料和加工参数的不同而不同。很明显，在注塑件强度设计时，应该选用熔接区域材料的力学强度作为设计标准。正式出于这种实际的要求，熔接线对材料力学性能影响的研究一直是塑料成型加工研究中一个相当活跃的领域。对于热塑性塑料的熔接线问题，国内外已经做了不少的研究工作，而对于聚合物蒙脱土纳米复合材料熔接区域强度的影响因素的研究还不多见。另外，目前常用的各种辅助设计软件，尽管可以模拟预测熔接线出现的位置，但是它们不能够明显的显示熔接区域的强度和表观特征【3 8 】。针对某一特定的注塑机，注塑制品的质量主要由以下三个因素决定：聚合物类型、模具设计和注塑参数。具体到某一注塑过程，前两个因素都是固定的，只有注塑参数可以由操作者根据注塑情况和经验知识进行调整。因此，对于特定物料( 尼龙6 蒙脱土纳米复合材料) 及模具而言，如何通过工艺( 注塑) 参数的调节，尽可能的改善制品熔接区域的质量，或者说在物料及模具确定的情况下，注塑工艺参数与尼龙6 蒙脱土纳米复合材料注塑制品熔接区域的力学性能有何定性、定量的关系呢? 上述问题正是本文研究的主要目的。近年来兴起的人工神经网络善于解决需要同时考虑许多因素和条件的、不精确的以及模糊的复杂问题。本文拟研究不同注塑工艺参数( 模具温度、熔体温度、注射速度和保压压力) 与尼龙6 蒙脱土纳米复合材料注塑制品熔接区域力学性能( 拉伸强度) 之间的关系，希望能够利用神经网络方法，预测各个工艺参数对尼龙6 蒙脱土纳米复合材料注塑制品熔接区域拉伸强度的影响，为尼龙6 蒙脱土纳米复合材料注塑制品的生产提供理论和实践的指导。本文具体拟研究的内容包括以下几个方面：1 对于纯尼龙6 和含有5 蒙脱土的尼龙6 蒙脱土纳米复合材料，对比研究单个工艺参数( 熔体温度、模具温度、注射速度和保压压力) 对这两种材料具有熔接线试样和无熔接线试样拉伸强度的影响趋势，并分析其机理。第一章绪论2 利用正交试验设计方法，分析模具温度、熔体温度、注射速度和保压压力四个工艺参数对尼龙6 蒙脱土纳米复合材料具有熔接线和无熔接线试样拉伸强度的影响程度，预测最优的拉伸强度和工艺条件。3 利用正交试验设计方法，通过试验获取2 5 组试验样本数据，然后根据试验样本数据对神经网络进行训练，建立神经网络模型，得出具有熔接线尼龙6 蒙脱土纳米复合材料注塑制品的拉伸强度与影响熔接线拉伸强度的四个注塑工艺参数( 模具温度、熔体温度、注射速度和保压压力) 之间的定量数值关系。郑州大学硕士学位论文第二章理论基础2 1 熔接线理论2 1 1 熔接线的形成机理在注塑成型过程中，当采用多浇口或型腔中存在孔洞、嵌件以及制品厚度尺寸变化较大时，塑料熔体在模具内会发生两个方向以上的流动，当两股熔体相遇时，就会在制品中形成熔接线( w e l dl i n e ) ，并且熔接线现象并非注塑成型特有，其他的塑料成型加工中如反应注射、吹塑、压铸等也会遇到熔接线问题。尽管熔接线是在模具充填过程中形成的，但它们的结构、形状和性质与整个注塑成型过程有关。我们可以根据交汇角( 图2 1 ) 把它们分为熔接线( w e l dl i n e ) 和熔合线( m e l dl i n e ) p g 。按产生方式的不同，熔接线可分为热熔接线( h o tw e l dl i n e ) 和冷熔接线( c o l dw e l dl i n e ) 4 0 。当注塑件体积或尺寸较大，为缩短注塑时问，常采用多注入口的方式注入熔体，当两股面对面流动的熔体相遇后，不再产生新的流动。这时所产生的熔接线称为冷熔接线( 图2 - 2 a ) ；当熔体流动中碰到障碍物( 如嵌件) 后，分成两股或多股熔体，绕过障碍物，分开的熔体又重新汇合并继续流动，这时所形成的熔接线称为热熔接线( 图2 - 2 b ) 。( a ) 熔体相遇p m l i n e 6护( b ) 形成熔接线( c ) 形成熔合线图2 - l 熔接线和熔合线f i g 2 1w e l dl i n ea n dm e l dl i n e熔接线w e l d l i n oaba 两浇口形成熔接线b 嵌件形成熔接线图2 2 注塑制件中两种常见的熔接线f i g 2 - 2t w oc o m m o nc a u s eo f w e l dl i n ei ni n j e c t i o nm o l dp a r t s覃眦第二章理论基础2 1 2 熔接线的形成过程熔接线的形成过程可分为以下几个阶段：( 1 ) 当两股熔体前沿尚未汇合以前( 如图2 3a ) ，熔体前沿的压力为零，而前沿的泉涌流动使熔体前沿的分子受到拉伸，前沿的分子链取向平行于流动方向。对于前沿的弧形表面，流动方向和分子取向沿自由表面的法向，它将会影响到界面融合后分子的扩散。同时，由于冷的模壁而形成的冷凝层中，取向被冻结而形成了各向异性结构。( 2 ) 一旦熔体汇合( 如图2 3b ) ，两股熔体初始相切地相遇，继第一次接触后，一种阻滞型流动充满了相邻两壁面的两个楔形区，它进一步伸长了两个前沿的自由界面，这种接触表面变形和相互作用对熔接线影响区强度影响很大。( 3 ) 熔接处分子链的取向由于受挤压作用而垂直于流动方向( 如图2 3c ) 。( 4 ) 由于扩散和分子运动，接触表面的分子链开始松弛、缠结和迁移，由于这种缠结和迁移的结果是为熔接线提供键接强度，因此在熔接处熔体结合强度随着分子链的缠结程度的增加而增加。( 5 ) 在大多数情况下由于滞留在型腔中的空气或在充模过程中产生的挥发物来不及排出而往往会产生v 型缺口( 如图2 3d ) 。_ - _ _ h _ 1 _ _ - _ _ 。”= 三0 z 芝嚣1 2 勺_董哒曼薹薹。芝。羔：# o _ h _ ： - _ ；二o _ _ _ ；_ _ ；= _ _ p n _ _ _ _ _ _ ，一_ _ _ _ ，_ _ _ _ _ n籼帕 - _ _ 4 、h - 。、_ _ _ 。一a - 熔体流动前沿的泉涌流动；b 一熔体流动前沿的相遇；c 熔接线区域的分子取向；d - 熔接线区域的v 型缺口图2 - 3 熔接线的形成过程a - f o u n t a i nf l o wa tm e l tf 1 _ o n tb - t h et w om e l tf r o n tm e e t m gc -d - t h ev - n o t c ha tw e l dl i n ea r e af i g 2 - 3t h ew e l dl i n ef o r mo 邶c e s s2 1 3 熔接线的结构特点我们说的熔接线，其实是一个区域，它的形态与基体不同，它的宽度有几个毫米，延伸到整个制件厚度，它的强度可以处于1 0 9 0 的原始材料强度。注塑制品熔接线的结构特点( 见图2 - 4 ) 一般认为有以下几点4 1 , 4 2 , 4 3 ：( 1 ) 垂直取向( m o l e c u l a ro r i e n t a t i o n ) 。形成熔接线时，两股流动的熔体相碰撞，妥神郑州大学硕士学位论文使熔体分子链在厚度方向上而不是沿充模主流方向上取向，这种取向消弱了材料沿充模主流方向上的强度。( 2 ) 弱粘结( w e a kb o n d i n g ) 。由于材料松弛时分子链来不及形成足够的缠绕( a a ae n t a n g l e m e n t ) 和扩散( 或不完善的分子缠绕、扩散) 就被凝结，这样就在两熔体间形成弱粘结。( 3 ) 表面v 型槽( v n o t c h ) 。在注塑制品熔接线处，通常会看到像外观缺陷的缺口，这个缺口被称为( 表面) v 型槽。对于v 型槽的形成原因主要有三种看法：模腔空气排放不良所导致；充模阶段未充满所导致；在冷却( 固化) 阶段，由于收缩而形成。一般认为v 型槽在强度破坏中起了应力集中的作用。( 4 ) 其他缺陷。如熔接区域纤维取向发生了不利的变化，或者是模腔中空气排除不畅而形成的空气穴。图2 - 4 熔接线结构示意图f i g 2 - 4s t r u c t u r eo f w e l dl i n e2 1 4 影响熔接线性能的因素一般认为影响熔接线性能的主要因素有三点 4 4 1 ：( 1 ) 熔接线结构对熔接线性能的影响弱粘结、表面v 型槽和垂直取向等熔接线结构特点对熔接线的性能有重要的影响。熔接线的粘结强度是粘结面积和粘结度的乘积，粘结度和粘结面积的提高都有利于熔接线强度的提高；v 型槽对熔接线性能的影响有两个方面：一是在强度破坏中充当了应力集中器的作用，二是v 型槽附近的粘结比中心区更弱；垂直取向强烈影响了材料的塑性变形能力，垂直取向越强，其塑性变形能力越弱。糟第二章理论基础( 2 ) 材料性能参数对熔接线性能的影响在众多材料参数中，影响熔接线结构和性能的首要因素是结晶度。结晶度越高，熔接区域的粘结度就会越高，垂直取向也会越弱，表面v 型槽越轻微。材料的特性温度也是重要影响因素。对不定形和结晶度低的材料来说，粘流温度和玻璃化温度越低，分子链在冻结以前有更多的时间进行扩散，从而有利于粘结度的提高，也有利于垂直取向的松弛，所以对熔接线的强度和韧性都有利。另外，塑性材料的形态、平均相对分子质量和添加剂的种类与用量也是需要考虑的因素。( 3 ) 工艺参数对熔接线性能的影响影响熔接线性能的主要工艺参数包括熔体温度、模具温度、注射速度和保压压力等。提高注塑加工中熔体的温度，可使得分子链在凝结之间有更多的时间和能量来进行扩散，从而有利于提高粘结度，也有利于垂直取向的松弛。但是过高的熔体温度会使熔体在冷却阶段的收缩量增大，使表面v 型槽更严重。模具温度的提高，有利于降低冷却速度，对熔接线的影响和提高熔体温度有相似的结果，不同的是，模具温度的提高可以使熔体在冷却收缩时得到更多的补充。注射速度的提高一方面可以减少熔体在充模阶段的冷却，可提高模腔内熔体的温度；另一方面，注射速度的提高可使垂直取向更严重。保压压力对熔接线的影响较小，可能对分子的垂直取向和分子扩散、缠结有一定的影响，但其影响程度不如其他参数。目前主要通过两种途径来改善熔接线的性能：( 1 ) 通过外部作用改善熔接线区域的混合状况，如g a r d n e r 和h a l l o w e l l 采用往复式钉销、k a 1 1 1 e r 通过增加阀浇口来实现体积收缩动态控制。( 2 ) 通过改变成型工艺条件和模具几何条件对熔接线性能的影响，主要手段包括：通过调整浇口的位置、尺寸或通过降低塑件厚度比，将熔接线置于低应力区和非外观区。增大壁厚以使压力传输更容易。在熔接区设计排气孔以消除气穴，减少v 型槽的深度和斜度。增大浇口和流道尺寸，以减少流动时的约束。郑州大学硕士学位论文2 2 正交试验设计理论正交试验设计方法是一种科学安排试验的方法，它可以在不影响全面了解对象中诸多因素对其性能指标影响的条件下，大大减少试验次数，是经实践证明有巨大效益的一种方法。正交试验的设计安排主要是正交表的设计，然后按正交表安排试验，再根据试验结果进行极差、方差分析等。试验设计