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硕士论文 长玻纤增强反应注射成型质量研究 摘要 长玻纤增强反应注射成型是一项应用前景广阔的聚氨酯塑料成型技术，但在我国尚 处于初级应用阶段，在实际生产中还存在许多工艺问题。本文结合国内某知名汽车内饰 件公司最新引进的1 6 4 0 。型l f i 长玻纤增强反应注射成型生产线，对长玻纤增强反应注 射成型制品的质量问题进行了研究。 ( 1 ) 通过分析长玻纤增强反应注射成型工艺及其特点、聚氨酯制品成型定型原理， 确定了影响成型过程和制品质量的主要工艺参数。 ( 2 ) 分析了生产中制品缺陷的产生原因，提供了各种缺陷的解决措施，为改善制 品质量提供了指导方法。 ( 3 ) 利用模流分析软件m o l d f l o w 对料液的充模过程进行了模拟分析，探讨了充棱 过程中缺陷产生的机理；针对气泡缺陷进行了工艺参数的优化，确定了不产生气泡缺陷 的最佳浇注长度、物料温度和合模时间等工艺参数；通过变更浇注轨迹减少了气穴的数 量，调整了气穴的分布位置，并为浇注轨迹的制定提供了可遵循的原则。 ( 4 ) 利用m a t l a b 软件完成对p u 体系固化冷却过程的数值计算和分析，得到体 系温度和反应程度的变化规律；对工艺参数的影响进行分析，结果显示模具温度对p u 制品成型影响最大，设置高的模具温度能得到优良的表面质量，并有效缩短脱模时间。 关键词：长玻纤增强反应注射成型，聚氨酯，模流分析，固化冷却 a b s t r a c t l o n gf i b e rr e i n f o r c e dr e a c t i o ni n je c t i o nm o l d i n g ( l f i ) ，a sap r o c e s sf o rp r o d u c i n g p o l y u r e t h a n e ( p v ) p r o d u c t s ，h a sj u s tb e e na p p l i e di no u rc o u n t r yi nf e wy e a r s ，a i l dm a n y t e c h n o l o g yi s s u e sh a v en o tb e e nr e s o l v e d c o m b i n e dw i t ht h ec o m p a c t16 4 0w i t hl f iu n i t i n t r o d u c e db yaw e l l - k n o w na u t o m o t i v ei n t e r i o rc o m p a n y r e c e n t l y , q u a l i t yp r o b l 啪so f 也e p up r o d u c t so nl f lw e r es o l v e d 1 ) b ya n a l y z i n gl f ip r o c e s sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp uf o r m i n g ，t h em 如p r o c e s s p a r a m e t e r si m p a c t i n go nt h eq u a l i t yo fp r o d u c t sa n d p r o c e s so ff o r m i n gw e r ed e t e l l n i n e d 2 ) t h er e a s o n sf o rd e f e c t i v ep r o d u c t si np r o c e s sw e r ea n a l y z e d ，a n d s o l u t i o no f d e f i c i e n c i e sw e r ep r o v i d e d ，s ot h a ta d v i c e sf o ri m p r o v e m e n to f t h eq u a l i t yo f p r o d u c t sw e i | e g i v e n 3 ) b ys i m u l a t i n ga n da n a l y z i n gt h el i q u i di n j e c t i o np r o c e s sw i t hm o l d f l o w - f l o wa n a l y s i s s o f t w a r e ，t h et r u t ho fd e f e c t sa p p e a r a n c ew a sd i s c o v e r e d 。t oa v o i da i rb u b b l e so nt l l e p r o d u c t s s u r f a c e ，o p t i m i z a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r sw a sd o n e t h eb e s tp o u r i n g1 e n g t h ， m a t e d a l t e m p e r a t u r ea n ds h u t t i n gt i m ew e r eo b t a i n e d t h r o u g hc h a n g i n gp o u r i n g 锄c k ，t h e n u m b e ro fa i rp o c k e t sw e r er e d u c e da n dt h e i rl o c a t i o nw e r el o g i c a l t h ep r i n c i p l e st o s e t p o u r i n gt r a c kw e r eg i v e na f t e r w a r d s 4 1 b ys i m u l a t i n gp uc u r d l i n ga n dc o o l i n gc o u r s ew i t hm a t l a b t h el a w so f t e i ：n p e r a t u r ea n dr e a c t i o ne x t e n tw e r ek n o w n t h ea n a l y s i so ni m p a c to ft e c h n i c a lp a r a m e t e r s s h o w st h a t ，t h em o l d t e m p e r a t u r ei st h ek e yp a r a m e t e ri m p a c t i n go np uf o r m i n g m e nt h e t e m p e r a t u r eo fm o l d si sh i g he n o u g h ，t h ep r o d u c t sw i l lh a v ee x c e l l e n tg u r f a c eq u a l i t ya n d s t r i p p i n gt i m ew i l lb er e d u c e d k e yw o r d s ：l f i ，p u ，m o l df l o wa n a l y s i s ，c u r d l i n ga n dc o o l i n gc o 怎e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：埠 抄子年石月彳日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：毕少谚年石月名日 硕士论文长玻纤增强反应注射成型质量研究 1 绪论 1 1 课题研究的意义 近年来，随着人们生活水平的不断提高，汽车在我国的需求量不断增加，汽车的年 产量也在逐年增加。汽车工业属我国制造业的支柱行业，我国汽车工业近年的快速发展， 带动了配套行业的发展。在整车部件中，汽车内饰件与驾驶员和乘客直接接触，其美观 与舒适度以及力学性能要求不断提高，汽车内饰件的生产受到了愈来愈多的关注。 玻纤增强聚氨酯( p o l y u r e t h a n e ，简称p u ) 塑料具有模量高、耐热性能好、线膨胀 系数小等优点，被广泛用于生产汽车内饰部件。目前国内应用较广的玻纤增强聚氨酯成 型方法有增强反应注射成型( r e i n f o r c e dr e a c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n g ，简称r r m ) 和结构 反应注射成型( s t r u c t u r a lr e a c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n g ，简称s r i m ) 两种。这两种成型方 法生产出来的聚氨酯制品能够满足某些汽车部件的性能要求，但是成型方法本身都存在 一些不能克服的缺点。增强反应注射成型存在玻纤尺寸、填充量受限和设备寿命较短等 不足，结构反应注射成型存在生产效率低和成本高等问题，这些问题的存在限制了玻纤 增强聚氨酯塑料的应用范围。 长玻璃纤维增强反应注射成型工艺( l o n gf i b e rr e i n f o r c e dr e a c t i o ni n j e c t i o nm o l d i n g ，简称l f i ) 是k x a u s s m a f f e i 与c a n n o n 等公司近年来成功开发的一种新型增强聚氨 酯塑料的成型工艺。l f i 不仅在产品性能上保持了r r i m 和s r i m 产品的优良特性，而 且克服了这两种成型方法本身存在的缺点，对玻纤增强聚氨酯塑料的推广将起到巨大的 作用，汽车内饰件设计者可以利用该技术开发更多种的汽车部件，如车门板、行李箱托 盘以及轻型卡车的外壳等。 国内某知名汽车内饰件公司于2 0 0 7 年引进l f i 技术。在技术应用的初期，产品的 质量出现较大的波动。稳定的产品质量是工艺技术的应用和推广的前提，因此对l f i 质 量研究是十分有必要的。对l f i 质量进行研究，不仅可以改善产品的各项性能，而且对 l f i 的成型机理能有更透彻的理解，对我国的玻纤增强反应注射成型技术水平的提高和 l f i 技术的推广都能产生巨大的作用。 1 2 玻纤增强反应注射成型技术的研究概况 由于l f i 工艺投入应用的时间尚短，因此针对性的研究并不多。国内外的研究多集 中在玻纤增强聚氨酯材料的增强机理和破坏机理方面，少数学者对l f i 工艺参数对产品 质量的影响做了试验研究，但没有涉及机理分析。因此在对l f i 技术进行研究时，有必 要借鉴反应注射成型方面的文献，将反应注射成型的研究成果应用到对l f i 的研究中， 1 绪论硕士论文 达到对l f i 质量问题的把握。 在工艺参数对制品质量的影响方面，杜俊超等人做了相关的研究。杜俊超等【1 通过 单因素试验研究分析出物料温度、模具温度和脱模时间等工艺参数对制品外观性能影响 较突出；王伟明等【2 】通过试验研究，分析出充模时间和原料温度是反应注射成型的可控 工艺参数；蔡洪能等在玻璃纤维增强树脂基复合材料弯曲强度时间温度相关性的研究中 提到，聚合物材料的力学性能具有时间温度相关性，不但是时间的函数，也是温度的函 数；彭伟等【3 】针对排气对注射成型过程的影响和排气槽参数的选择做了理论研究，认为 滞留于模腔中的气体在充模过程中对熔体产生反压力，该压力可能使塑件出现缺料和烧 焦现象；任世杰等【4 】对r i m 充模过程中气泡卷入现象进行分析，通过对r i m 冷态充模 模拟，考察了充模过程中各种气泡的形成过程，认为对气泡缺陷的分析应分为大气泡和 小气泡两类。 影响r i m 制品质量的因素很多，一个重要的方面在于注射材料在模腔内的流动充 模情况，料液充模情况的好坏，将直接影响到制品的性能质量。国内外学者对r i m 过 程中的注射材料在模腔内的流动充模状况进行了相关研究。a j m a t e u s 5 】对r i m 中流体 的流动状态与温度进行了模拟分析与试验验证；d o n g j i n 6 】建立了p u 的r i m 流动填充理 论模型与数值模拟模型，模拟结果表明，初始流入部分的密度与热传导率比较低；n i t i n r 【7 j 对r j m 过程中流体的速率、压力、温度分布等进行了比较全面的有限元模拟分析； r i c a r d oj 【8 】则对r i m 过程中流体的动态特性、混合过程及化学反应进行了模拟分析；申 长雨等【9 】为r i m 工艺充模数值模拟提出研究方向，认为树脂流过纤维毡片的复杂机理可 通过d a r c y 定律来进行理论性的描述，用控制体积有限元计算型腔内的压力分布；郑州 工业大学的刘春太等人 1o j 也基于注塑熔体数学模型，利用有限元方法对注塑熔体的流动 过程进行了模拟；任世杰等【】l 】采用混合数值方法对三维r i m 充模过程进行了数值模拟， 模拟结果显示相对于模腔中部，模腔两侧的壁面对温度和转化率的分布影响较大。可见 在对r i m 的流动分析方面，国内外研究大多还是采用数值模拟方法。随着近年来计算 机技术的快速发展，目前m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w 软件已经可以用于r i m 的三 维分析，但只能进行充模流动分析。 r i m 工艺中化学反应对制品的质量会产生很大的影响，国内外学者通过对聚氨酯成 型机理方面的研究也得到了可喜的成果。刘剑洪等【1 2 】利用化学方法对聚氨酯合成反应动 力学进行研究，提出了两种研究聚氨酯合成反应动力学的理论模型，为聚氨酯的分子设 计提供了动力学理论模型。k i mj h 等【1 3 】与潘碧莲等【1 4 】结合r m 工艺的开发研究，采 用绝热法研究r i m 聚氨酯体系快速反应动力学，为r i m 工艺的开发提供了必要的动力 学数据。王伟力等【l5 】通过建立聚氨酯发泡过程的模型，模拟发泡历史，探讨相关影响因 素，从理论上预报硬质聚氨酯模塑体的密度及分布。华东理工大学的韩俊【l6 】对聚合物微 孔发泡过程及泡孔结构优化进行了研究，得出发泡条件对泡孔结构的影响规律。此外， 2 硕士论文长玻纤增强反应注射成型质量研究 王伟力1 7 1 、陶四平 1 刚、仇勇辉 19 】等运用数值模拟技术对r i m 聚氨酯反应体系的固化和 温度进行研究，分析了催化剂浓度、反应物料温度、模具温度等参数对最大温度和固化 程度的影响，为最大温度的控制提供了依据。 。总的来说，在国内，国家自然科学基金虽然从九五期间就开始对相关技术进行资助， 但工艺技术的系统研究由于缺少硬件支撑目前大多还停留在理论研究阶段，反应成型的 工业化水平也只停留在国外上世纪八十年代的水平。而国外发达国家虽然在r i m 领域 的研究比较成熟，但针对增强反应注射成型的研究还不是很充分，如针对增强反应注射 成型中流体流动充模特性的研究就很少。而l f i ，作为一种新工艺，在工艺机理的研究 方面更存在很多不足。因此，有必要对长玻纤增强反应注射成型工艺从理论和技术角度 进行系统研究，对提高我国增强反应注射成型工艺技术水平，推动新工艺的推广将产生 巨大的作用。 从以上综述可以看出： ( 1 ) 许多研究学者对塑料制品的质量研究大多是针对热塑性塑料开展的，仅有少 数针对热固性塑料制品质量的研究，但内容单一，目前对l f i p u 制品尚没有全面的质 量问题研究。 ( 2 ) 国内外对于l f i 工艺的研究很少，虽然提出了影响制品质量的因素和规律， 但都是通过试验总结的定性结论，缺乏理论依据。 ( 3 ) 目前m o l d f l o w 软件是进行塑料制品和模具设计、工艺参数优化的有利工具， 但是对于l f i - 1 - 艺中料液进入模腔的浇注形式，还没有应用的先例。 ( 4 ) p u 体系的固化冷却过程是影响制品质量的一个重要阶段，目前的研究对 r i m p u 的固化冷却机理虽然比较成熟，但是缺乏与实际应用的联系，无法直接用于指 导实际生产。 1 3 论文的研究内容 。 基于上述原因，论文拟以国内知名汽车内饰件公司最新引进的德国k r a u s s m a f f e i 公司的1 6 4 0 型l f i 长玻纤增强反应注射成型生产线为背景，从l f i 制品成型机理、l f i 充模流动过程和p u 体系的固化冷却等方面对l f i 工艺应用过程中出现的制品质量问题 进行较为系统的研究，以解决企业生产中存在的制品表面气泡多、气穴多等问题，为工 艺参数的选取提供指导，为生产的顺利进行做贡献。 论文的主要研究内容： ( 1 ) 分析l f i 工艺 分析l f i 长玻纤增强反应注射成型的工艺原理、生产过程、化学反应原理、塑料的 成型定型原理和成型的主要影响因素。 ( 2 ) 分析l f i 制品生产中常见质量问题 3 1 绪论硕士论文 通过对生产现场的观察，分析l f i 制品缺陷产生的原因，提出相应的解决措施。 ( 3 ) 用m o l d f l o w 对l f i 充模流动过程进行模拟分析 应用m o l d f l o w 软件m p i 模块对l f i 充模过程进行模拟，分析影响制品缺陷的产生 机理，针对各类缺陷进行工艺参数研究，确定可控工艺参数对制品质量的影响规律，为 实际生产提供有用的信息。 ( 4 ) 用m a t l a b 编程对p u 体系固化成型过程进行数值计算与分析 推导聚氨酯体系固化冷却过程的数值模拟方程，应用m a t l a b 软件对体系固化冷 却过程进行数值计算，分析各因素的影响规律，对固化冷却过程中出现的制品质量问题 提出解决方法，确定合理的工艺参数。 4 硕士论文长玻纤增强反应注射成型质量研究 2 长玻纤增强反应注射成型工艺 本章将具体分析l f i 的工艺流程、产品生产流程、化学反应原理及成型的主要影响 因素。 2 1 工艺流程 p u l f i 成型原理如图2 1 1 所示。原料以液体状态经计量泵以一定的配比送入混合 头混合，同时在出料管终端加入由一台纤维切碎机切成一定长度和含量的玻璃纤维，混 合均匀后混合物注入模具后在模具内进行快速反应并进行交联固化，脱模后即为泡沫塑 料制品。 图2 1 1p u - l f i 原理图 ( 1 ) 原液的贮存和计量 异氰酸酯和多元醇两种原液在一定温度下贮存在原液贮槽中，因此需要对原液贮槽 进行加热。聚氨酯反应注射成型用原液温度一般为2 0 , - - 4 0 ，温度控制精度为l 。因 为定量泵吸入原液时具有一定的压力，所以原液通常在o 2 o 3 m p a 的低压下循环。原 液喷出时，则经原液循环低高压转换装置转换成设定的高压喷出。原液的计量用液压定 量泵进行计量输出。为严格控制注入模腔进行反应的各原液的正确配比，要求计量精度 至少为1 5 ，最好控制在1 左右。另外，为防止原液在贮槽中冷却结晶，通常利 用一台搅拌器对原液搅拌。 ( 2 ) 混合 在反应注射成型中，产品质量在很大程度上直接取决于混合质量。所以，混合是反 应注射成型中最重要的环节，也是反应注射成型方法研究的重点。由于l f i 成型是在原 液混合的同时加入已切断的玻璃纤维，因此混合是决定产品质量的最关键环节。l f i 的 原液混合方式与传统r i m 相同，是通过高压注入，将原液的压力能转换成动能，使各 组分获得很高的速度并相互撞击，由此产生强烈的混合。所以，即使所用配方要求的组 2 长玻纤增强反应注射成型工艺 顿士论文 分泵送量相差悬殊，仍可获得均匀的反应混合物。与传统r i m 不同的是玻纤的加入方 式，传统r i m 成型中玻纤或者提前加入到一种组分原液中，或者制成玻纤毡铺在模腔 中而l f i 成型中玻纤是在混合头中直接与原液混合物相混合。混合方式是连续玻纤被 “吃”进纤维切碎机内，通过一个旋转的带刀片的辊子与一个橡胶辊子接触向下切断， 纤维由此进入一个向下的中心管，管的顶部位于混合头内，纤维在出料口处被泵入的反 应混合物浸渍、混合。 ( 3 ) 注模 l f i 中注模方式有别于传统的注射成型方式，它不需要传统意义上的浇口、流道等 结构，而是通过一种受控制的方式将原料浇注到开启的模具内，如图212 所示。混合 头被固定到机械手上机械手通过电脑程序控制在模腔上方移动，通过开口浇注法把长 玻璃纤维和p u 物料浇注在模具型腔表面，l f | 中开口浇注法的充模方式的优势在于： 因控制精确，可避免因浸润不良而产生空隙，适用于形状复杂的大型汽车部件加工，并 可减少废料】；理想状态下可以避免玻纤分稚的不均匀现象；在原料喷涂结束后再闭合 模具，由于原料在合模前己分散在模具的各个位置因此台模时原料的流动距离不会太 长即可与周围原料相遇：反应注射成型中塑料材料发生化学反应而非单纯的物理变化， 因此不产生熔接痕。这种注模方式的不足在于：当原料粘度较小或模具结构起伏面较大 时，原料无法按照预想的状态停留在模具各部位，而是滑落到模具结构较低处，这样声 模具合模时，该处原料仍需像注射成型那样经过较长距离的流动充满模具型腔；由于 l f i 反应物粘度较低，这样的充模情况将可能导致夹带空气进入模具，井会产生充模的 不稳定性。 图2 12 开口浇注法注模方式 ( 4 ) 反应固化 反应固化过程在反应成型中尤为重要在此过程中，原料发生复杂的化学反应，包 括发泡反应、聚合反应和交磋反应等，反应生成的气体，经成核、膨胀后被交联度提高 的物料包围并逐渐冷却成型，形成泡沫塑料。这个阶段是一个温度变化颇大的阶段，也 是影响制品质量的关键阶段，对该阶段可控工艺参数的研究是十分必要的。 ( 5 ) 冷却 6 硕士论文长玻纤增强反应注射成型质量研究 反应固化定型后仍需要一定的冷却时间以达到脱模强度及应力的均衡，冷却时间长 短与物料特性有关，不同的原料需要的冷却时间长短不一。对于p u l f i ，冷却时间较 短，一般只需要几分钟。 ( 6 ) 脱模 当制件的温度下降到一定程度而且具有足够强度时就可以进行脱模了。脱模主要依 靠相应的脱模机构来进行。对于中、小型制品，一般采用手工或机械脱模，对于大型及 形状复杂的制品多采用机械顶出机构完成脱模工序 2 0 】。 ( 7 ) 修饰 修饰就是制件在脱模后进行相应的后处理步骤。如模具密封不好时容易产生飞边， 就需要去除，当制件的性能要求比较高时脱模出来之后还要进行热处理。 需要说明的是，本论文研究的汽车内饰件生产过程中，为了达到产品的性能要求， 在注模前需要进行以下的准备工作：( 1 ) 紧贴凹模型腔表面铺设表皮，该步骤是为达到 制件外表面美观的目的，该表皮由真空吸皮成型机加工制得，聚氨酯发泡成型后与该表 皮粘接在一起构成汽车内饰件的完整结构；( 2 ) 在凸模表面放置金属嵌件，嵌件通过磁 力贴附在指定位置上，以加强局部强度和形成螺纹结构。 图2 1 3l f i 工艺生产流程示意图 图2 1 3 是p u l f i 的生产流程示意图。主要加工设备为德国k r a s s m a f f e i 制造的 r i m s t a rl f i 成型设备。 7 2 长玻纤增强反应注射成型工艺 硕士论文 2 2 基本化学反应 聚氨酯，全称聚氨基甲酸酯，简称p u ( 是p o l u r a n 的缩写) ，它是一类主链含有 d 较多氨基甲酸酯基( 一n h c 1 1 一o 一) 的高分子化合物。它一般先由聚酯、聚醚、聚烯烃 等齐聚物多元醇与多异氰酸酯反应形成带异氰酸酯端基的预聚物，然后再与二醇或二胺 类化合物逐步加成聚合而成【2 1 】。 聚氨酯双组分液体反应成型工艺的机理简述： d 凝胶反应一+ o h n c 一0放热反应 ( 2 1 ) 发泡反应 一n c o + h 2 0 专埘，+ c d 吸热反应 ( 2 2 ) 完整的反应机理还有交联反应。因此，聚氨酯泡沫塑料的成型是一个非常复杂的过 程，涉及到多个化学反应及传热传质问题。在设计制品成型工艺过程中，如何运用及控 制好这两项反应的热平衡条件十分重要。该反应机理可以这样理解：无机化学中，酸和 酯中和反应生成盐和水；有机化学中，醇和酸进行酯化反应生成聚氨酯( 氨基甲酸酯) 和气体( c 0 2 ) 。异氰酸酯( n c o ) 带弱酸性，聚酯多元醇或聚醚多元醇( o h ) 带弱碱 性。凝胶反应与发泡反应的速度，可通过催化剂来调节控制，也可通过料温、模温、环 境温度进行一定的调节控制。泡孔的均匀度可通过匀泡剂调节【2 2 。泡孔的多少与大小可 通过外加发泡剂来调节，通常泡沫生长所需气体来源有两种：低沸点物理发泡剂( 如氟 利昂) 受热气化或者由化学发泡剂( 水) 与异氰酸酯反应生成c 0 2 气体。氟利昂虽然是 很好的物理发泡剂，但其对环境的破坏性很强，1 9 8 7 年蒙特利尔议定书规定，由于 氟氯烃破坏大气臭氧层被禁止生产和使用，所以目前开发了多种无氟发泡技术，包括全 水发泡、二氧化碳发泡、环戊烷发泡、变压真空发泡等。 在聚氨酯泡沫塑料的实际发泡过程中，采用的配方主要由表2 2 1 所示的原料组成，各 组分在发泡成型中的作用也已给出【2 3 1 。在纤维增强聚氨酯泡沫塑料的成型中，还需加入 玻璃纤维，玻璃纤维起到增强聚氨酯制品各项力学性能的作用，从而生产出力学性能高、 密度小的零件。 表2 2 1聚氨酯泡沫塑料发泡配方原料及作用 原料名称 主要作用 多元醇主反应原料 异氰酸酯主反应原料 水链增长剂，同时也是发生二氧化碳气泡的原料来源 交联剂提高泡沫的机械性能，如弹性等 硕士论文长玻纤增强反应注射成型质量研究 原料名称主要作用 催化剂催化发泡及凝胶反应 泡沫稳定剂使泡沫稳定，并控制孔的大小及结构 发泡剂汽化后作为气泡来源并可移去反应热，避免泡沫中心因高温而产生“焦烧” 防老剂提高热、氧老化、湿老化等性能 阻燃剂 使泡沫塑料具有阻燃性 颜料提供各种色泽 2 3 聚氨酯泡沫塑料成型定型原理 在聚氨酯泡沫塑料的成型过程中，在塑料的混合液体中要出现大量均布的气泡，气 泡还要经历膨胀和固化定型的过程，该过程将受到成型工艺的影响。气液相并存的体系 常常是极不稳定的，气泡出现后可能膨胀，也可能塌陷。影响气泡出现、膨胀和塌陷的 因素很多，这些影响因素又常常相互交错影响，因此聚氨酯泡沫塑料的成型难度比不发 泡塑料的成型难度要大得多。聚氨酯泡沫塑料的成型过程要经历三个阶段：形成气泡核， 气泡核的膨胀和泡体的固化定型等。各个阶段的成型机理不同，对塑料的成型定型过程 影响也不同。气泡核的形成阶段对泡体中泡孔的密度和分布情况起着决定性的作用，气 泡的膨胀阶段直接影响泡体的几何形状和结构，而泡体的膨胀结果能否巩固则直接取决 于开始固化阶段的时机和固化的速度。由于发泡成型各个阶段存在不同的机理和要求， 因此在研究分析发泡成型机理时必须分段进行，下面对各个发泡阶段的机理进行分析 2 4 】 o ( 1 ) 气泡核的形成过程 聚氨酯泡沫塑料的成核方法是混合直接形成气泡核，它的发泡剂是用低沸点液体和 反应中产生的c 0 2 。原材料( 包括发泡剂) 在混合头中强烈混合均匀浇注发泡成型时， 发泡反应过程产生气体，同时缩聚反应过程使溶液的粘弹性逐步增加，使它有足够的强 度包住气体，形成大量的气泡。随着发泡反应的进行，产生出更多的气体，使气泡核继 续膨胀，形成发泡倍数较大的泡体。随着缩聚反应的继续进行，树脂溶液逐渐失去流动 性，使泡体固化成型。成核的效果取决于气液相混合的效果、发泡反应的速度与树脂溶 液缩聚反应的速度相互匹配【2 5 】。 ( 2 ) 气泡的膨胀过程 气泡的膨胀阶段紧接在气泡核的形成之后，此时气相已经形成，膨胀的动力来自气 泡内压，阻力是聚合物熔体或液体的粘弹性和外压。粘弹性是影响膨胀阶段的重要因素， 过大会使气泡膨胀阻力过大，不利于气泡的膨胀，过小又会使气泡膜没有足够的强度包 住气体，造成气泡的破裂。因此要控制气泡的膨胀阶段，必须了解影响气泡膨胀动力和 阻力的各种因素及它们之间的关系。式( 2 3 ) 【2 6 】是c d h a r t 等人提出的反映气泡膨胀 o 2 长玻纤增强反应注射成型工艺硕士论文 的数学模型。 p 哇帮埘m 一等一孕矿呵鬈端 h 器出1 3 0 ，o p 办 1 i l 卜 p ( 日) - - r 。r ( h ) 】 该式的物理意义如下，等号的左边第一、二项分别表示气泡膨胀的速度和加速度； 等号的右边第一项表示气泡内的压力，它是气泡膨胀的动力；第二项表示表面张力的影 响，它是气泡膨胀的阻力；第三项是气泡膨胀时熔体的阻力，其大小与q o ( 熔体的粘度) 、 九值 应力松弛时间) 以及熔体的弹性有关，当n o 大时气泡膨胀遇到熔体的粘滞阻力大， 膨胀速度因此而减慢，当九大时，则气泡由于熔体的弹性而使膨胀阻力减小，有利于使 膨胀速度加快；第四项是熔体中初始应力h ( 0 ) 引起的气泡膨胀阻力，初始应力指的 是刚浇注时塑料熔体中所存在的残余应力，它使气泡膨胀速度减慢，其影响与第三项中 九的影响效果相反；第五项即最后一项是熔体作用在模壁上的正压力。以该方程为依据 可以找出各参数对气泡膨胀的影响【27 1 。 ( 3 ) 气泡的稳定和固化过程 多数气液相并存的体系都是不稳定的，已经形成的气泡可以继续膨胀，也有可能合 并、塌陷或破裂，这些情况的出现主要取决于气泡所处的条件。引起气泡合并、塌陷和 破裂的原因是多方面的，根据气泡在熔体中的平衡关系可知，当熔体中溶解气体的分压 力增大时，气体就会向气泡中扩散，使气泡膨胀。当该分压力过大时，熔体中的气体向 气泡内扩散的速度太大，则会导致气泡膨胀速度过快，使熔体的弹性不足以支撑膨胀的 负载，最终使气泡破裂 2 8 】。 聚氨酯塑料作为一种热固性塑料，其发泡成型与缩聚反应是同时并进的，随着缩聚 反应的进行，增长的分子链逐步网状化，反应液体的粘弹性逐渐增加，后又逐渐失去流 动性，最后反应完成，达到固化成型。泡体的固化是分子结构发生变化的结果，因此， 要提高固化速度，应加速缩聚反应，加速使分子结构网状化的速度。因为聚氨酯泡沫塑 料的粘弹性和流动性取决于分子结构交联的程度，因此气泡的膨胀和固化的速度必须与 聚合物缩聚反应的程度相适应【2 4 】。 2 4 工艺条件 长玻纤增强反应注射成型聚氨酯泡沫塑料的基本成型原理是原料组分发生多种化 学反应从而形成一种交联度高的聚合物与稳定均匀泡体的合成结构。在成型过程中，工 艺条件的设置对产品的质量有很大影响。工艺条件由工艺参数的设置所决定，以下是对 成型影响较大的几个工艺参数。 ( 1 ) 原料温度 1 0 硕士论文 长玻纤增强反应注射成型质量研究 原料温度指的是料液在浇注时刻的温度，它受贮存温度的影响，由于采用自动化程 度高的设备时料液需要经过较长的管道传输，因此也受环境温度的影响。物料的贮存温 度由材料特性所决定，本课题研究的聚氨酯组分之一的异氰酸酯的结晶温度为1 5 ，因 此贮存温度要高于该温度。为了便于控制以及顺利进行生产，通常聚氨酯原料的浇注温 度与室温差距不大，应控制在2 3 2 8 。 原料温度对成型工艺的影响主要表现在充模流动和反应固化两个过程中。在充模流 动过程中，原料温度的波动会引起物料粘度的变化，过高的原料温度会引起粘度的下降。 粘度低的料液在流动时易产生紊流，卷入气泡，而且容易沿模具表面泄漏，不易开设排 气孔。在反应固化过程中，料温通过对气体在熔体中扩散系数、溶解度以及对熔体粘度 的影响，进而影响反应的快慢。料温过高则反应快，在模具中控温困难，而且料温高会 使物料的乳白时间缩短，由此带来操作时间不够的问题；而料温低则脱模慢，制品表面 粗糙、后熟化时易起包变形【2 3 1 。因此，在生产中应保证物料温度的稳定，波动不应超过 1 。在设置成型工艺条件时，原料温度是一个重要的工艺参数。 ( 2 ) 模具温度 在长玻纤增强反应注射成型中，模具温度也是个重要的工艺参数。模具的温度一 般通过循环水控制，温度误差需控制在2 。如果控制不当，不仅影响成型周期，而 且还对制件密度、表层厚度及尺寸稳定性都会产生不良的影响。若模温不均匀，可能引 起制品翘曲变形。 模具温度对反应速度的影响较大。长玻纤增强反应注射成型聚氨酯制件有一层密度 较大的表层，表层厚度和质量将会影响制件的力学性能及表面质量。这层密实的表层是 发泡剂与模具热表面接触后泡孔经挤压塌泡所形成的密实层，通常厚度为1 1 5m r l l 。 模具温度是影响这层表层性能的关键因素，模温过低则成型周期延长，生产效率低，并 且表层过厚且发粘，过厚的表层又将降低热传导抑制反应，不宜达到所需的初始强度； 模温过高则表层过薄而多孔，不能满足表面平滑度和上色要求，制件表面易产生痕迹【2 3 1 。 因此，对反应固化过程的研究中，模温是一个必须加以重视的工艺参数。 ( 3 ) 合模时间 采用开口浇注法浇注时，模具的闭合时间决定料液的流动时间，因此合模时间会影 响到料液在模腔内的流动形态。为了便于后面章节对流动形态的研究，本文中的合模时 间特指从动模接触到原料到模具闭合完成的时间。合模时间的选择主要是要考虑反应的 乳白时间和料液流动形态。对于本文中应用的聚氨酯原料，乳白时间约为5 5 s ，所以从 浇注开始到合模结束的时间应小于5 5 s ，否则物料在流动未结束时即开始发泡，造成料 液粘弹性的迅速上升，从而导致充填不足的缺陷产生。合模时间也不能过短，过短的合 模时间会使料液流动速度加快，易在流动中发生紊流，造成气泡的卷入。 ( 4 ) 催化剂浓度 2 长玻纤增强反应注射成型工艺硕士论文 在所有涉及到化学反应的过程中，催化剂对反应进度影响都是相当大的，催化剂体 系不仅可以加快反应的进度，还可以延长物料的乳白时间，给生产操作留出适当的时间 【2 9 】。因此催化剂的浓度也是一个重要的参数。 ( 5 ) 玻纤的含量 玻纤的加入是长玻纤增强反应注射成型工艺的鲜明特点，玻纤的含量和长度均可以 设置，而且在同一制件的不同位置可以设置不同的纤维含量和长度。在长玻纤增强反应 注射成型工艺中，玻纤的长度可设置为1 2 5 m m 、2 5 m m 、5 0 m m 、l o o m m 不等，实际生 产证明当玻纤长度过长时易引起浸润不良、料液流动不良等问题，因此，通常设置玻纤 长度为1 2 5 m m 和2 5 r n m 。玻纤的含量在工艺参数的设置中没有限制，但当玻纤含量过 大时，同样会引起浸润不良、料液流动不良的问题，因此玻纤的含量不宣过大。 ( 6 ) 脱模时间 在反应注射成型工艺中，充模和反应时间均在短时间内完成，在生产周期中耗时最 长、对生产效率影响最大的即为冷却时间。当反应体系的各参数均确定时，冷却时间也 是确定的，聚氨酯反应注射成型工艺的脱模时间一般在5 m i n 左右。本文中的脱模时间 指的是从物料开始反应到冷却结束，制品强度达到一定程度从而允许脱模的时间。脱模 过早，物料尚未反应完全易造成制品尺寸稳定性差的问题；即使反应已经结束，冷却不 足会使不同位置的温度差异较大，脱模后制品易变形翘曲。脱模时间过长则会延长生产 周期，影响生产效率。 可见整个长玻纤增强反应注射成型工艺涉及到多个工艺参数，从一般工艺研究的思 路看有必要对以上各工艺参数一一研究，但这显然需要借助于诸多实验设备以及耗费大 量的时间，在实际生产时这是不现实的。在对这些工艺参数分析时可以发现它们的影响 主要涉及到成型的两个阶段，即充模阶段和固化冷却阶段。比如合模时间和玻纤含量会 对料液的充模形态产生很大影响，而料温、模温和催化剂浓度则会对固化冷却效果产生 影响。从生产的角度看，目标是在保证制件的质量的基础上取得比较高的生产效率。从 质量角度看，实际生产时引起制件缺陷的主要因素就是料液的充模流动形态和反应的速 度。因此必须对引起制件质量问题的关键阶段即料液的充模过程和固化冷却过程进行详 细的分析，了解这两个过程的特点及控制方式，以解决制件的质量问题。 2 5 本章小结 本章对长玻纤增强反应注射成型工艺作出了详尽的阐述，包括工艺流程、生产流程、 成型原理等方面，并提出了影响成型的主要工艺参数，为接下来的制品质量研究做了很 好的铺垫。 1 2 硕士论文长玻纤增强反应注射成型质量研究 3 长玻纤增强反应注射成型制品的主要缺陷及解决方法 对塑料制品的质量评价主要有三个方面，第一是外观质量，包括完整性、颜色、光 泽等；第二是尺寸和相对位置间的准确性：第三是与用途相应的机械性能、化学性能、 电性能等。这些质量要求根据制品使用场合的不同，要求的尺度也有所不同。 汽车内饰件在质量要求上，往往体现在以下方面：( 1 ) 表面质量要求优良，颜色与 室内环境匹配，且产品表面要求有柔软的手感，表面花纹、光泽自然，产品具有立体效 果；( 2 ) 在发生撞车事故时，内饰件不允许被拆断，因此应具有高韧性；( 3 ) 在强烈的 日光照射下，板件往往被加热到1 2 0 以上，因此还必须具有极好的耐热变形性能和较 高的尺寸稳定性。 通过深入生产现场搜集有缺陷的制品，在导师和工厂工程师的指导下，分析每一个 制品缺陷的特征，对缺陷种类进行了归纳。l f i 制品缺陷共分为三类：( 1 ) 表面缺陷； ( 2 ) 内部缺陷；( 3 ) l f i 成型特有的不良现象。内部质量也称为性质质量，它包括制品 内部的组织结构形态、制品的物理力学性能和与塑料收缩有关的制品尺寸和形态精度； 外部质量主要就是表面质量，它包括表面粗糙度和表观缺陷状况等口叩。本章针对各种缺 陷的特征、产生原因等进行了讨论并提出改善方法。 3 1 表面缺陷 3 1 1 气穴 气穴是指流体波前将模穴内的空气包覆而产生的表面缺陷。它发生在流体波前不同 方向的汇流，或是空气无法从排气孔或嵌件的缝隙逃逸的情况。气穴在制品表面通常表 现为较大的气泡，数量较少，并且分布集中，只在特定的位置出现，如图3 1 1 1 所示。 当气穴数量少于1 0 ，直径小于1 0 m m 时制品可通过后处理进行修复，达到合格产品的 要求，否则即为次品，因此对气穴缺陷的控制是质量研究的重要部分。 图3 1 1 1 气穴 气穴的产生与混在料液中的气体不无关系，在料液注射充填型腔过程中，模腔内除 了浇注过程中混入的气体外，还有浇注轨迹不合理导致的困气等。这些气体如果不能通 3 长玻纤增强反应注射成型制的主要缺陷及解决方法硕士论文 过排气系统顺利排出模腔，将会影响制品成型以及脱模后的质量，它将会受到料液的压 缩并对料液产生反压力从而导致制品中产生气穴以及组织疏松等。另外由于料液在流 动过程中，流体前沿逐渐汇集于一处，由于汇流后的流动方向不一致在汇集处易产生气 穴；当塑件壁厚差异丈时熔体倾向于往厚区流动而造成跑道效应，这也是造成气穴的 主要原因口“。气穴通常发生在流体流动方向变化较大区域，假如这些区域的排气孔太小 或者没有排气孔，就会造成气穴。气穴会使塑件内部产生空洞、表面出现大气泡；而且 易在充填末端产生表面斑点；在气穴中被压缩的气体可能加压、升温而引起局部烧焦。 要消除气穴可吼降低注模速度，或改变排气孔位置、加大排气孔尺寸；由于浇注轨 迹不合理引起的困气气穴应及时更改浇注轨迹，确保气体可蚍排出模腔；由于跑道效应 造成的气穴可以藉由改变塑件壁厚比例或改变排气孔位置加以改善排气问题。气穴的改 善方法说明如下口q ： ( 1 ) 变更注塑件设计。缩减壁厚比例，可以减低熔体的跑道效应。 ( 2 ) 变更模具设计。将排气孔设置在适当的位置即可改善排气，气穴产生的位置 可以通过调整浇注轨迹来改变。此外，应确定有足够大的排气孔，足以让充填时的空气 逃逸：但是也要小心排气孔不能太大而造成毛边。建议的排气孔尺寸为o 0 3 8 c m 。 ( 3 ) 更改浇注轨迹。由于浇注轨迹不合理引起的困气气穴应及时更改浇注轨迹， 应在保证气体可以顺利排出模腔的前提下实现浇注总面积的最大化，从而使玻纤分布更 加均匀。有时由浇注轨迹不良引起的困气不可避免，这时需要给模具开设排气槽。 3 1 2 表皮气泡多 表皮气泡多指的是脱模后表皮上出现大量分布较广的小气泡，如闰3i21 所示。表 皮气泡多的产生原因与料液的流动充模和反应固化过程均有关系。在判液充模过程中， 料液发生紊流时会卷入大量的气体形成表皮气泡；如果原料中因为保存不当导致混入多 余的水分则会影响反应的平衡，并产生大量的气体造成气泡缺陷；如果缩聚反应的速度 过慢，也会导致制品表层没有形成初抬强度进而造成表皮气泡害。 图3 1 2 1 气泡多 表皮气泡多是初期生产阶段发生次数最多的缺陷之一，而且无法通过后处理进行修 复，因此必须对其加以控制控制方法有以下几个方面： 硕士论文长玻纤增强反应注射成型质量研究 ( 1 ) 设备方面。检查原料贮罐、传输管道是否有泄漏现象，设备的不密封会导致 原料混入空气中的水分，造成原料中水含量过多，导致反应固化时产生大量的c 0 2 气体， 过多的气体将造成泡体的不稳定，进而形成气泡缺陷。 ( 2 ) 原料方面。在原料贮存完好的情况下，低粘度的料液较高粘度料液更易产生 气泡多的缺陷，这是因为低粘度料液在充模流动中更易于失稳，从而卷入大量气体。因 此尽管粘度低的料液充模容易、所需合模力小，但为了保证制品质量料液的粘度不宜过 低。 ( 3 ) 工艺条件方面。影响表皮气泡多的工艺因素较多，可分为流动和反应两个过 程的影响因素。由于流速过快导致流动前沿失稳而卷入气泡时，应延长合模时间，降低 料液的充模速度。过大的充模速度是导致气泡卷入的关键因素，r e 数被用来判断气泡 的卷入，使用较低的合模速度可以让空气有充足的时间逃逸。物料温度过高时也容易造 成紊流的出现，因此适当降低物料温度有助于改善气泡多的缺陷。模具温度对反应过程 影响较大，提高模具温度能够改善气泡缺陷。 3 1 3 飞边溢料 飞边溢料也称作溢边，指的是合模时料液从模具分型面中逸出，冷却后又形成飞边。 与热塑性塑料成型飞边不同的是，p u l f i 合模时溢出的料液会在乳白时间过后发生自 由发泡，因此飞边会显得多且厚。溢边产生的原因是多方面的