新型中空玻璃微球提升注射制品性能.doc

新型中空玻璃微球（3M）提升注射制品性能在不损失制品性能的情况下寻找一种使制品更轻的方式，这是注塑成型商们一直都在努力的方向。为了解决此问题，3M公司推出一种新的中空玻璃微球，据说它拥有比以前更好的强度，能够经受住注射成型对其所造成的磨损和破坏。玻璃微球作为一种低密度填料适用于各种聚合物，这在20世纪60年代中期就已经得到证实。在过去的20年里，因为其本身的强度不够，玻璃微球在高剪切的场合下无法应用， 如在混配和挤出成型中。公司可以提供样品，具体联13472665862 陈先生在20世纪80年代，3M公司推出了一种玻璃微球，具有均衡的压碎强度，能够达到69MPa，这一数据超过了以前同类产品的2倍，这意味着这种玻璃微球能够用在更高剪切的场合。3M的最新玻璃微球iM30K具有最高的耐压强度，其强度密度比率是同类产品中最高的。这种玻璃微球由碱石灰硅酸盐制成，能够经受注射成型接近207MPa的压力。iM30K微球（16m）与3M 先前的玻璃微球S60HS（30m）相比，大小只有其一半，但是其均匀抗压强度提高了50，从 124 MPa提高到了193 MPa，而密度是同样的0.6 g/cm3。S60HS尽管也能够在应用在一些注射成型中，但是显然iM30K能够使聚合物具有更好的物理机械性能，同时提供更好的耐压强度。公司可以提供样品，具体联13472665862 陈先生相对于更早的玻璃微球，iM30K改善了机械性能，包括抗冲击强度和伸长率、抗刮擦性能及铅笔硬度，以及小部件的公差更小；同时由于充模更好，也改善了制品表面的性能；更大的抗压强度意味着中空玻璃微球在挤出或注射过程中的破损更少。工艺指导设计制品、模具和工艺的一个主要目标是利用中空微球时将剪切应力降至最低以防止微球破损。如果没有注意到这些因素可能使材料性能骤降，同时增大了产品重量。用于加工iM30K微球的单螺杆挤出机能够分散混合成分，使成块的填料分散成微细的粒子。混合可以采用经典的Maddock混料机（槽纹辊）或者Saxton混料机（带有横切口的窄螺距单线螺纹），当然其他一些类型的设备也可以使用。螺杆设计要有一个分布式混合区，通常包含有销钉混料段。在单螺杆挤出机中，iM30K微球应该在树脂喂料口的下游等到树脂熔融以后再被加入到机器中，因此加料口应设置在计量段之前，以最小化微球破碎的危险。也就是说微球应在分布混料区之前被加入到机器中，即在压缩段的中部。公司可以提供样品，具体联13472665862 陈先生在注射成型添加有中空玻璃微球的聚合物时，最好使用多用途螺杆。其他类型的螺杆，如屏障螺杆、双翼螺杆或者带有排气口的设计则不适用于加工玻璃微球。螺杆的最小直径应该达到38mm。注塑设备应采用69 345kPa的低背压。鉴于注射速度和压力过大，玻璃微球在熔融树脂内易于破碎，注射速度应保持中低水平。与从前的微球不同，iM30K微球能够耐受138MPa甚至更高的模腔压力。为使熔体平滑地流动，应采用一种高抛光、带有凹槽的螺杆头和阀门组件，所用钢材为S-7 或者 H-13。喷嘴和注入孔不能有尖锐的转角，直径至少为6.35mm。模具应该全部使用环形流道，例如使用一种最小半径应达到3.2mm，或者面积达到32.3mm2的环形流道。然而，全环形的流道不经常被采用，其原因是为获得凹模和凸模的同轴，模具维护成本太高。因为改进的梯形流道不要求特别的对齐，因此推荐使用这种流道。梯形流道的主要区域表面积应与全环形的流道相似（32.3mm2），而且注入口应该更短，朝向喷嘴，半径为3.2mm，形状为锥状，延伸至末端的半径达到4.4mm。浇口可用的种类比较多，但是为保持玻璃微球的完整，浇口最小的尺寸应达到1.5mm。按照早期的规定，推荐使用S-7 和 H-13模具钢用作制造填充玻璃微球用模具的材料。公司可以提供样品，具体联13472665862 陈先生在PP和尼龙中的性能3M通过实验对玻璃微球填充树脂（分别用iM30K和S60HS微球填充）与纯树脂的性能（树脂供应商提供）进行了一系列的比较，实验数据及结果见图14。图1 显示了iM30K微球所引起的密度降低在尼龙66和PP中产生的效果。公司可以提供样品，具体联13472665862 陈先生图1图2显示添加了20的S60HS和iM30K的尼龙66的性能，分为硅烷处理和未处理两种状况。经过硅烷处理的微球，尼龙66的拉伸强度和弯曲性能都超过了纯树脂。然而，抗冲击强度略有下降，伸长率发生很大的下降（纯树脂的伸长率为50%，而经过硅烷处理的iM30K填充树脂伸长率为15）。图2根据3M的试验数据和试验，3M的iM30K与S60HS相比，留给人深刻的印象。例如，添加了20（体积含量）的S60HS微球的尼龙66其缺口冲击强度为21.3 J/m，而添加了iM30K的尼龙66的缺口冲击强度为30.4 J/m，增长了44。PP的性能改善更大。添加了S60HS玻璃微球的PP树脂缺口冲击强度为16 J/m，添加了20iM30K微球的PP缺口冲击强度为 24.5 J/m，提高了53。断裂应力实验显示，新型微球对树脂的性能改善更大。填充了20微球的尼龙66其断裂伸长率为2.66%，而添加了S60HS的尼龙66断裂伸长率为1.6%，提高了66。添加了20S60HS的尼龙66拉伸强度为52.8 MPa，而添加了iM30K的尼龙66拉伸强度为 64.4 MPa，提高了22。对于PP来说，添加iM30K与添加S60HS相比，拉伸强度从27.7 MPa提高到了29.2 MPa，提高了5%。添加了20iM30K的尼龙66其弯曲强度比添加了 S60HS的尼龙66高15。对于PP，这一性能指标提高了35。图3和图4显示，添加了iM30K玻璃微球到PP和尼龙66中减小了部件的热膨胀系数和成型收缩。图3图4公司可以提供样品，具体联13472665862 陈先生有几家注射成型加工商据说从微球中获得了收获缩短了成型时间。3M推测这要得益于微球的“滚珠”效应，从而使充模更加容易，并降低了聚合物的热质量，使冷却得速度更快。在一个实验中，3M报告了一种64g的PP汽车空气滤清器外壳，面积为258193 mm，厚30mm，在添加了20的iM30K+碳黑（原来是20%的滑石+碳黑）以后，成型周期从16.6s降低到13.2s。报告分析显示，成型时间20%的节省主要发生在充模和冷却阶段。充模时间的减少是填料中高含量的微球所致。而树脂含量的降低，还导致了成型收缩的减少。为什么采用硅烷处理硅烷处理可使中空玻璃微球的一些性能得到改善。硅烷偶连剂在无机材料（像中空玻璃微球）与有机聚合物材料的界面之间，扮演着偶合、键合两种不同材料的角色。无机玻璃填料的亲水性表面造成的水的迁移对粘接劣化的影响很大，水攻击两相界面破坏聚合物与填料之间的键接。然而偶连剂却能够使有机和无机界面产生抗水的键合力。硅烷偶连剂不仅仅能够增强键合强度，而且能够防止复合材料在老化和使用过程中发生键合力下降。微球填料如经过偶连剂处理，复合材料的缺口Izod冲击强度、拉伸强度、抗弯强度和断裂伸长率都会有所增加。通常，用硅烷处理的微球填充材料其缺口Izod冲击强度和拉伸强度要比未经处理的材料高出40。另外，硅烷处理能够减小材料的密度，因为硅烷具有润滑表面层，减少了微球在配混时发生的破碎率。加入硅烷处理剂能够进一步增加新型微球的优势，其中最重要的性能改善是断裂伸长率的提高。经过硅烷处理的S60HS微球填充材料，其断裂伸长率为35，而iM30K经处理后则可提高到100，几乎提高了两倍。微球+纤维在玻纤增强尼龙66中添加一定量的 iM30K微球可降低材料的重量（见图5），线性热膨胀系数要比添加同量S60HS微球降低2030，同时也使材料比单独添加纤维具有更好的各向同性性能。图5玻璃微球对材料的另一个改善体现在显著降低成型收缩方面。如图6所示，在33玻纤增强尼龙66中加入iM30K，使尼龙66的纵向和横向收缩的差异减少了50（从0.4%降到0.2%），而降低纵/横收缩的差异就意味着降低了制品的翘曲。对于这种33玻纤增强尼龙66来说，最大的收缩差异降低发生在添加15重量的iM30K的时候，其他的机械性能，如缺口冲击强度、弯曲模量、HDT及断裂伸长率与微球的含量基本无关。图6当在33玻纤增强尼龙66中加入10的iM30K时，由于粘度只会发生轻微的变化，因此在进行配混和注射成型时，无需更改加工设备。加入玻璃微球对玻纤增强系统的机械性能的影响程度要小于树脂，因为纤维是承担机械负荷的主体。通过减少少量玻纤增加更多微球的实验可以证实这一点（见图7）。实验表明，通过这种方法可最大程度降低材料的密度。唯一不足的是，用玻璃微球代替玻纤会造成Charpy冲击强度的下降。公司可以提供样品，具体联13472665862 陈先生图7在玻纤增强尼龙66的其他测试中，显示了Izod缺口冲击强度随玻璃微球添加量的改变而发生的变化较小：加入了5的微球以后，其Izod缺口冲击强度为0.31J，而添加了20时则下降为0.26 J。中空微球与MuCell发泡微孔发泡有时被认为是一种可以代替玻璃微球降低材料的重量、收缩、翘曲和成型周期的方法。MuCell是一个知名的成型及挤出微孔聚合物发泡工艺的商标名，由Trexel公司授权。MuCell技术使用了超临界氮或者二氧化碳气体加入到聚合物中，使其在高压聚合物熔体中生成单相、均匀的气体溶液。溶解的气体可以作为增塑剂，降低系统的粘度。与标准的注射成型相比，MuCell系统能够使注射压力和锁模力降低60。气体溶液随熔体一旦进入模具中，其压力就会迅速降低（比如降至大气压），导致气体从溶液中溢出，同时引起成核及生成成百万的微孔。这种发泡使熔体快速膨胀并充满模腔，从而免去了保压阶段和改变了冷却工艺，进而加快了成型周期。3M中空玻璃微球与MuCell技术相比，密度的降低和制品重量的减轻相差不多，不过MuCell发泡需要购买额外的设备，而添加玻璃微球则不必如此。Trexel推荐只在加工带有填料的聚合物时使用MuCell 发泡。3M的实验结果表明，在使33玻纤增强的尼龙的密度降低10的前提下