卓商塑料网_超声振动对高密度聚乙烯收缩特性的影响

1、.超声振动对高密度聚乙烯收缩特性的影响于同敏, 祝思龙, 包成, 黄晓超( XX理工大学精密与特种加工教育部重点实验室, XXXX116024)摘要: 针对材料收缩率这一影响精密注塑制品尺寸精度的关键因素, 以中间有两个长孔的平板型塑件为对象,设计制作了一套带有超声振动系统的精密注塑模具, 在精密注塑机上进行了施加和未加超声振动的成型实验; 并借助X 射线衍射分析, 研究了不同超声参数作用对收缩率较大的高密度聚乙烯( HDPE) 试件收缩率变化的影响关系及其微观作用机理。结果显示, 与未加超声振动的试件相比, 超声振动能明显降低HDPE 材料的收缩率, 最高降幅可达16. 13%。由此表明,

2、注塑成型过程中施加超声振动, 能够有效控制制件的收缩率。关键词: 超声振动; 精密注塑成型; 高密度聚乙烯; 收缩率精密注塑制品因其尺寸精度高、力学性能好等诸多优点, 在现代工业产品中被广泛应用。但精密制品成型时的材料收缩特性一直是制约其尺寸精度进一步提高的主要障碍。对此国内外学者虽已进行过大量研究, 但到目前为止, 大多是采用传统的数值模拟和成型实验方法, 即通过优化不同工艺参数组合来达到提高精密制品尺寸精度的目的。但对于成型收缩率X围较大的材料, 通过调整工艺参数来获得精密注塑制品往往效果有限。本文以带有两个长方形孔的平板型塑件为对象, 设计制造了带有超声振动系统的精密注塑模具, 实验研究

3、了超声外场作用对收缩率较大的高密度聚乙烯材料成型收缩的影响规律, 旨在为精密制品的注塑成型提供一种新的方法。1 实验部分1. 1 实验对象平板型塑件如Fig. 1 所示, 其长、宽和厚度尺寸分别为80mm 50mm 1mm。塑件中间带有两个长为40mm, 宽为4mm 的长方形通孔。成型实验时超声波振动方向与注射熔体的充模流动方向平行, 如图中箭头所示。1. 2 实验材料实验材料选用XXXX石化XX生产的HDPE-PD5070EA 型高密度聚乙烯, 密度为0. 954 g/ cm3 0. 962 g/ cm3, 结晶度可达65% 85%, 软化点温度为125 e 135 e , 成型收缩率X围1

4、. 5%3. 6% , 熔融指数为6. 1 g/ 10min 8. 0 g / 10min。1. 3 实验设备及仪器按Fig. 1 塑件自行设计制做的一模两腔超声振动注塑模具如Fig12 所示, 型腔表面粗糙度R a 为014Lm。超声振子5 通过双头螺栓7 与镶块6 相连, 将振子产生的振幅通过型腔镶块6 传递给聚合物熔体; 成型实验在震天塑料机械XX生产的CT 80M8 型精密注塑机上进行, 其最大注射压力为206MPa, 最大注射速度122 mm/ s, 锁模力为800 kN。超声系统采用XX生析超声仪器XX生产的FS-1500 型超声波发生器, 功率X围为0W 800W 可变, 振动频

5、率为19. 00 kHz 20. 00 kHz 连续可调; 试件内部结构观测分析采用日本理学电机株式会社的D/ Max 2400型X射线衍射仪; 塑件尺寸测量采用分辨力为0101 mm 数显游标卡尺。1. 4 实验方法及工艺条件首先用Fig. 2 所示的模具进行不加超声振动的注塑成型实验, 以获得成型合格试件的注塑工艺参数。然后以此工艺参数作为初始工艺条件, 进行在熔体注射和保压阶段施加超声振动的单因素注塑成型实验,以考察不同超声参数变化对试件收缩特性的影响。不加超声振动实验获得的成型合格制件的初始工艺条件为, 注射压力56MPa, 注射速度36mm/ s, 保压压力14MPa, 保压时间01

6、5s, 料筒温度180 e , 模具温度30e 。单因素超声振动注塑成型实验的超声参数变化值如Tab11 所示。实验前先将HDPE 粒料置于60 e 烘箱中烘干1 h。Fig. 2 Assembly Drawing of Ultrasonic Vibration Preci se InjectionMould1: the moving mould clamping plate; 2: seat pad; 3: pushbar; 4: insert; 5: ult rason ic vibt rat or and transducer; 6: insertblock; 7: stud; 8: f

7、ixed mould plat e; 9: the f ixed mouldclamping plate; 10: hexagon bolt; 11: sprue bush; 12: locatingring; 13: nozzle; 14: moving mould plat e; 15: base plate;16: support plat e; 17: piller; 18: eject or ret ainer plat e; 19:stripper plat e实验时, 在每组工艺参数达到稳定状态后, 选取10 个试件存放于密封干燥处, 1 周后用数显游标卡尺测量其平行于超声振动方

8、向的尺寸, 并取其平均值计算收缩率。同时对施加超声振动和未加超声振动的试件进行XRD 分析。2 结果与讨论2. 1 超声频率对HDPE 收缩率的影响当超声功率恒定为500W 时, 实验得到的超声频率变化对HDPE 试件收缩率影响的关系曲线如Fig. 3所示。Fig. 3 Effect of Ultrasonic Frequency on Shrinkage of HDPE由图可见, 虽然注塑工艺条件仍保持为未加超声振动时的初始工艺参数值不变, 但试件收缩率却随着超声频率的增加而呈先快后慢的下降趋势; 即在超声频率小于19136kHz 时, 其收缩率从未加超声振动时的最大收缩率2. 79%, 快

9、速下降到频率为19136kHz时的2. 40% , 降幅达13. 98%; 而当频率超过19136kHz时, 其收缩率则从2. 40% 缓慢降低至频率为19192kHz时的2. 34% , 降幅只有2. 15% 。分析认为超声低频较低时, 随着超声频率的增加, 熔体媒质吸收的声波能量也在不断增多; 逐渐增加的外场能量使大分子链段的活动能力增强, 也使相互缠结的大分子更加容易滑脱解缠, 分子间的作用力减弱, 取向程度增加, 宏观上则表现为熔体的黏度和流动阻力减小, 这更有利于发挥注射压力的功效。由于不断增强的高频超声振动剪切力场作用, 干扰了HDPE 大分子正常结晶结构的形成, 致使其制品内部的

10、晶体结构数量不断减少, 与未加超声振动的试件相比其结晶度明显降低, 因此其收缩率随超声频率的增加而快速下降; 而当超声频率进一步增加时, 较高的超声能量和剪切力场作用, 严重破坏了HDPE 大分子的结晶成核条件, 使其制品内部的结晶度进一步下降, 因此其收缩率也继续减小; 但在这一过程中, 较高的超声能量和剪切力场作用, 也使大分子的取向和解取向作用增大, 解取向的结果使已取向了的大分子链重新回复到卷曲状态, 致使其收缩率增大;而结晶度下降引起的收缩减小和解取向引起的收缩率增加, 两者耦合作用的结果使其收缩率缓慢下降。相对于未加超声振动的试件, 其收缩率值仍下降了0. 45%, 降幅达16.

11、13%。由此可见, 超声振动注塑成型中, 改变超声频率能有效降低制品收缩率, 但当超声频率超过某一数值时, 继续增加超声频率, 对减小收缩率的贡献则十分有限, 过高的频率还会导致成型材料的降解。为进一步揭示超声振动对HDPE 收缩率的影响,采用XRD 方法对施加超声振动和未施加超声振动的制品进行测试分析, 其结果如Fig14 所示。图中0 kHz的衍射曲线即为未加超声振动时的测试结果。施加超声振动时在( 110) 和( 020) 晶面的衍射峰强明显高于未加超声振动的峰强, 且在2H为21. 5b处的结晶衍射峰尤为高尖, 表明HDPE 材料具有较高的结晶度。同时超声作用使其晶面的分子链排列规整,

12、 晶粒沿( 110)和( 020) 晶面的取向能力得到增强, 进而产生择优取向。而对于( 200) 晶面, 施加超声振动时的晶体衍射峰强明显低于未加超声振动时的峰强, 这表明超声振动对该晶面的分子取向具有抑制作用。Fig. 4 XRD Di ffraction Patterns of HDPE Parts Under the DifferentUl trasonic Frequency利用JADE 软件计算XRD 衍射图谱得到不同频率下的结晶度数值如Tab12 所示。表中数据显示随着超声频率的增加, HDPE 的结晶度逐渐减小, 当超声频率增加到19192kHz 时, 其结晶度为62. 35%

13、 , 比未加超声振动时的结晶度下降了11. 73% , 从而进一步说明超声振动引起的结晶度下降是HDPE 制品收缩率减小的主要因素。2. 2 超声功率对HDPE 收缩率的影响超声频率不变时, 改变超声功率测得的试件收缩率变化曲线如Fig15 所示。实验的超声频率恒为19150kHz。由图可见, HDPE 试件收缩率随超声功率增加而呈先下降后上升的变化规律。同样利用JADE软件计算XRD 衍射图谱得到的超声功率变化对HDPE 材料结晶度影响的结果数据, 如Tab3 所示。由Fig. 5 曲线及Tab. 3 的数据可见, 与未加超声振动的试件相比, 超声功率由0W逐渐增加到600W时,HDPE 试

14、件的收缩率与结晶度均随超声功率的增大而逐渐减小。且在超声功率为600W时, 其收缩率值由未加超声振动时的2. 79%, 下降到最小值2. 36% , 降幅达15. 41%。其结晶度也由未加超声振动时的74. 08%,减小到66. 75% 。当超声功率超过600W时, 随着功率的增加, 超声能量越来越强, 振子端面的振动幅度越来越大, 强烈的超声剪切力场作用不仅破坏了大分子的结晶成核条件, 使其结晶度下降, 也会使已生长为较大的晶粒受到破坏而碎裂成细小晶粒。但同时这些碎裂的细小晶粒又可重新成为新的结晶生长点, 产生再次结晶, 使结晶度增加。同样较高的超声能量也使大分子的取向与解取向竞争作用加剧。

15、由结晶度下降引起的收缩减小和解取向作用导致的收缩增加, 以及碎裂的细小晶粒的再次结晶等多因素综合竞争作用的结果, 使得试件的收缩率由功率600W 时的最小值2. 36%, 逐渐缓慢上升到800W时的2. 40%。可见超声频率一定时, 在一定X围内改变超声功率可使试件收缩率下降, 但当超声功率超过600W时, 其收缩率又继续增加, 同时材料的结晶度也由最低值的66. 75% 逐渐回升到67. 40% 。若从制品使用的角度考虑, 结晶度升高有利于提高制品的力学性能。从超声参数变化对HDPE 制品成型收缩率影响的结果曲线( Fig13 和Fig15) 可见, 增加超声频率使制品收缩率呈先快后慢下降变

16、化规律, 当超声频率达到19135kHz 以上, 收缩率下降变缓。而增加超声功率则使制品收缩率先快速下降, 后又逐渐上升, 即在超声功率增加到600W以后, 制品的收缩率不降反升, 其结晶度也随之提高。由此可见, 超声振动注塑成型HDPE材料精密制品时, 为了降低制品的收缩率以提高尺寸精度和为了增加制品内部的结晶结构以保证制品具有足够的力学性能, 应使超声频率控制在19. 35kHz19. 65kHz, 而超声功率达到600W 以上, 再辅以合理的注塑成型工艺条件, 可以获得具有足够力学性能的精密制品。3 结论( 1) 精密注塑成型时施加超声外场能量有利于降低材料收缩率, 控制制品尺寸精度。如在同样注塑工艺条件下, 施加超声振动,HDPE 材料的收缩率比未加超声振动时下降了0. 45% , 降幅达16. 13%。( 2) 超声功