注射成型工藝條件對(duì)聚丙烯制品光澤度的影響

劉西文,楊中文

注射成型工藝條件對(duì)聚丙烯制品光澤度的影響

劉西文,楊中文

(湖南科技職業(yè)學(xué)院輕化工程學(xué)院,湖南長沙410118)

通過一次因子法確定了 Taguchi法的試驗(yàn)因子,采用 Taguchi法對(duì)試驗(yàn)因子進(jìn)行權(quán)重分析與優(yōu)化,并進(jìn)一步研究了注射成型工藝條件對(duì)聚丙烯制品光澤度的影響。結(jié)果表明,在注射成型過程中,提高熔體溫度、模具溫度、保壓壓力及注射速率都有助于提高制品的光澤度,同時(shí)也會(huì)提高制品的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度,但會(huì)降低缺口沖擊強(qiáng)度。影響聚丙烯制品光澤度的最顯著因素是熔體溫度。影響因子的權(quán)重大小順序?yàn)椋喝垠w溫度、模具溫度、保壓壓力、注射速率。

聚丙烯;光澤度;Taguchi法;注射成型;制品;熔體溫度;模具溫度

Abstract:In order to explore the effect of injection molding parameters on the glossiness of polypropylene parts,Taguchi method was employed to determine the experiment factors and their weighs.It was found that the increase of melt temperature,mold temperature,dwell pressure,and injection rate could increase the glossiness of the parts;meanwhile the tensile and bending strengths would also increase at the cost of notch impact strength.The descending order in weigh of the influence factors was melt temperature,mold temperature,packing pressure,and injection rate.

Key words:polypropylene;glossiness;Taguchi method;injection molding;part;melt temperature;mold temperature

0 前言

聚丙烯(PP)由于性價(jià)比高且加工性能好,已被廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、通訊和醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著PP應(yīng)用領(lǐng)域的不斷增大,對(duì)其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、品質(zhì)、功能的要求也不斷提高,在保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和精度的要求下,還要注重制品的外觀,特別是表面光澤度,在家用電器、通訊、汽車領(lǐng)域的應(yīng)用中已引起了人們的高度重視[1]。高光澤制品的生產(chǎn)必須具備3個(gè)條件,即高光澤材料、高光模具和合適的工藝控制條件[2]。目前,國內(nèi)外對(duì)于高光澤 PP材料的研究進(jìn)行了大量的工作,涌現(xiàn)出了多種類型的高光澤PP專用料。在高光模的制造方面目前技術(shù)水平也比較高。但由于成型過程的工藝控制因素比較復(fù)雜,因此它始終制約著高光澤制品的生產(chǎn)。本文采用 Taguchi法來研究注射成型過程中工藝控制因素對(duì)制品光澤度的影響權(quán)重,以期得出生產(chǎn)高光澤PP制品的最佳工藝控制方案。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

PP,PL101W,熔體流動(dòng)速率為5～8 g/10 min,杭州力威工程塑料有限公司。

1.2主要設(shè)備及儀器

注塑機(jī),SZ-120,臺(tái)灣震雄機(jī)械股份有限公司;

表面光澤儀,KGZ2IA,上海精密科學(xué)儀器有限公司;

密度梯度儀,6550/000,意大利 CEAST公司;

試樣模,表面粗糙度為1.6～3.2μm;

電子萬能試驗(yàn)機(jī),Hounsfield,美國 HE公司。

1.3性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

光澤度按 GB 8807—1988進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試角度為60°;

拉伸強(qiáng)度按ASTM D638進(jìn)行測(cè)試,拉伸速度為500 mm/min;

彎曲強(qiáng)度按ASTM D790進(jìn)行測(cè)試,彎曲速度為1.3 cm/min,跨距為50 mm;

沖擊強(qiáng)度按ASTM D256進(jìn)行測(cè)試,試樣尺寸為6.35 mm×12.7 mm×4.0 mm,45°的V形缺口;

結(jié)晶度采用密度法測(cè)定[3],將試樣放入異丙醇中浸泡片刻后,放入密度梯度柱中在溫度23℃下進(jìn)行測(cè)試,然后根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)晶度(Xcg)：

式中d——試樣的密度,g/cm3

dc——完全晶態(tài)下的密度,0.936 g/cm3

da——完全非晶態(tài)下的密度,0.85 g/cm3

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)因子的選取

在注射成型過程中影響制品光澤度的因素有很多,為了減少試驗(yàn)次數(shù),先采用一次因子法進(jìn)行試驗(yàn),以初步確定在注射成型過程中各成型因素對(duì)制品光澤度的影響權(quán)重,再選擇影響權(quán)重較大的作為 Taguchi法試驗(yàn)因子[4]。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),熔體溫度、下料口物料溫度、模具溫度、保壓壓力、注射壓力及注射速率的提高都有利于制品光澤度的提高,但過高的熔體溫度和模具溫度會(huì)延長制品的成型周期,降低生產(chǎn)效益;而過高的注射壓力和保壓壓力會(huì)使制品脫模困難,制品內(nèi)應(yīng)力增大,容易出現(xiàn)變形甚至開裂等現(xiàn)象;過高的注射速率容易造成模腔困氣,制品的表面光澤度反而下降甚至還會(huì)出現(xiàn)燒焦變色等現(xiàn)象。為此,一次因子法試驗(yàn)選取了熔體溫度、下料口物料溫度、模具溫度、保壓壓力、注射壓力及注射速率等6個(gè)成型因素作為試驗(yàn)因子,分別用A、B、C、D、E和F表示,并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定了各因子的試驗(yàn)水平,如表1所示。本試驗(yàn)采用各因子第1水平試驗(yàn)制品的光澤度為基準(zhǔn),然后把各因子變動(dòng)后所得制品的光澤度與其作比較,相對(duì)差值較大者,說明對(duì)光澤度的影響效應(yīng)較大,即確定為 Taguchi法試驗(yàn)因子。一次因子法試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出,模具溫度、熔體溫度、保壓壓力提高,制品光澤度都有明顯提高,而注射速率提高至50%時(shí),光澤度反而下降。從光澤度差值可以看出,因子C、A、D、F,即模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、注射速率水平試驗(yàn)的差值較大,說明其對(duì)制品光澤度影響較大,故選取作為 Taguchi法的試驗(yàn)因子。

表1 試驗(yàn)因子與水平的選取Tab.1 The factors and levels

表2 一次因子法試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 The design of one-factor-at-a-time experiments

2.2 成型因素權(quán)重分析與優(yōu)化

采用 Taguchi法先進(jìn)行試驗(yàn)水平與正交表的設(shè)計(jì),然后根據(jù)正交表進(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選分析。為了能使制品的光澤度最大化,可采用望大信噪比(S/N)衡量和確定各因子在不同水平情況下的制品品質(zhì),從而確定優(yōu)選方案[5]。望大信噪比可根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算：

式中S/N——信噪比

yi——品質(zhì)特性

n——試驗(yàn)數(shù)目

根據(jù)上述一次因子法試驗(yàn)結(jié)果,本試驗(yàn)采用4因子3水平試驗(yàn)(L934),試驗(yàn)的水平選取及L934正交設(shè)計(jì)表分別如表3和表4所示。

表3 Taguchi法試驗(yàn)的水平選取Tab.3 The levels for Taguchi method

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出各控制因子在不同水平的情況下對(duì)光澤度影響的信噪比,如表5所示。

從表4可以看出,PP制品光澤度最佳控制方案為試驗(yàn)方案6,即熔體溫度205℃、模具溫度65℃、保壓壓力5 MPa、注射速率50%。根據(jù) Taguchi法望大信噪比原則,從表5可以看出,對(duì)制品光澤度的影響效應(yīng)大小順序是熔體溫度＞模具溫度＞保壓壓力＞注射速率。Taguchi法與一次因子試驗(yàn)法相比較,對(duì)于制品光澤度的影響效應(yīng)大小順序稍有出入,這主要是由于一次因子試驗(yàn)水平少,試驗(yàn)結(jié)果的精確性有限,因此只能作為因子選取的初步確定。而 Taguchi法正交試驗(yàn)則更能準(zhǔn)確反應(yīng)出各因子的影響權(quán)重。

表4 Taguchi法L934正交設(shè)計(jì)表Tab.4 The orthogonal design arrays for Taguchi method

表5 各控制因子的光澤度信噪比Tab.5S/Nof glossiness for control factors

2.3權(quán)重因子對(duì)PP光澤度的影響與分析

從上述試驗(yàn)可以得出,成型過程中熔體溫度和模具溫度是影響PP制品光澤度權(quán)重最大的2個(gè)因素,熔體溫度和模具溫度升高,制品的光澤度隨之提高。這主要是由于熔體溫度和模具溫度直接影響物料在型腔內(nèi)的流動(dòng)、制品的結(jié)晶度、熔接痕等[6-7]。當(dāng)熔體溫度和模具溫度較高時(shí),熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)性增加,表層和中心層的溫差變小,塑料與模面之間的摩擦阻力減少,流動(dòng)引起的分子取向在填充后的短時(shí)間內(nèi)得到松馳,也使保壓補(bǔ)縮更加充分,從而可以有效減少產(chǎn)品熔接痕、浮纖等缺陷[2];同時(shí)由于高光PP中含有成核劑,在較高的熔體溫度和模具溫度下會(huì)使PP的結(jié)晶速率和結(jié)晶度增大,而形成的球晶尺寸減小,晶體密度增大,從而使制品密度增加,減少了對(duì)入射光的散射和折射,從而提高了制品的表面光澤度[8-9]。表6給出了試驗(yàn)樣品的結(jié)晶度與光澤度。

表6 制品的結(jié)晶度與光澤度Tab.6 Degree of crystallinity and glossiness of the parts

從表4還可以得出,提高熔體溫度、下料口物料溫度、模具溫度、保壓壓力、注射壓力及注射速率都有利于提高制品光澤度。但成型時(shí),熔體溫度和模具溫度的提高要與保壓壓力和注射速率等因素相配合,否則還是難以得到較高光澤度的制品,表4中試驗(yàn)方案6當(dāng)熔體溫度為205℃、模具溫度為65℃、保壓壓力5 MPa、注射速率為 50%時(shí),制品的光澤度達(dá)到93.5%。而方案9中,當(dāng)熔體溫度為220℃、模具溫度為65 ℃、保壓壓力為4 MPa、注射速率為50%時(shí),制品光澤度只有88.1%,而且在生產(chǎn)時(shí)由于高的熔體溫度和模具溫度會(huì)使制品冷卻時(shí)間延長,從而延長了生產(chǎn)周期,降低生產(chǎn)效益。

從表4還可以看出,試驗(yàn)方案7中當(dāng)熔體溫度為220℃、模具溫度為65℃、保壓壓力為5 MPa、注射速率為60%時(shí),制品光澤度只有71.7%。這主要是由于熔體黏度低,注射速率大,使充模過快,而造成模腔中的氣體來不及排盡,出現(xiàn)了悶氣現(xiàn)象[10],使制品表面產(chǎn)生微氣孔,而出現(xiàn)悶光,光澤度欠佳。

2.4高光澤PP制品的力學(xué)性能

從表7可以看出,成型制品的光澤度提高,其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度也隨著提高,而缺口沖擊強(qiáng)度則下降。這主要是由于結(jié)晶度提高、熔接痕減少等所導(dǎo)致。

表7 制品的力學(xué)性能Tab.7 The mechanical properties of the parts

3 結(jié)論

(1)根據(jù) Taguchi法及望大信噪比原則,PP光澤度影響因子的權(quán)重大小順序是熔體溫度＞模具溫度＞保壓壓力＞注射速度;

(2)PP光澤度的最佳工藝控制方案為熔體溫度205℃、模具溫度65 ℃、保壓壓力 5 MPa、注射速率50%;

(3)在注射成型過程中,提高熔體溫度、模具溫度、保壓壓力及注射速率都有利于提高制品光澤度。但熔體溫度和模具溫度的提高要與保壓壓力和注射速率等因素相配合。高熔體溫度和模溫下,過高的注射速率易使型腔產(chǎn)生悶氣,會(huì)導(dǎo)致制品表面光澤度欠佳;

(4)在注射成型過程中,制品在獲得高光澤度的同時(shí),其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度也隨之提高,但缺口沖擊強(qiáng)度下降。

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Effects of Injection Molding Parameters on Glossiness of Polypropylene Parts

LIU Xiwen,YAN G Zhongwen
(School of Light Chemical Engineering,Hunan Vocational College of Science&Technology,Changsha 410118,China)

TQ320.66+2

B

1001-9278(2011)01-0076-04

2010-06-17

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