UV光固化注射成型工藝實驗研究

常 樂，丁玉梅，楊衛(wèi)民，謝鵬程

（北京化工大學機電工程學院，北京100029）

0 前言

隨著注射成型技術的不斷發(fā)展[1-2]，其制品已經應用于尖端電子器件、先進光學儀器的透鏡和鏡片、光導波材料、非線性光學材料等領域并逐漸代替了此前的無機材料，使得制造成本有了很大程度的降低。但是，無論是其所使用的材料，或是注射成型工藝上仍存在進一步提升的空間[3]。如，聚碳酸酯在注射成型過程中分子易取向，產生明顯的雙折射現(xiàn)象，導致彩虹效應，因此，很大程度上限制其在精密光學領域的應用。

UV光固化成型是一種利用光化學反應原理的高效成型加工方法，在光學圖層、光學粘結層中應用廣泛，可用于光固化成型的高折射材料在諸多領域顯現(xiàn)出越來越重要的應用價值[4-5]。

本文作者此前已成功實現(xiàn)將光固化材料與傳統(tǒng)注射成型方法的有機結合，并將這種成型方式定義為光化學制造技術。在光固化成型領域已有合成高折射率、低收縮率 UV 樹脂的相關報道[6-8]，一些新型 UV光固化材料折射率可達1.5以上，與光學級聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料性能相當，具備應用于光學制品加工生產的可能性。同時，具有低收縮率的UV材料適用于微流道混合器等精密產品的生產。這些都為UV光固化注射成型替代熱塑性材料注射成型提供了良好的應用基礎。本文在傳統(tǒng)注射成型工藝的基礎上，對模內“光化學制造”工藝參數(shù)進行實驗研究，分析了UV材料溫度、保壓壓力對制品精度的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

雙官能度聚氨酯丙烯酸酯，LE6702，鶴山市勵志門貿易有限公司；

三羥甲基丙烷三丙烯酸酯，TMPTA，鶴山市勵志門貿易有限公司；

二縮三丙二醇二丙烯酸酯，TGPDA，鶴山市勵志門貿易有限公司；

1-羥基環(huán)己基苯基酮，UV184，長沙新宇高分子科技有限公司；

聚丙烯（PP），ST868M，臺灣LCY公司。

1.2 主要設備及儀器

UV光固化注射成型實驗臺，自制；

紫外光源輻射設備，UPECII-4（主機）、UP-365（點光源輻射頭），深圳市尤藍譜科技有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），S-4700，日本日立公司；

全電動注塑機，AE80-32 H，廣州數(shù)控設備有限公司。

1.3 實驗方案

實驗采用的簡易模塑成型如圖1所示，柱塞裝置上端托盤可承放砝碼，從而達到注射壓力與保壓壓力的控制；電熱棒安裝于模板內與流道相鄰，通過比例-積分-微分控制器（P id）控制，流道內UV混合體可保持恒定溫度；壓塊加緊玻璃達到鎖緊模具的功能；燈距調節(jié)裝置可上下移動，達到控制燈頭與型腔表面距離的目的；制品的外形圖如圖2所示；

本文結合注射成型技術和UV光固化工藝兩方面，首先將UV材料溫度和保壓壓力作為兩個考察制品復制度的因素，對不同工藝條件下制品的成型質量進行了測量；其次對經過模擬工藝優(yōu)化過的PP注射成型制品和實驗得出的最優(yōu)實驗工藝參數(shù)制品進行了SEM測試，并根據電鏡圖片利用圖形處理軟件獲得制品微結構形貌對比圖；

保壓壓力、UV材料溫度變化時制品成型精度實驗：本文重點討論UV光固化注射成型對熱塑性成型的替代性問題，因此是在考慮注射成型工藝[9]的情況下同時結合UV材料特性進行實驗。根據此樹脂的使用說明得知，60℃下，本實驗所使用的UV樹脂黏度為8000～15000 mPa·s，在與適量單體混合后其黏度低于8000 mPa·s，在試驗中注射壓力在4 MPa時已經可以將型腔充滿；根據注射壓力的成型經驗，過大的保壓壓力會產生明顯制品飛邊，實驗中保壓壓力設定為0.25、0.5、1 MPa；

本實驗使用的UV樹脂為多種材料的混合體，溫度過高會加速其中一部分材料的揮發(fā)，因此分別設定成型溫度為25、35、45℃進行成型實驗評測；本實驗選擇質量法對制品的成型精度進行評測；質量法是注射成型復制度量化衡量指標之一，制品質量包含了制品體收縮和微結構充填的信息，充填率越高，體積收縮率越小（密度越大），則制品質量越大，制品精度越高；本實驗每組實驗條件下選擇20個樣品；

UV光固化注射成型制品精度與PP注射成型制品質量比較實驗：以相同微細結構制品作為成型對象，利用Moldex3d進行PP材料注射成型模擬，選取適當?shù)墓に噮?shù)進行傳統(tǒng)注射成型。將2種不同材料所獲得的微制品中的微細結構進行SEM測試，并將其結果處理后進行橫截面圖形比較。

2 結果與討論

2.1 UV光固化注射成型工藝參數(shù)的選擇

2.1.1 保壓壓力

在注射成型微制品工藝中，提高保壓壓力作為提高制品復制度的重要手段之一。UV光固化注射成型作為新的成型方式，保壓壓力是影響UV光固化注射成型精度的影響因素之一。表1為不同溫度下不同保壓壓力遞增情況下的制品平均質量表。

從表1中可以看出，在25、35、45℃3個設定溫度下，保壓壓力為0.5 MPa時，制品平均質量達到最大值。當物料溫度為25℃、保壓壓力遞增時，制品平均質量變化百分比分別為0.325%、0.333%；當料溫度為35℃、保壓壓力遞增時，制品平均質量變化百分比分別為0.725%、0.880%；當料溫度為45℃、保壓壓力遞增，制品平均質量變化百分比分別為0.356%、0.199%。

圖1 UV光固化注射成型實驗臺Fig.1 UV curing moldinjection experiment table

圖2 成型制品Fig.2 Geometry of the product

表1 制品在不同實驗條件下的平均質量 mgTab.1 Average quality of the productsin different experimental conditions mg

實驗結果表明，同一溫度下制品質量隨保壓壓力增加而增大的明顯趨勢。這是由于在同一溫度下逐漸增大保壓壓力時，保壓壓力直接影響進入型腔內UV材料量，使得施加保壓壓力后，型腔內UV材料的密度有所增加。

平均質量法作為評測微制品復制度的有效方法在熱塑性注射成型中得到了廣泛的應用，制品質量包含了制品收縮及微結構充填信息，其質量的大小初步反映了微結構零件注射成型復制度的高低，在微結構零件注射成型中，可用制品成型質量來初步量化評價其復制度。在已有的研究[10-12]結果中表明：在微制品注射成型中，保壓壓力增加，制品的質量約增加1%[13]。相比之下，增加保壓壓力，UV光固化的制品質量呈現(xiàn)增加現(xiàn)象，但其增加量均在1%以下，這一點與熱塑性材料注射成型中保壓壓力對制品復制度的影響有一定的差別。相對于傳統(tǒng)微制品注射成型的幾十至上百兆帕保壓壓力，試驗中所使用的UV光固化注射成型保壓壓力僅在0.5～2 MPa之間，足以證明UV光固化成型工藝條件容易達到。

2.1.2 UV物料溫度

與熱塑性注射成型相比，UV光固化材料注射成型的溫度要低得多，因為UV材料一般僅在20～60℃具有較好的反應活性，所以本實驗選擇25、35、45℃3個實驗溫度。

從表1中可以看出，當保壓壓力為0.5 MPa時，隨著UV材料溫度的變化，制品的質量變化百分比為0.780%、1.610%；當保壓壓力為1 MPa時，隨著 UV材料溫度的變化，制品的質量變化百分比為1.181%、2.667%；當保壓壓力為1 MPa時，隨著UV材料溫度的變化，制品的質量變化百分比為0.625%、1.997%。在實驗的3個溫度下，制品平均質量均出現(xiàn)先升后降的趨勢，UV材料溫度的增加引起其密度和黏度的變化，當溫度的增加較大時，UV材料的黏度大幅下降，注射成型過程中施加保壓壓力將造成明顯的流延現(xiàn)象。因此，成型溫度的增加不僅沒有起到提高型腔內UV材料密度的作用，相反使得型腔內UV材料密度更小。

熱塑性材料注射成型熔體溫度對制品質量變化率的影響為1%[14]，UV光固化注射成型與其相比有一定的差別。這一點足以說明UV物料的溫度對成型制品復制度的重要性。但是，與熱塑性材料注射成型相比，其固化溫度較低，成型工藝難度較小，這就為UV材料注射成型替代熱塑性材料注射成型提供了一定的工藝替代基礎。

2.2 微結構制品的復制度比較

微制品的成型質量作為評測其復制度的一個方法是對制品的收縮及微結構的復制度的宏觀評鑒，對制品上的微細結構尺寸與模具尺寸差別不能直觀的反應，因此需要借助一些微觀表征手段對制品的微細結構進行充分的表征，利用SEM對微細結構的橫截面圖形進行拍攝，并將拍攝結果適當處理，可獲得UV光固化成型制品與傳統(tǒng)注射成型制品微結構的對比圖。圖3和圖4為UV材料和PP材料成型的制品的梯形凸棱SEM圖；圖5是根據成型制品突棱形狀SEM結果描繪得到的注射成型制品與UV光固化注射成型制品橫截面對比圖。

圖3 UV光固化注射成型梯形棱SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of UV curinginjection molding trapezo idal edge

圖4 PP注射成型梯形棱SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photograph of PPinjection molding trapezo idal edge

圖5 UV制品與PP制品梯形棱外形比較圖Fig.5 Trapezo idal edge shape comparison between UV products and PP ones

PP制品注射成型工藝參數(shù)如表2、表3所示。UV光固化注射成型制品所使用的工藝參數(shù)根據2.1、2.2中得到的最高質量復制度的條件而定，如表4所示。

表2 注射機機筒溫度設定Tab.2 Barrel temperature of theinjection machine

表3 PP注射成型工藝參數(shù)Tab.3injection molding process parameters for PP

表4 UV光固化注射成型工藝參數(shù)Tab.4 UV curinginjection molding process parameters

從圖5中可以看出，UV材料成型后梯形棱的高度與PP材料成型后棱的高度有一定的差距，但就凸棱整體高度而言，PP成型制品棱高最高處為646μm，UV光固化成型制品棱高最高處為626μm，其差距僅為3.10%。根據圖3和圖4，PP材料與UV材料成型的凸棱均保持了較好的梯形形狀。所以，在不考慮力學性能的條件下，UV光固化注射成型是可以替代熱塑性材料注射成型的。

3 結論

（1）UV光固化注射成型保壓壓力、物料溫度均低于熱塑性注射成型保壓壓力、物料溫度較多，工藝要求易滿足要求；

（2）UV光固化注射成型制品微米級特征的復制度與傳統(tǒng)注射成型制品復制度差別相差無幾，充分顯示UV光固化注射成型在替代熱塑性材料注射成型方面具有廣闊的應用前景。

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