PC/PET合金制品開(kāi)裂的原因分析與解決方法

陶永亮，陳曉東（.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 4007； .重慶科聚孚工程塑料有限責(zé)任公司，重慶 4033）

PC/PET合金制品開(kāi)裂的原因分析與解決方法

陶永亮1，陳曉東2
（1.重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712； 2.重慶科聚孚工程塑料有限責(zé)任公司，重慶 401332）

針對(duì)一種聚碳酸酯（PC）/聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）合金制品——助聽(tīng)器外殼在注塑結(jié)束放置一段時(shí)間后出現(xiàn)的開(kāi)裂現(xiàn)象，基于PC和PET結(jié)晶性能的差異，從工藝和設(shè)備方面對(duì)開(kāi)裂的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決方法，對(duì)原料干燥工藝和注塑溫度、模具溫度等進(jìn)行了調(diào)整，將原來(lái)的大容量注塑機(jī)換成小容量注塑機(jī)，以降低材料在機(jī)筒中的停留時(shí)間，同時(shí)輔助于適宜的退火溫度，較好地解決了助聽(tīng)器外殼的開(kāi)裂問(wèn)題，制品的合格率由45%提高到98%，基本滿足了用戶(hù)要求，為解決類(lèi)似PC/PET合金制品的開(kāi)裂問(wèn)題提供了一定的借鑒和參考。

助聽(tīng)器；聚碳酸酯；聚對(duì)苯二甲酸乙二酯；合金；開(kāi)裂；原因分析；解決方法

聚碳酸酯（PC）/聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）合金材料是常見(jiàn)的聚酯類(lèi)合金材料，其既保留了PET的加工流動(dòng)性、耐溶劑性，又具有PC的高尺寸精度和韌性，具有優(yōu)異的綜合性能［1］，在電子接插件、汽車(chē)外飾件、衛(wèi)生器械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。PC力學(xué)性能優(yōu)良，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高（150℃），韌性好，將其與PET共混可提高PET的沖擊強(qiáng)度［2］，但PC的含量不宜過(guò)高。PC/PET合金材料可在-60～120℃下長(zhǎng)期使用，耐油，耐酸，但不耐強(qiáng)堿及胺、酮類(lèi)，長(zhǎng)期在水中易引起水解和開(kāi)裂，因此在成型加工前對(duì)其進(jìn)行干燥處理非常重要。PC和PET的結(jié)晶性能存在巨大差異，易導(dǎo)致PC/PET合金材料的界面粘合不良，其制備的制品會(huì)由于內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂［3-4］。在PC/PET合金制品的注塑生產(chǎn)過(guò)程中，為避免其發(fā)生開(kāi)裂問(wèn)題，注塑工藝的設(shè)置非常重要。筆者以實(shí)際注塑生產(chǎn)中遇到的一種PC/PET合金制品——助聽(tīng)器外殼開(kāi)裂問(wèn)題為例，分析了其發(fā)生開(kāi)裂問(wèn)題的原因，并針對(duì)原因提出了相應(yīng)的解決方法，為解決類(lèi)似PC/PET合金制品的開(kāi)裂問(wèn)題提供參考。

1　助聽(tīng)器外殼的開(kāi)裂現(xiàn)象

助聽(tīng)器外殼采用基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料（美國(guó)）公司的商品號(hào)為XYLEXTMHX8300HP的PC/PET合金材料，其中PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，PET質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%，氫化（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）嵌段共聚物（SEBS）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，其它助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。助聽(tīng)器外殼實(shí)物圖如圖1所示，其形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)小而輕（如圖2所示），壁厚很薄（0.7 mm），對(duì)裝配的要求較高。

圖1　助聽(tīng)器外殼實(shí)物圖

圖2　助聽(tīng)器外殼的質(zhì)量檢測(cè)

助聽(tīng)器外殼注塑模采用一模兩腔（左右排列），直澆口進(jìn)料，注塑設(shè)備采用寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司制造的型號(hào)為HTF80B、長(zhǎng)徑比為20的80T注塑機(jī)?？紤]到PC的加工性能相對(duì)較差，在設(shè)置初始注塑工藝時(shí)基本參照PC的注塑工藝（包括干燥溫度和時(shí)間等），見(jiàn)表1。

表1　助聽(tīng)器外殼初始注塑工藝參數(shù)

按照表1設(shè)置的工藝參數(shù)進(jìn)行注塑，其過(guò)程較為順利，剛成型的制品沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，在外力作用下也很難開(kāi)裂。但是制品在放置（含產(chǎn)品裝配）7～10 d后，卻出現(xiàn)了不同程度的裂紋，且在受到很小的外力作用下即出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖3所示。由圖3可以看出，開(kāi)裂截面較平整，說(shuō)明主要應(yīng)是內(nèi)應(yīng)力造成的。需要從工藝和設(shè)備等方面對(duì)其開(kāi)裂原因進(jìn)行分析，以找到相應(yīng)的解決方法。

2　助聽(tīng)器外殼開(kāi)裂原因分析

2.1工藝方面的分析

PC是一種無(wú)定形的聚合物，而PET是一種結(jié)晶型聚合物，具有一定的結(jié)晶取向能力，兩者的結(jié)晶性能存在巨大的差異，這導(dǎo)致了兩者的相容性較差，從而影響了合金材料的性能。有文獻(xiàn)表明，PC與PET共混，隨著PC含量增加，兩者的相容性會(huì)變差［5］。而這種結(jié)晶性能的差異也會(huì)對(duì)PC/PET合金的注塑工藝產(chǎn)生較大的影響，在模具型腔中冷卻成型時(shí)，由于PET的結(jié)晶，其會(huì)發(fā)生收縮，而PC的收縮相對(duì)較?。≒ET的收縮率一般是PC的3倍左右），這就會(huì)造成兩者的收縮不同，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。因此在設(shè)置注塑工藝參數(shù)時(shí)，如果只參考PC的注塑工藝則會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。所以需要結(jié)合兩者的結(jié)晶性差異對(duì)注塑工藝進(jìn)行深入地分析，以找到適宜于PC/PET合金的注塑工藝參數(shù)。

圖3　助聽(tīng)器外殼開(kāi)裂圖

（1）干燥溫度和干燥時(shí)間。

PC和PET對(duì)水比較敏感，耐水解性差，在加工前必須對(duì)其進(jìn)行干燥。PC和PET的干燥溫度都比較高，如PC的干燥溫度一般在120℃左右，但是對(duì)于助聽(tīng)器外殼所采用的PC/PET合金材料，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)證明，采用PC的干燥溫度反而會(huì)導(dǎo)致合金材料的制品發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。這可能是因?yàn)?，采用的PC /PET合金材料中含有SEBS和其它助劑，過(guò)高的干燥溫度（120℃）和過(guò)長(zhǎng)的干燥時(shí)間（6～8 h）可能對(duì)這些助劑的性能產(chǎn)生不利影響，最終影響了整個(gè)合金材料的性能。

（2）注塑溫度和模具溫度。

PC的注塑溫度比較高，一般為250～280℃［6］，其成型的壓力也比較大。在模具溫度一定的情況下，注塑溫度越高，相應(yīng)的熔體溫度與模具溫度的差異就越大，對(duì)于結(jié)晶型的PET來(lái)說(shuō)，其結(jié)晶速度較慢，在相同的冷卻時(shí)間內(nèi)，熔體溫度與模具溫度的差異越大，則冷卻速率就越快，PET的結(jié)晶就越不完善，此時(shí)若模具溫度較高，則PET在脫模后的冷卻過(guò)程中，可能會(huì)繼續(xù)結(jié)晶而造成收縮，從而在合金中生成新的內(nèi)應(yīng)力，最終使制品發(fā)生開(kāi)裂。在制品壁厚較大的部位，其溫度下降的速度較其它部位慢，如果注塑溫度和模具溫度較高，這些較厚的部位溫度下降的速度會(huì)更慢，由于不同部位溫度下降的幅度不同，PET結(jié)晶形成的球晶大小也不一樣，而一旦形成不均勻的晶體，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致合金材料的強(qiáng)度變低［7］。

（3）退火溫度。

PC分子鏈上具有苯環(huán)，解取向比較困難，成型后，整個(gè)分子鏈已經(jīng)被凍結(jié)，造成制品存在殘留應(yīng)力，因此需要退火處理。PET在成型后往往也殘留一定的內(nèi)應(yīng)力，因此也需要進(jìn)行后處理［8］。PET的結(jié)晶速度較慢，因而需要退火以使合金中的PET結(jié)晶得到充分發(fā)展，從而起到消除缺陷完善結(jié)晶的作用［9］。但是，在將PC/PET合金制品進(jìn)行退火處理時(shí)，若退火溫度選擇不當(dāng)或者僅參考PC的退火溫度，可能會(huì)使合金中的PET在繼續(xù)結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生較大的收縮，由此會(huì)在PC/PET合金材料內(nèi)部生產(chǎn)新的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生。

2.2設(shè)備方面的分析

助聽(tīng)器外殼注塑設(shè)備選用的是80T注塑機(jī)，其理論注塑量為134 g［按聚苯乙烯（PS）密度計(jì)算］，折算成PC/PET合金的注塑量有149 g （PS密度1.05 g/cm3，PC/PET合金密度1.17 g/cm3）。由圖2可以看出，一模制品連同澆注凝料的質(zhì)量?jī)H3.37 g，而注塑周期為25 s，這樣原料在整個(gè)機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間（即原料從料斗進(jìn)入到注塑機(jī)機(jī)筒至其最終被熔融進(jìn)入模具型腔的時(shí)間）非常長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，最長(zhǎng)可達(dá)18 min以上，在均化段（普通螺桿的均化段長(zhǎng)度可占螺桿總長(zhǎng)的20%～30%）的停留時(shí)間也可在3.6～5.4 min內(nèi)。材料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在局部容易積聚過(guò)多熱量，導(dǎo)致其降解發(fā)生；另外，該設(shè)備較陳舊，注塑過(guò)程中需要較大的轉(zhuǎn)速，在預(yù)塑過(guò)程中有可能造成物料分解，使成型的制品強(qiáng)度下降，這也是導(dǎo)致制品成型后開(kāi)裂的原因之一。

3　助聽(tīng)器外殼開(kāi)裂現(xiàn)象的解決方法

3.1調(diào)整原料的干燥工藝

由上述分析可知，對(duì)于PC/PET合金材料，不能僅參照PC的工藝，由于在PC/PET合金的制備過(guò)程中，添加了SEBS和其它助劑，并經(jīng)過(guò)了4，4′-二苯基甲烷二異氰酸酯的交聯(lián)，合金的熱性能發(fā)生了變化［10］，因此應(yīng)根據(jù)PC/PET合金材料的特性進(jìn)行工藝設(shè)置。對(duì)于干燥溫度和時(shí)間，經(jīng)咨詢(xún)得知，該P(yáng)C/PET合金材料的干燥溫度范圍較小，應(yīng)在65～75℃內(nèi)，只有10℃左右的可調(diào)范圍。為此，采用了溫度控制精度較高的烘箱，其溫度可顯示到0.1℃。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定該P(yáng)C/PET合金材料的干燥溫度為70℃，而不是PC的120℃。干燥時(shí)間縮短為3～5 h，最多不能超過(guò)8 h。通過(guò)干燥溫度和時(shí)間的調(diào)整，可以在不損害合金材料中助劑的情況下獲得較好的干燥效果，經(jīng)測(cè)試其最大含水率為0.01%。

3.2選擇合適的注塑溫度和模具溫度

鑒于PC與PET結(jié)晶性能的差異，為了避免PET在成型后發(fā)生較大的收縮，降低了注塑溫度和模具溫度。由于PC/PET合金材料對(duì)溫度的敏感性很強(qiáng)，其注塑溫度控制的范圍比較狹窄，其噴嘴溫度應(yīng)設(shè)置在245～265℃，均化段溫度設(shè)置在245～265℃，熔融段溫度240～260℃，加料段溫度240～250℃。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，最終確定噴嘴溫度255℃，均化段溫度245℃，熔融段溫度250℃，加料段溫度240℃。同時(shí)調(diào)整模具溫度在55～60℃。其它工藝參數(shù)方面，在預(yù)塑階段采用0.2～0.5 MPa的背壓，有利于塑化充分；控制螺桿轉(zhuǎn)速在20～100 r/min，一般選擇較低的轉(zhuǎn)速，以減少摩擦帶來(lái)的熱量；為了降低制品的內(nèi)應(yīng)力，減少開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生，適當(dāng)降低了注塑壓力。

3.3選擇小容量注塑機(jī)

注塑設(shè)備容量大，使得材料在機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)久也是導(dǎo)致制品后開(kāi)裂的原因之一，因此最終選擇了寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司制造的型號(hào)為ZE40040T、長(zhǎng)徑比20的40T注塑機(jī)，其理論注塑量為32.8 g （按PS密度計(jì)算），折算成PC/PET合金的注塑量為36.6 g，經(jīng)計(jì)算，原料在整個(gè)機(jī)筒內(nèi)的停留時(shí)間僅為4.5 min，在均化段的停留時(shí)間僅為0.9 ～1.35 min，這樣大大降低了原料在機(jī)筒內(nèi)的降解幾率。

3.4選擇適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟?/p>

如上述分析，在對(duì)PC/PET合金進(jìn)行退火時(shí)，若溫度控制不當(dāng)，會(huì)造成PET較大的收縮。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，PC/PET合金較適宜的退火溫度為60℃，在此溫度下將助聽(tīng)器外殼退火1 h后隨爐冷卻，經(jīng)強(qiáng)度檢驗(yàn)測(cè)試，該制品在放置數(shù)天后沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

3.5提前進(jìn)行制品強(qiáng)度檢驗(yàn)

助聽(tīng)器外殼一般在放置7 d后開(kāi)始發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，故根據(jù)用戶(hù)需要，提前半月開(kāi)始生產(chǎn)該類(lèi)制品，從注塑結(jié)束后（含退火處理）的第七天開(kāi)始對(duì)制品進(jìn)行強(qiáng)度檢查，檢查制品外觀是否有裂紋，檢查其在外力作用下是否斷裂。然后于第十天、第十五天分別再檢查一次，以確保沒(méi)有開(kāi)裂的現(xiàn)象發(fā)生。

3.6調(diào)整后的工藝參數(shù)及制品合格率

調(diào)整后的工藝參數(shù)見(jiàn)表2。利用表2的工藝參數(shù)進(jìn)行助聽(tīng)器外殼的注塑生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)制品的強(qiáng)度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)合格率從45%提高到98%，基本滿足了用戶(hù)的要求，合格的制品如圖4所示。

表2　調(diào)整后的助聽(tīng)器外殼注塑工藝參數(shù)

圖4　合格的助聽(tīng)器外殼實(shí)物圖

4　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)PC/PET合金材料的開(kāi)裂問(wèn)題，以由該類(lèi)合金材料制備的助聽(tīng)器外殼為例，探討分析了其開(kāi)裂的原因，根據(jù)分析得到的原因調(diào)整了干燥和注塑工藝，選擇小容量注塑機(jī)，有效縮短材料在機(jī)筒內(nèi)停留時(shí)間，同時(shí)輔助于正確的退火工藝以及檢驗(yàn)方法，較好地消除了制品中內(nèi)應(yīng)力的影響，解決了助聽(tīng)器外殼的開(kāi)裂問(wèn)題，合格率從45%提高到98%，基本滿足了用戶(hù)要求，為PC/PET合金制品類(lèi)似問(wèn)題的解決提供了一定的借鑒和參考。

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Reason Analysis and Solutions for Cracking of PC/PET Alloy Parts

Tao Yongliang1， Chen Xiaodong2
（1. Chongqing Chuanyi Engineering Plastic Co. Ltd.， Chongqing 400712， China； 2. Chongqing Copolyforce Engineering Plastics Co. Ltd.， Chongqing 401332， China）

According to the occurred cracking phenomenon of a Hearing AIDS shell plastic parts made of polycarbonate（PC）/ poly（ethylene terephthalate） （PET） alloy materials when they were laid up for a period of time after injection molding，based on the crystallinity difference of PC and PET，the cracking reason was analyzed from the injection molding process and equipment，then，the corresponding solutions were presented. The drying technology of raw materials，injection molding temperature and mould temperature were adjusted，the injection machine with high-capacity was replaced by the machine with small-capacity for decrease the residence time of the materials in barrel，meanwhile，assisted by the appropriate annealing temperature，the cracking problem was well solved，the qualified rate of the parts was improved from 45% to 98% and met the requirements of users basically，which provided a certain reference for solving the cracking problem of similar PC/PET alloy parts.

hearing AIDS；polycarbonate；poly（ethylene terephthalate）；alloy；cracking；reason analysis；solution

TQ320.66+2

A

1001-3539（2016）08-0069-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.08.015

聯(lián)系人：陶永亮，高級(jí)工程師，主要從事注塑模設(shè)計(jì)及工藝，注塑工藝管理等工作

2016-05-11