注塑條件對K4912牌號聚丙烯力學(xué)性能的影響

高星(神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林719300)

注塑條件對K4912牌號聚丙烯力學(xué)性能的影響

高星(神華榆林能源化工有限公司，陜西榆林719300)

本文采用K4912牌號聚丙烯為試驗物料，研討了在注塑成型過程中注射速度、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力對其拉伸屈服應(yīng)力、彎曲模量、簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度的影響，并最終選定合適的注射速度、模具溫度、熔體溫度設(shè)定、保壓壓力等試驗條件進(jìn)行注塑試樣。

聚丙烯;注塑;力學(xué)性能

神華榆林能源化工有限公司聚丙烯裝置采用INEOS聚丙烯生產(chǎn)工藝，設(shè)計負(fù)荷300kt/a，公司生產(chǎn)的K4912牌號聚丙烯屬于中高熔融指數(shù)透明注塑產(chǎn)品。由于K4912牌號聚丙烯熔融指數(shù)高，流動性能好，冷卻速度快，因而在注塑加工過程中，樣品經(jīng)過溶解、加壓、注射、保壓、冷卻成型多個過程使得分子鏈的排列與初始發(fā)生改變，從而導(dǎo)致產(chǎn)品聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的改變進(jìn)而影響力學(xué)性能。本文依據(jù)最新版力學(xué)性能分析國家標(biāo)準(zhǔn)，通過改變?nèi)垠w溫度、注射速度、保壓壓力、模具溫度尋找出最佳的參數(shù)條件以期客觀反映聚丙烯樹脂K4912的力學(xué)性能，并對下游加工做出支持。

K4912牌號產(chǎn)品屬于無規(guī)共聚聚丙烯，通常是在第一和第二反應(yīng)器中分別通入丙烯和少量其他單體，主要為乙烯進(jìn)行共聚而成，乙烯加入量占總產(chǎn)量的比例約為3-4%wt。與均聚的等規(guī)聚丙烯相比，無規(guī)共聚物的拉伸強(qiáng)度、模量、硬度和熱變形溫度均有所降低，沖擊強(qiáng)度和透明性得到提高，因而K4912牌號聚丙烯廣泛應(yīng)用于各類醫(yī)療器械及保鮮盒、整理箱、水杯等日常使用透明注塑制品。

1 注塑成型過程簡介

注塑過程分為預(yù)塑、注射、保壓、冷卻成型過程。

(1) 預(yù)塑過程即物料通過螺桿旋轉(zhuǎn)輸送至壓縮段，在壓縮段塑化排氣，至計量段物料充分熔化攪拌完成預(yù)塑過程。經(jīng)過這一系列過程，固體物料從玻璃態(tài)經(jīng)粘彈態(tài)至粘流態(tài)，使得物料溫度均化、黏度均化、密度均花、組成均化。

(2) 預(yù)塑完成后模具閉合，熔料在螺桿推動下從噴嘴經(jīng)澆口高速注入模腔中將模腔中，將模腔充滿。從模具閉合開始注塑算起到模具型腔填充到大約95%為止。

(3) 注射完成后立即進(jìn)入保壓階段，保壓的作用是持續(xù)施加壓力，壓實熔體，增加塑料密度以補(bǔ)償塑料的收縮行為。在保壓后期，材料密度逐步增大試樣逐步成型，保壓階段持續(xù)到澆口固化封口為止，此時模腔壓力達(dá)到最高值。

(4) 冷卻階段占整個注塑時間的70%-80%，使塑料制品冷卻至熱變形溫度以下，塑料制品只有冷卻固化到一定程度后才能避免塑料制品因外力作用產(chǎn)生變形；脫模是注塑成型循環(huán)中最后一步，雖然試樣已經(jīng)固化成型，但是脫模不當(dāng)還是有可能導(dǎo)致產(chǎn)品受力不均，引起產(chǎn)品變形等缺陷。

2 實驗

2.1 原料：聚丙烯K4912

2.2 實驗設(shè)備：

(1) 注塑機(jī)，奧地利BattenfeLd公司HM110/210注塑機(jī)，螺桿直徑30mm，GB/T 1040.2中規(guī)定的1A啞鈴形模具。

(2) 萬能試驗機(jī)，INSTRON 5966 10KN能量萬能材料試驗機(jī)雙立柱機(jī)架。配有10KN載荷傳感器、5KN氣動夾具、鋸齒形夾面、長行程引伸計。

(3) 沖擊試驗機(jī)，CEAST（意大利），CEA9050。

2.3 測試方法

GB/T 2918-1998塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境

GB/T 1040.1-2006/ISO 527-1:1993塑料拉伸性能的測定第1部分：總則

GB/T 9341-2000塑料彎曲性能測試方法

GB/T 1843塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測定(ISO 180:2000，IDT)

2.4 本文以調(diào)整注塑過程中注射速度、模具溫度、熔體溫度、保壓壓力四個參數(shù)為變量，在其他條件一致的情況下采用控制變量法以研究具體變量對力學(xué)性能的影響

樣品注塑完成后在GB/T 2918規(guī)定的條件下調(diào)節(jié)48h后在相應(yīng)國標(biāo)條件下進(jìn)行力學(xué)性能試驗。

3 結(jié)果與討論

3.1 注射速度的影響

以國標(biāo)給定條件GB/T 2546.2-2003塑料聚丙烯（PP）模塑和擠出材料第2部分：試樣制備和性能測定給定條件為基礎(chǔ)，在熔融指數(shù)MFR＞7g/10min時注射速度為200±20mm/s，為保證所有試驗樣條條件一致，本試驗采用GB11997中規(guī)定的多用途試樣。注射速度定義為熔體通過關(guān)鍵截面時的平均速度，對比注射前后注塑機(jī)行程差及螺桿直徑得出拉伸樣條模塑體積為38.86cm3，通過公式v1=VM計算得到注射時間為2.43s從而設(shè)定注塑機(jī)速度，當(dāng)注塑機(jī)速度為22.6m/s時注射速度為200mm/s。調(diào)整注塑機(jī)速度分別為13、18、23、28、32即注射速度分別為115mm/s、160mm/s、200mm/s、250mm/s、280mm/s，保證熔體溫度為200℃、模具溫度40℃、保壓壓力、螺桿轉(zhuǎn)速不變，注得樣條進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1：注射速度與彎曲模量和簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度的關(guān)系

圖2：注射速度與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

從圖1、圖2中可以看出，注射速度為115mm/s-280mm/s時，拉伸強(qiáng)度隨折射速度的增加先減小再逐步增加，拉伸斷裂應(yīng)變及彎曲模量逐步升高，沖擊強(qiáng)度隨著注射速度的提高，拉伸強(qiáng)度逐步增加，但是拉伸斷裂伸長率隨注射速度增加而降低。沖擊強(qiáng)度主要由結(jié)晶狀況及試樣內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力決定，在剪切力作用下，分子鏈沿試樣流動方向規(guī)律排列，在注射速度低的時候，剪切速率就相應(yīng)降低，因而在注射速率大的時候，能夠承載的沖擊強(qiáng)度會更大。這種應(yīng)力作用下晶體間的規(guī)律排列使得在沿著流動方向拉伸樣品時制品力學(xué)性能好，而同時這種取向不利于試樣的延展，因而斷裂伸長率隨注射速度的增加而減小。

3.2 模具溫度對力學(xué)性能的影響

在注塑過程中模具通過模溫機(jī)中循環(huán)水控制穩(wěn)定的溫度，熔融狀態(tài)的聚丙烯熔膠注入模具后開始降溫結(jié)晶。保證注射速度200mm/s、保壓壓力100bar、熔體溫度200℃、保壓時間40s，對注塑樣品分別在40℃和60℃下冷卻結(jié)晶。對制得樣品進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)后試驗，試驗得到以下結(jié)論：在較高的溫度下結(jié)晶，拉伸屈服應(yīng)力、拉伸斷裂應(yīng)變、彎曲模量均得到提高但是沖擊性能即簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度降低。

這是因為結(jié)晶速度取決于熔體與模具溫度之差，在熔體溫度一定的情況下，較高的模具溫度使得結(jié)晶速率降低，結(jié)晶時間增長而結(jié)晶度增加，拉伸性能、彎曲性能等韌性結(jié)果提高，而較高的結(jié)晶度使得分子鏈排列緊密，孔隙率下降，分子間作用力增加，分子鏈段活動余地小因而沖擊性能降低【1】。

3.3 熔體溫度對力學(xué)性能的影響

熔體溫度的設(shè)定通過對注塑機(jī)各段的溫度設(shè)定來控制，通過溫度傳感器測定注塑機(jī)接近注膠口的溫度為熔體溫度。保證注射速度200mm/s、保壓壓力100bar、模具溫度40℃、保壓時間40s，分別設(shè)定熔體溫度為190℃、210℃、230℃制樣，制得樣品在溫度23±2℃,濕度50±5%的條件下狀態(tài)調(diào)節(jié)40h，進(jìn)行力學(xué)性能測試，以考察熔體溫度對試樣力學(xué)性能的影響。

試驗結(jié)果為隨著熔體溫度的提高，聚丙烯試樣的拉伸性能，彎曲性能，沖擊性能均降低。分析認(rèn)為拉伸性能和彎曲性能的下降是因為熔體溫度越高，溶膠與冷卻溫度即模具溫度的溫差越大，在冷卻過程中外層溶膠即與模具貼合的部位比內(nèi)部即注塑件里面的冷卻速度快，在試樣內(nèi)部進(jìn)一步冷卻過程中必然會收縮而使試樣內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力通過狀態(tài)調(diào)節(jié)改善而不能被完全消除，進(jìn)而影響試樣的拉伸力學(xué)性能【2】。而簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度的降低是因為熔體溫度高時，分子鏈的運(yùn)動加強(qiáng)，熱運(yùn)動劇烈，不易形成有規(guī)律的排序，取向程度降低；另一方面，熔體在高溫的情況下，需要冷卻的時間增長，導(dǎo)致塑料大分子松弛時間增長，也會解取向，使得取向程度降低【3】。

3.4 保壓壓力的影響

試樣注射結(jié)束后進(jìn)入保壓階段，保壓過程是給予模腔一定壓力，防止腔內(nèi)物料倒流，確保熔體順利成型的過程。保壓過程中聚合物溫度降低黏度增大，如果保壓壓力不足將會造成試樣嚴(yán)重收縮變形，若保壓壓力過大則會造成溢料，試樣飛邊等影響外觀的狀況。保證注射速度200mm/s、熔體溫度210℃、模具溫度40℃、保壓時間40s，我們采用50bar、80bar、110bar、140bar的保壓壓力進(jìn)行試驗驗證保壓壓力對聚丙烯K4912力學(xué)性能的影響。

圖3：保壓壓力對拉伸性能、彎曲性能的關(guān)系

從圖3中可以看出，試樣的質(zhì)量和厚度隨保壓壓力的增大先逐漸增大，到達(dá)110bar后增速減緩，試樣的拉伸性能、彎曲性能均隨著保壓壓力的提高呈現(xiàn)出先逐步增大到達(dá)一定值后又趨于減小的情況。這是因為在保壓壓力較低的時候，試樣的質(zhì)量也偏低，說明模腔內(nèi)的物料得不到充分的補(bǔ)充。在保壓壓力撤除后，物料未充分冷卻，模腔內(nèi)的物料后出現(xiàn)向物料來源方向即射臺方向倒流的狀況。這種變化會使試樣初冷后又出現(xiàn)滑動，造成試樣內(nèi)部出現(xiàn)不連續(xù)的應(yīng)力缺陷，從而造成力學(xué)性能整體偏低。隨著保壓壓力的增大，模腔內(nèi)的物料逐步得到補(bǔ)充，厚度、密度均逐步增加，這種變化會使得晶體熔點(diǎn)升高，結(jié)晶速度加快，在更高的溫度下開始結(jié)晶，這就使得試樣的內(nèi)部缺陷減少，因而沖擊性能逐步提高。當(dāng)保壓壓力過大時，物料外溢造成飛邊的情況，另一方面熔體分子的方向性增加，試樣內(nèi)應(yīng)力增大，進(jìn)而影響試樣的沖擊性能。

4 結(jié)語

聚丙烯K4912牌號產(chǎn)品在透明聚丙烯市場應(yīng)用廣泛，對于下游加工生產(chǎn)，注塑條件的選擇對最終制品的性能和質(zhì)量非常重要，通過本文研究，對于下游生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)所生產(chǎn)產(chǎn)品的主要用途合理設(shè)定各個注塑參數(shù)，在兼顧聚丙烯K4912牌號的剛性和韌性的情況下應(yīng)選擇200mm/s的注射速度、40℃的模具溫度、200℃的熔體溫度設(shè)定、110pai的保壓壓力注塑試樣。

[1]洪定一，聚丙烯-原理、工藝與技術(shù)，中國石化出版社，2011.

[2]王興天，注射成型工藝[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[3]李素云、劉長維、陳炎、等，聚丙烯注射模塑工藝條件與結(jié)構(gòu)形態(tài)及性能的關(guān)系[J]北京化工學(xué)院學(xué)報，1983.