注射成型和注射壓縮成型PET瓶坯性能對比分析

易恒光，游 強，徐志江

(廣州一道注塑機械股份有限公司，廣東 廣州 510663)

注射成型是一種以高壓高速將塑料熔體注入閉合的模具型腔內(nèi)，經(jīng)過冷卻定型后得到和模具型腔形狀一致的塑料制品的成型方法[1-2]。注射成型的必要條件為：1)塑料必須是以熔體化的狀態(tài)進入模腔；2)塑料熔體必須有足夠的壓力和流速，以保證能及時充滿模腔[3-4]。注射壓縮成型是將注射和壓縮等2種成型方式結(jié)合起來的成型技術(shù)，是傳統(tǒng)注射成型的一種高級形式。其成型過程分2次進行，模具首次合模，動模板和定模板不完全閉合而保留一定的壓縮間隙，隨后向未完全閉合的模具型腔內(nèi)注射定量的聚合物熔體；熔體注射完成后，再次合模，使得動模板和定模板完全閉合，將模腔內(nèi)的熔體進行壓縮填充[5-8]。

目前，國內(nèi)對苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶坯的生產(chǎn)一般采用注射成型技術(shù)，鮮有發(fā)現(xiàn)用注射壓縮方法生產(chǎn)PET瓶坯的報道。本文以一種典型的PET瓶坯為例，采用注射成型和注射壓縮成型等2種方法分別制備了透明PET瓶坯，并對2種不同成型方式制備的透明PET瓶坯的外觀、瓶口尺寸、坯壁厚度同心度、乙醛(AA)含量、黏度(IV)降和應力線分布狀況進行了對比分析。本文研究為PET瓶坯的加工提供了一種新型、有效的成型方法，為注射壓縮成型技術(shù)在PET瓶坯生產(chǎn)領(lǐng)域的應用提供了依據(jù)和指導。

1 PET瓶坯的制作

1.1 材料與設(shè)備

PET的牌號為FY1002，熔融溫度為257～267 ℃，由廣州泛亞聚酯有限公司生產(chǎn)。

所用注塑機采用廣州一道注塑機械有限公司研制的UPET30—120閘板式直壓鎖模注塑機，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。試驗所用模具采用廣州一道注塑機械有限公司生產(chǎn)的一出二熱流道PICH150 S30機試驗模。

表1 UPET30—120閘板式直壓鎖模注塑機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 PET瓶坯制作的工藝

在制作開始前，將PET料在170 ℃下干燥6 h以排除物料中的水分。在樣品制備過程中，通過調(diào)節(jié)閘板式直壓鎖模注射機的程序，分別采用注射成型和注射壓縮成型方式生產(chǎn)PET瓶坯樣品，其成型工藝參數(shù)見表2，除了注射壓縮成型方式引入了1組壓縮行程和壓縮速度參數(shù)外，其他的工藝參數(shù)與注射成型完全一致。

表2 注射成型與注射壓縮成型工藝參數(shù)

1.3 PET瓶坯結(jié)構(gòu)

PET瓶坯的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖1所示。

圖1 38口徑28克PET瓶坯結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

2 測試與表征

2.1 表觀尺寸測試

采用CPJ-3020Aφ300數(shù)字式測量投影儀分別精確測量2種不同成型方式制備的PET瓶坯樣品的表觀尺寸。試驗步驟如下：確定物鏡倍率，根據(jù)零件設(shè)計圖樣制作與物鏡放大倍相同比例的標準放大圖，材料選用伸縮性較小的透明塑膠片；制10∶1的放大圖，用10倍物鏡進行測量，將瓶坯放在標準的V型樣板規(guī)上，然后放置在投影屏上；工件放在工作臺上，調(diào)好焦距，移動X、Y工作臺使零件影像與放大圖套準；若工件影像與放大圖的偏差在公差帶之內(nèi)，為合格，否則為不合格，偏差數(shù)值可以用X、Y坐標測量出來。利用RS232接口與計算機相連，用專用測量軟件M2D還可以實現(xiàn)雙坐標、測量數(shù)據(jù)的自動處理和零件形狀的測繪功能，連接打印設(shè)備可以輸出測量數(shù)據(jù)和測繪圖形。工件亦可任意放置無需精確調(diào)整，使測量功能與測量效率進一步擴大與提高。

2.2 IV降測試

(1)

式中，RV為相對黏度；t1為溶解液流通時間；t2為溶劑流通時間。

測出RV后，可由下列公式換算出IV：

(2)

式中，C為溶液的濃度，單位為g/mL。

2.3 AA含量測試

2.3.1 測試儀器和條件

采用Agilent HP6890氣相色譜儀檢測殘留在PET瓶坯樣品中的AA含量。進樣口溫度為250 ℃，分析柱為2 m×6 mm，80/100 mesh玻璃柱或其他等效色譜柱，柱溫為140 ℃，檢測器為氫火焰檢測器，檢測溫度為250 ℃。載氣為氮氣(99.999%)，流量為40 mL/min，燃氣為氫氣，流量為40 mL/min，助燃氣為空氣，流量為400 mL/min。頂空進樣器使用Agilent HP 7694。爐溫為150 ℃，進樣環(huán)溫度為125 ℃，氣體通路溫度為125 ℃，樣品瓶加熱時間為60 min(標樣為10 min)，加壓時間為0.13 min，加壓壓力為18 psi，充氣時間為0.15 min，充氣平衡時間為0.15 min，進樣時間為0.20 min。采用10 μL微量注射器。乙醛標準溶液的濃度約為1 mg/mL，采用20或22 mL樣品瓶(實驗室只能使用同一型號的樣品)。采用硅化聚四氟乙烯墊片及鋁質(zhì)樣品瓶蓋，分析天平精確到0.000 1 g，粉碎機及篩網(wǎng)為20目和40目。

2.3.2 求校正因子

求校正因子步驟如下：1)在頂空進樣器上設(shè)定技術(shù)參數(shù)；2)在頂空進樣器和氣相色譜儀上分別測定5個標樣的相應峰面積；3)根據(jù)每個標樣的響應值及標樣質(zhì)量，根據(jù)式3計算出標準直線。

Y=kX+b

(3)

式中，Y為氣相色譜響應值；X為標樣質(zhì)量；k和b為系數(shù)。一般氣相色譜所配的分析軟件中均可自動計算，如無合適的軟件，可采用本方法人工計算：

2.3.3 樣品制備及測試

將所要測定的樣品打碎成6 mm左右的小塊，并將樣品置于液氮中冷凍約10 min，將冷凍后的樣品立即放在粉碎機中進行粉碎，然后用篩網(wǎng)進行過篩處理，使用停留在40目篩網(wǎng)上的樣品；用分析天平迅速稱入一定量的樣品，樣品質(zhì)量M精確到0.000 1 g；用封蓋器將墊片及鋁蓋緊密蓋在5個干凈的樣品瓶上，并用微量注射器分別將2、3、4、5和6 μL乙醛標樣通過墊片注入樣品瓶中后開始測試，其中乙醛標準溶液濃度約為1 mg/mL。確定的樣品質(zhì)量應使其大部分響應值落在5個標樣量的范圍內(nèi)，參考質(zhì)量為0.2～0.6 g。結(jié)果分析采用下式進行計算：

式中，AA為乙醛含量，單位為μg/g；M為樣品質(zhì)量，單位為g。

2.3.4 應力線分布測試

樣品應力線分布采用表面WYL—2型應力儀，表面應力儀的測試原理是利用玻璃表面離子交換層的光波導效應來進行測量。從光源發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)過狹縫，由高折射率柱面棱鏡匯聚后變成平行光，通過調(diào)節(jié)光源的位置，使一束平行光以臨界角入射至玻璃與棱鏡的交界面，由于玻璃表面存在的應力，光線分解成為2個振動面相互垂直的矢量光，這2束光在玻璃的離子交換層中傳播速度是不同的，因此以不同全反射角折射到棱鏡。從棱鏡射出的光經(jīng)反射鏡反射進入干涉濾光片，由望遠鏡系統(tǒng)聚焦，再經(jīng)過分析鏡后在分劃板呈像而形成一個明暗臺階圖像。通過分析軟件可以精確測量臺階的高度和臺階線條的數(shù)量，以計算表面應力強度和應力層的深度。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 不同成型方式對PET瓶坯樣品表觀形貌和結(jié)構(gòu)尺寸的影響

注射成型和注射壓縮成型的PET透明瓶坯樣件的表觀形貌如圖2所示。由圖2可以看到，2種不同成型方式制備的透明樣件均具有良好的表面質(zhì)量，其外表晶亮透徹、無雜色、無氣泡，無生料、無雜質(zhì)、無黑點、無焦斑和污點、無凹痕變形。

注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的外觀結(jié)構(gòu)尺寸檢測結(jié)果見表3。表3反映了瓶坯樣件的結(jié)構(gòu)尺寸是否符合制品要求。從表3可以看出，注射成型和注射壓縮成型瓶坯瓶口的外徑、螺紋、鎖環(huán)、扣環(huán)、支撐環(huán)和質(zhì)量等都在標準值的偏差范圍內(nèi)，然而注射壓縮成型更加接近標準值。注射成型瓶坯為了保證螺紋外徑尺寸，不得不加重瓶坯質(zhì)量，以確保瓶口的密封性能，這樣不僅使產(chǎn)品增重，加大了碳排放，同時延長了成型周期，降低了成型效率。

圖2 注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的表觀形貌

表3 注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的外觀結(jié)構(gòu)尺寸

3.2 不同成型方式對PET瓶坯樣品AA含量和IV降的影響

注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的AA含量和IV降的測試結(jié)果見表4。從表4中可以看出，注射成型瓶坯樣品和注射壓縮成型瓶坯樣品的AA含量和IV降都符合相關(guān)標準，但注射壓縮成型瓶坯樣品的技術(shù)指標更接近PET試驗原料，可見注射壓縮成型技術(shù)是一種低壓加工工藝，用于低壓力模型成型生產(chǎn)，PET料的塑化剪切，注射壓力和速率都可以放在一個較小的空間。

表4 注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的AA含量和IV降

3.3 不同成型方式對PET瓶坯樣品應力線分布的影響

WYL—2型應力儀測試觀察下不同成型方式制備的PET瓶坯的應力線分布圖如圖3所示。由圖3a和圖3b可以看出，注射成型PET透明瓶坯件存在較大范圍的殘余應力，表現(xiàn)為以澆口為中心，出現(xiàn)大量的色彩環(huán)和深度不均的光斑，代表了一系列不同應力的等值線(等應力環(huán))，這說明注射成型的PET透明瓶坯殘余應力大而且分布范圍較寬；從圖3b左圖可以看出，注射壓縮成型PET透明瓶坯彩色區(qū)域面積很小，分布條紋非常均勻一致，而圖3b右圖中的等應力環(huán)實際是熔體以澆口為中心沿圓周取向的結(jié)果，這說明注射壓縮成型PET透明瓶坯樣品的殘余應力小而且分布范圍均勻、窄小。

圖3 注射成型和注射壓縮成型PET透明瓶坯樣件的應力線分布圖

注射壓縮成型PET瓶坯透明件具有更低殘余應力，這與其成型特點密切相關(guān)。對注射成型和注射壓縮成型制品而言，殘余應力是指制品出模后未完全松弛而殘留在制品內(nèi)部的各種應力之和，主要包括取向應力和熱應力。取向應力源于注射成型的充填和保壓過程中，塑料熔體在模腔中進行非等溫流動形成的剪切應力和拉伸應力，使得大分子鏈伸展，沿流動方向產(chǎn)生形變，在冷卻過程中若大分子來不及松弛就被“凍結(jié)”在制品中，即形成取向應力；熱應力主要來源于冷卻過程，制品在快速冷卻過程中內(nèi)部溫度分布不均勻，冷卻層由模腔表面向內(nèi)部逐漸推進，制品中各點在不同時間從較高的溫度降到玻璃化溫度以下，所經(jīng)歷的收縮變形不一致，從而產(chǎn)生應力[9]。取向應力主要與充填和保壓過程有關(guān)，主要影響參數(shù)包括注射壓力、保壓壓力、熔體溫度和模具溫度等。注射成型的注射填充和保壓都是在模具完全閉合的情況下進行的，而注射壓縮成型的熔體注射是在模腔未完全閉合情況下進行的(見圖4)，型芯和型腔之間保持一定的間隙，因此流動阻力小，所需的注射壓力低，當注射量達到要求時，通過專門壓縮裝置直接壓縮模腔進行合模，熔體收縮是通過整個模腔直接壓縮熔體來補償?shù)?，而不是通過螺桿傳遞到澆口處的局部壓力實現(xiàn)補縮保壓，因此需要的壓力低而且均勻，壓縮完畢即產(chǎn)品定型。低注射壓力和低保壓壓力導致注射壓縮成型時熔體在模腔中受到的剪切應力和拉伸應力小，大分子取向程度低，取向應力也就低，因此注射壓縮成型透明件具有低且均勻的殘余應力，相應的光學雙折射值小而均勻，有利于提高PET瓶坯透明件的光學性能。

圖4 注射壓縮成型PET透明瓶坯原理示意圖

4 結(jié)語

通過上述研究，得出如下結(jié)論。

1)2種不同成型方式制備的PET瓶坯樣件均具有良好的表面質(zhì)量，其外表晶亮透徹、無雜色、無氣泡，無生料、無雜質(zhì)、無黑點、無焦斑和污點、無凹痕變形。其中，注射壓縮成型方式制備的PET瓶坯樣件的結(jié)構(gòu)尺寸較注射成型更為標準。

2)注射成型瓶坯樣品和注射壓縮成型瓶坯樣品的AA含量和IV降都符合相關(guān)標準，但注射壓縮成型瓶坯樣品的技術(shù)指標更接近PET試驗原料。

3)注射成型PET透明瓶坯樣件存在較大范圍的殘余應力，表現(xiàn)為以澆口為中心，出現(xiàn)大量的色彩環(huán)和深度不均的光斑，其殘余應力大而且分布范圍較寬。注射壓縮成型PET透明瓶坯彩色區(qū)域面積很小，分布條紋非常均勻一致，其殘余應力小而且分布范圍更為均勻、窄小。

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