注塑工藝對尼龍6微發(fā)泡材料形態(tài)結(jié)構(gòu)影響

王濱 蔣頂軍

(南京聚隆科技股份有限公司,江蘇 南京,210061)

在汽車塑料用料中,尼龍材料一直占據(jù)很重要位置,并且每年以2.2%～2.8%的速度增長。玻纖增強(qiáng)尼龍材料被廣泛應(yīng)用于汽車各結(jié)構(gòu)部件,比如底盤系統(tǒng)、后視鏡系統(tǒng)、前端框架、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管等[1-2]。隨著汽車輕量化趨勢發(fā)展,尼龍部件的輕量化已經(jīng)成為重要的研究方向[3]。

微發(fā)泡材料技術(shù)以其獨(dú)有芯層發(fā)泡、表層致密的三明治結(jié)構(gòu),在盡可能減少性能損耗的前提下,顯著減輕制件的重量,縮短注塑周期,減少材料用量,降低生產(chǎn)成本[4]。對于壁厚差異較大、結(jié)構(gòu)對稱性好的制品,例如門板等,還具有特殊成型的優(yōu)越性[5]。目前對車用玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡材料的研究較少,下面將探討注射成型工藝對玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡材料泡孔形態(tài)和表觀質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

尼龍6,S2700,日本住友公司;增韌劑,NMN493D,陶氏杜邦公司;玻璃纖維,988A(單絲長度4.5 mm,直徑約12 μm),巨石玻纖公司;發(fā)泡劑,自制,發(fā)氣量40 mL/g;抗氧劑1098，北京極易化工有限公司;潤滑劑，硅酮,道康寧中國公司。

同向雙螺桿擠出機(jī),SHJ-40B,南京杰恩特機(jī)電有限公司;單螺桿注塑機(jī),HTF-160T,海天塑料機(jī)械有限公司;光學(xué)顯微鏡,Dino-Lite AM7013MZT, AnMo Electronics公司;密度儀,XS104,梅特勒-托利多公司。

1.2 分析測試

泡孔形態(tài)觀察:對準(zhǔn)微發(fā)泡樣品橫截面進(jìn)行觀察并拍照,放大倍數(shù)設(shè)置為50倍。

微發(fā)泡樣品密度測量:按照ISO 1183標(biāo)準(zhǔn),取產(chǎn)品壁厚均勻處,每組測試3個(gè)樣品,按照標(biāo)準(zhǔn)A 浸漬法進(jìn)行測量。

1.3 玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡材料制備

先將尼龍6進(jìn)行預(yù)干燥,95 ℃下烘4 h,然后將尼龍6、增韌劑、玻璃纖維、抗氧劑按質(zhì)量比64.5∶5.0∶30.0∶0.5放入高速混合機(jī)中混合3～4 min;最后加入到雙螺桿擠出機(jī)中造粒,獲得玻纖增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料,備用。其中,擠出機(jī)料筒溫度設(shè)置為230～260 ℃,轉(zhuǎn)速600 r/min;然后,將發(fā)泡劑與制備好的玻纖增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料按一定質(zhì)量配比放入注塑機(jī)中,注塑成盤狀微發(fā)泡產(chǎn)品測試,其直徑為27 cm,平均厚度為2 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑含量的影響

圖1為盤狀微發(fā)泡產(chǎn)品邊緣橫截面。

圖1 發(fā)泡劑含量對材料橫截面泡孔形態(tài)的影響

從圖1可以看出,低發(fā)泡劑含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%)時(shí),泡孔全為閉孔狀態(tài),孔徑小,泡孔密度高,芯層泡孔細(xì)膩,表皮致密且層厚,同時(shí)產(chǎn)品表面質(zhì)量好,見圖2(a),這主要與氣體含量及其在尼龍6基體中的溶解度有關(guān)。當(dāng)發(fā)泡劑含量低時(shí),低于氣體在尼龍6中的溶解度,氣體可在熔體中分散均勻。當(dāng)經(jīng)過注射噴嘴瞬間泄壓,氣體與玻纖增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料熔體發(fā)生相分離,氣泡成核率高。因此,產(chǎn)品表現(xiàn)出芯層泡孔均勻細(xì)膩,表皮致密且層厚,同時(shí)產(chǎn)品表面質(zhì)量好,見圖2(a)。但此時(shí)密度下降4%以內(nèi),見表1,這對于產(chǎn)品減重貢獻(xiàn)不大,因此,對于汽車部件產(chǎn)品輕量化實(shí)用意義較小。由表1可知,隨發(fā)泡劑用量增加,氣體增加,泡孔增大,產(chǎn)品密度大幅下降。質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%時(shí),密度降至1.14 g/cm3,降幅超過18%,減重效果顯著。同時(shí),泡孔封閉率高,孔徑相對均勻,玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡產(chǎn)品外觀質(zhì)量較好,且基本無注塑缺陷,見圖2(c)。當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2.0%后,氣泡并孔、破孔等現(xiàn)象逐漸顯露,如圖1(d)所示,說明此時(shí)氣體量已經(jīng)超過其在材料中的溶解度。當(dāng)發(fā)泡劑分解后,部分不被溶解的氣體以熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)存在,造成破孔、穿孔增加,當(dāng)氣體浮于玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡材料表面時(shí),產(chǎn)生大量缺陷,例如氣痕、皺皮等,如圖2(d)所示,嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀和成品合格率。因此,此時(shí)產(chǎn)品雖減重幅度很大,亦不可取。綜上所述,玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡材料中發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)超過2.0%。

圖2 發(fā)泡劑含量對產(chǎn)品表觀質(zhì)量的影響

表1 發(fā)泡劑含量對材料密度的影響

2.2 注射溫度的影響

固定注射壓力70 MPa,注射速度為90 mm/s,冷卻時(shí)間3 s。如圖3所示,注射溫度較低時(shí),玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡材料截面泡孔孔徑均勻性較差且泡孔孔徑較大,泡孔密度低,主要原因是溫度過低,尼龍6塑化均勻性差,甚至塑化不完全,導(dǎo)致氣體在其中的溶解度下降,無法形成足夠氣核,氣泡生長過程占優(yōu)勢,最終形成泡孔量少且孔徑較大。另外,產(chǎn)品密度下降幅度較小(見表2),說明此過程中有可能部分氣體逃逸消耗。隨著注射溫度升高,尼龍6塑化完全,氣體在尼龍6基體中的溶解度趨于正常,芯層泡孔減小,均勻性改善,材料密度下降明顯;當(dāng)注射溫度超過260 ℃后,產(chǎn)品截面泡孔結(jié)構(gòu)遭到破壞,破孔穿孔多,見圖3(d)。溫度過高,氣體受熱急劇膨脹,在尼龍6基體中的溶解度下降,同時(shí),過熱會(huì)使得熔體強(qiáng)度驟降,甚至無法包裹氣體,進(jìn)而氣體逃逸,造成缺陷。

圖3 注射溫度對材料截面泡孔形態(tài)影響

表2 注射溫度對材料密度的影響

2.3 注射壓力的影響

固定注射溫度為260 ℃,注射速度為90 mm/s,冷卻時(shí)間為2 s,產(chǎn)品密度和界面形貌隨注射壓力變化情況見表3、圖4。由表3和圖4可知,50～80 MPa隨注射壓力的增加,發(fā)泡產(chǎn)品內(nèi)部芯層泡孔孔徑及其均勻性差別不大,皮層厚度變化不大,同時(shí),產(chǎn)品密度下降不明顯;然而當(dāng)壓力超過90 MPa之后,玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡材料密度下降明顯,氣泡形態(tài)已經(jīng)變得不均勻,有的被拉長,并伴有大孔產(chǎn)生。原因可能是,提高注射壓力,相當(dāng)于提高注膠口與模內(nèi)腔的壓力差,有利于氣泡成核和生長;但當(dāng)壓力降過高時(shí),則會(huì)致使氣泡生長速率不均性增加,甚至發(fā)生破孔、并孔等現(xiàn)象,發(fā)泡不均性增加。綜上所述,從發(fā)泡材料的皮芯層泡孔形態(tài)、泡孔密度以及泡孔均勻性來看,玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡材料的注射壓力選在60～90 MPa是合適的。

表3 注射壓力對材料密度的影響

圖4 注射壓力對材料截面泡孔形態(tài)的影響

2.4 注射速度的影響

由表4可知,當(dāng)注塑速度小于40 mm/s時(shí),模腔注不滿,玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡材料缺膠嚴(yán)重,至60 mm/s以上,產(chǎn)品正常可注滿。固定溫度為260 ℃,壓力80 MPa,冷卻時(shí)間為3 s。從圖5可知,隨著注射速度的提升,泡孔閉孔率明顯提高,泡孔直徑逐漸減小,且更加均勻。原因可能是:提高注射速度,即在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)原有的噴嘴到模內(nèi)腔的壓力降,這有利于氣泡成核和生長,尤其可使更多的泡核形成,進(jìn)而形成更小孔徑的氣泡,同時(shí),還可以提高氣體保留率。對于產(chǎn)品減重效果,如表4所示,尼龍微發(fā)泡產(chǎn)品的密度基本保持不變,說明改變注射速度雖然有利于優(yōu)化微發(fā)泡尼龍材料的泡孔形態(tài),但不能使其產(chǎn)生顯著減重效果。

表4 注射速度對材料密度的影響

圖5 注射速度對材料截面泡孔形態(tài)影響

3 結(jié)論

1) 為獲得發(fā)泡和減重效果好的玻纖增強(qiáng)尼龍6微發(fā)泡產(chǎn)品,發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在2.0%以內(nèi)。

2) 注塑溫度不宜超過260 ℃,否則易造成破孔和并孔。

3) 高注射壓力和速度有利于氣泡成核,產(chǎn)品減重比例基本不變。注射壓力80 MPa,注射速度90 mm/s時(shí),可獲得均勻的泡孔結(jié)構(gòu)、有效的減重效果及良好的產(chǎn)品外觀質(zhì)量。