波浪螺桿注塑長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯的探究

蔣小軍，黃茂敬，馮文江，潘學(xué)兵，汪新宇，李青

(廣東伊之密精密注壓科技有限公司，廣東佛山 528300)

在節(jié)能減排和輕量化的趨勢(shì)下，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料(LFT)因較傳統(tǒng)材料具有高強(qiáng)度、高剛性、耐沖擊、尺寸穩(wěn)定性?xún)?yōu)異以及使用溫度范圍廣等優(yōu)勢(shì)受到眾多制造企業(yè)的青睞[1-2]。LFT材料的增強(qiáng)效果與玻纖含量、玻纖在制品內(nèi)的保留長(zhǎng)度和分散情況、玻纖-樹(shù)脂界面強(qiáng)度以及玻纖取向和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)。對(duì)于注塑而言，重點(diǎn)是抑制玻纖折損和促進(jìn)玻纖分散。研究表明，增長(zhǎng)玻纖保留長(zhǎng)度是發(fā)揮LFT材料力學(xué)性能(強(qiáng)度、剛度、韌性)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵[3-4]。對(duì)于長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料(LGF-PP)，在加工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)保證玻纖在制品中的平均長(zhǎng)度達(dá)3.2 mm以上，才能發(fā)揮長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[5-6]。另一方面，玻纖的分散情況影響制品的力學(xué)性能偏差和質(zhì)量穩(wěn)定性，如何促進(jìn)玻纖分散也是成型過(guò)程的控制要點(diǎn)[7]。

眾所周知，塑化過(guò)程中，塑料原料在螺桿中經(jīng)歷輸送、壓縮、熔融和混合，必然伴隨強(qiáng)剪切作用。研究分析表明，高強(qiáng)度熔體剪切將強(qiáng)烈折損玻纖，急劇降低玻纖在最終制件內(nèi)的保留長(zhǎng)度，嚴(yán)重影響復(fù)合材料增強(qiáng)效果[8-9]。但是，傳統(tǒng)螺桿構(gòu)型中，抑制熔體剪切作用不利于熔體混合和填料分散，玻纖極易團(tuán)聚，嚴(yán)重影響制件外觀(guān)和力學(xué)穩(wěn)定性。因此，如何有效平衡玻纖在制件中的保留長(zhǎng)度和分散狀態(tài)，是LFT材料注塑成型螺桿設(shè)計(jì)和工藝控制的關(guān)鍵要點(diǎn)。針對(duì)上述情形，各注塑機(jī)廠(chǎng)商和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)圍繞著玻纖長(zhǎng)度和分散狀態(tài)紛紛提出并研發(fā)多種螺桿設(shè)計(jì)和工藝控制解決方案[10-11]。

德國(guó)Kraussmaffei公司提出在線(xiàn)配混注塑工藝，將雙螺桿配混擠出和柱塞注射結(jié)合[8]。樹(shù)脂組分首先通過(guò)雙螺桿混煉，玻纖在靠近雙螺桿末端的區(qū)域喂入，然后熔體經(jīng)過(guò)緩沖缸和轉(zhuǎn)向閥進(jìn)入柱塞注射機(jī)構(gòu)并完成注射充模。由于玻纖喂入?yún)^(qū)域靠近配混螺桿末端，所受到剪切作用的時(shí)間較短，能緩解玻纖折損。通過(guò)在線(xiàn)配混注塑工藝，玻纖含量可以靈活調(diào)配，省去造粒和原料儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，適合專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)多種LFT制品。但是，此工藝需要整合連續(xù)擠出和間歇注射，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，固定投資較大，工藝設(shè)定和控制難度較大，生產(chǎn)維護(hù)成本高昂，并且難以兼顧其它材料的注射成型。

德國(guó)Arburg公司和日本Mitsubishi公司則分別以二階排氣螺桿構(gòu)型為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)往復(fù)式在線(xiàn)配混料管組[12-13]。和排氣料管組類(lèi)似，該料管組的機(jī)筒在中間區(qū)域附近開(kāi)設(shè)了入口，并安裝了強(qiáng)制喂料裝置。預(yù)先裁切的玻纖通過(guò)強(qiáng)制喂料裝置進(jìn)入螺槽，然后與熔體混合并完成儲(chǔ)料計(jì)量。此法同樣使得玻纖經(jīng)歷剪切作用的時(shí)間減少?gòu)亩徑獠＠w折損，并具有靈活調(diào)配樹(shù)脂配方的優(yōu)點(diǎn)。此工藝下，螺桿設(shè)計(jì)和工藝設(shè)定需要避免熔體從喂纖口冒出的風(fēng)險(xiǎn)以及強(qiáng)化玻纖束分散。強(qiáng)制喂料機(jī)構(gòu)和熔膠螺桿需協(xié)同控制，才能保障注塑制程的穩(wěn)定性。

日本Toyo公司另辟蹊徑將等槽深變螺距螺桿結(jié)合常規(guī)注塑工藝成型LFT粒料[7]。此螺桿構(gòu)型利用變螺距實(shí)現(xiàn)螺槽體積壓縮并且計(jì)量段、壓縮段和加料段螺槽等深。計(jì)量段和壓縮段螺槽較深，有效抑制玻纖受到的剪切作用，緩解玻纖折損。結(jié)合螺桿末端經(jīng)特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)的混煉單元，Toyo公司團(tuán)隊(duì)認(rèn)為等槽深變螺距螺桿可以解決LFT材料注塑中玻纖長(zhǎng)度和分散的矛盾。由于此方法和常規(guī)注塑工藝一致，注塑機(jī)臺(tái)變動(dòng)小，工藝掌握難度低并且可以兼顧其它材料的注塑，使LFT材料注塑的投入大幅度降低，縮短了固定投資回報(bào)周期。

美國(guó)HPM公司在1970年代提出了波浪螺桿構(gòu)型，通過(guò)計(jì)量段槽深呈波浪狀深淺周期性變化促進(jìn)熔體塑化和混合，并避免因過(guò)度剪切造成熔體局部過(guò)熱[14]。2011年，中資企業(yè)伊之密收購(gòu)HPM后，對(duì)波浪螺桿構(gòu)型進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化，并且在諸多領(lǐng)域取得了豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[15]。

針對(duì)LFT注塑的特點(diǎn)和要求，筆者首先吸收變螺距螺桿構(gòu)型的理念設(shè)計(jì)出“變槽深變螺距”和“變槽深變螺距+強(qiáng)化混煉”構(gòu)型，并且和“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型一同應(yīng)用于LGF-PP粒料注塑，從而對(duì)比不同螺桿構(gòu)型對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。然后使用波浪螺桿構(gòu)型，探索注塑工藝條件(熔膠溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和背壓)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并且觀(guān)察玻纖保留長(zhǎng)度、分散狀態(tài)以及玻纖-樹(shù)脂界面結(jié)合情況。最后，結(jié)合玻纖折損機(jī)理，筆者分析并論證波浪螺桿對(duì)于LFT材料注塑的適用性和優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原料

浸潤(rùn)型LGF-PP：LFRT-WH30，玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，粒料長(zhǎng)度11 mm，浙江雙魚(yú)塑膠有限公司。

1．2 主要儀器及設(shè)備

注塑機(jī)：UN160A5S型，螺桿直徑48 mm，長(zhǎng)徑比24∶1，廣東伊之密精密注壓科技有限公司；

萬(wàn)能拉力機(jī)：UTM-4204型，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：PTM-7000型，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

馬弗爐：SX2-4-10型，上海錦屏儀器儀表有限公司；

光學(xué)顯微鏡：MJ41BD型，廣州市明美光電技術(shù)有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：EVO18型，德國(guó)Zeiss公司。

1．3 試樣制備

依據(jù)ISO294-1-1996采用LGF-PP粒料通過(guò)注塑工藝制備測(cè)試樣條。注塑模具參考ISO294-1-1996設(shè)計(jì)，冷流道，唧嘴直徑7 mm，澆口尺寸針對(duì)LGF-PP成型優(yōu)化設(shè)計(jì)。初步設(shè)置的注塑工藝參數(shù)(對(duì)照組)見(jiàn)表1。

表1 LGF-PP的初步注塑工藝參數(shù)(對(duì)照組)

圖1為實(shí)驗(yàn)所使用的螺桿構(gòu)型示意圖，包括“變槽深變螺距”構(gòu)型、“變槽深變螺距+強(qiáng)化混煉”構(gòu)型和“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型?！白儾凵钭兟菥唷睒?gòu)型的特點(diǎn)在于通過(guò)同時(shí)收窄螺距和減少槽深來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮，壓縮段長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于通用螺桿構(gòu)型，旨在降低熔體通過(guò)壓縮段時(shí)所受到的剪切強(qiáng)度，抑制玻纖折損，提高玻纖在塑料制品中的保留長(zhǎng)度。在上述構(gòu)型的基礎(chǔ)上，增加強(qiáng)化玻纖分散的混煉元件得到“變槽深變螺距+強(qiáng)化混煉”構(gòu)型，旨在對(duì)比分析強(qiáng)化混煉元件對(duì)于玻纖保留長(zhǎng)度和制件力學(xué)性能的影響?！半p波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型的特點(diǎn)在于雙槽波浪計(jì)量段設(shè)計(jì)，即由兩段底徑呈偏心圓變化的螺槽組成計(jì)量段，每段螺槽的槽深呈交替“深-淺”的波浪狀變化。并且，這兩段螺槽槽深相位差為180°，即彼此形成“波峰-波谷”對(duì)應(yīng)，使得計(jì)量段截面面積維持不變。另外，此構(gòu)型在螺桿前端增加銷(xiāo)釘混煉結(jié)構(gòu)，通過(guò)分布式混合進(jìn)一步提高熔體均勻性和促進(jìn)玻纖分散。表2為以上三種螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 三種螺桿構(gòu)型示意圖

表2 三種螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì)參數(shù)

1．4 測(cè)試與表征

(1)力學(xué)性能測(cè)試。

拉伸強(qiáng)度按ISO 527-2012 進(jìn)行測(cè)試，拉伸速率為50 mm/min；懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按ISO 180-2000測(cè)試。

(2)玻纖形態(tài)觀(guān)察。

將注塑樣條放置于馬弗爐中，700℃下烘烤1 h，分解樹(shù)脂基體得到玻纖灰分，對(duì)玻纖網(wǎng)絡(luò)宏觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀(guān)察。將玻纖灰分粘附在導(dǎo)電膠帶上并噴金處理后，使用SEM進(jìn)行觀(guān)測(cè)。

沿啞鈴型注塑樣條中間將樣條割開(kāi)，并對(duì)剖面進(jìn)行多次拋光處理后，置于光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察玻纖在塑料制品內(nèi)的分散情況。

(3)復(fù)合材料斷面分析。

將沖擊樣條斷面進(jìn)行噴金處理后，通過(guò)SEM對(duì)斷面形態(tài)進(jìn)行觀(guān)察分析。

2 結(jié)果與討論

2．1 螺桿構(gòu)型對(duì)LGF-PP力學(xué)性能的影響

圖2為螺桿構(gòu)型對(duì)LGF-PP拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度的影響。

圖2 不同螺桿構(gòu)型下LGF-PP的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度

由圖2可以看出，增加混煉元件強(qiáng)化玻纖分散后，“變槽深變螺距+強(qiáng)化混煉”構(gòu)型相比“變槽深變螺距”構(gòu)型，盡管由其成型的樣條力學(xué)性能的偏差明顯降低，即制件力學(xué)穩(wěn)定性得到提高，但是拉伸強(qiáng)度平均值下降9%，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度平均值下降38%。因此，即使玻纖折損在“變槽深變螺距”構(gòu)型中得到抑制，但為了彌補(bǔ)“變槽深變螺距”構(gòu)型的分散能力短板，從而增加強(qiáng)化混煉元件來(lái)減小制品力學(xué)性能波動(dòng)時(shí)，玻纖折損將驟然加劇。和“變槽深變螺距”構(gòu)型相比，“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型所成型的樣條在上述兩項(xiàng)力學(xué)性能均低約7%，但是該構(gòu)型能改善樣條力學(xué)性能的離散，減少偏差，特別是對(duì)于懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度(圖2)。換而言之，“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型更好地滿(mǎn)足了玻纖保留長(zhǎng)度和分散狀態(tài)的平衡。

變螺距螺桿構(gòu)型應(yīng)用于LGF-PP注塑的初衷在于保持螺槽深度，降低螺槽底部線(xiàn)速度，進(jìn)而降低熔體在徑向方向的速度梯度，從而使得壓縮段和計(jì)量段的熔體剪切強(qiáng)度以及玻纖折損受到抑制，并通過(guò)縮小螺距實(shí)現(xiàn)螺槽體積的壓縮，如圖3所示。然而，變螺距螺桿構(gòu)型雖然可以使制件獲得相對(duì)較高的平均力學(xué)性能，但計(jì)量段槽深過(guò)大將不利于塑化和混合，容易出現(xiàn)塑化不良(即“生料”)和纖維團(tuán)聚，導(dǎo)致制件外觀(guān)變差、性能不穩(wěn)定，不利于連續(xù)生產(chǎn)，因此，為了彌補(bǔ)變螺距螺桿構(gòu)型深槽計(jì)量段塑化和分散能力的不足，必須引入強(qiáng)化混煉元件[7]。但是，熔體流經(jīng)強(qiáng)化混煉元件時(shí)，流動(dòng)方向和截面的頻繁變化，引起熔體剪切強(qiáng)度和壓力損失的突變，將最終導(dǎo)致玻纖折損加劇。因此，如何有效兼顧玻纖保留長(zhǎng)度和分散狀態(tài)仍然是將變螺距螺桿構(gòu)型應(yīng)用于LFT注塑的主要矛盾，使得螺桿設(shè)計(jì)和工藝設(shè)定面臨諸多不確定因素，難以取舍。

圖3 變螺距螺桿構(gòu)型計(jì)量段對(duì)熔體剪切行為影響的示意圖[7]

在波浪螺桿構(gòu)型中，雙槽波浪計(jì)量段的每段螺槽均呈交替“深-淺”的波浪狀槽深變化。波峰處槽深較淺，剪切作用劇烈，促進(jìn)塑化，而波谷處剪切作用減弱，熱量在熔料內(nèi)部擴(kuò)散。熔料在波峰處承受高剪切作用的時(shí)間并不長(zhǎng)，減緩了玻纖折損。另一方面，兩段螺槽之間彼此“波峰-波谷”對(duì)應(yīng)，流通截面積的差異使得熔料從淺槽區(qū)域(波峰)橫向流動(dòng)到相鄰深槽區(qū)域(波谷)中，促使計(jì)量段的熔料發(fā)生橫向流動(dòng)和上下翻滾(圖4)[16]。此時(shí)，尚未熔融的固體以單個(gè)顆粒大小的形式分散在熔體內(nèi)，不斷翻滾混合的熔體和固體之間發(fā)生強(qiáng)烈熱交換，使得固體熔融效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)螺桿構(gòu)型，避免塑化不良，如圖4所示。C. Rauwendaal[17]將這種現(xiàn)象稱(chēng)為分布性固體熔融(DSM)機(jī)理。因此，雙波浪計(jì)量構(gòu)型可以保證螺槽較深的情況下，仍然保持較好的熔體質(zhì)量和混合效果，既避免高剪切造成玻纖強(qiáng)烈折損，又促進(jìn)玻纖分散。由于雙槽波浪計(jì)量段具有促進(jìn)熔體混合和玻纖分散的功能，隨后的銷(xiāo)釘混煉單元不需要刻意強(qiáng)化混煉，只要避免熔體流通截面突然變窄，就可以進(jìn)一步優(yōu)化玻纖分散并避免玻纖急劇折損。相比較而言，“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型可以避免“變槽深變螺距”構(gòu)型的潛在缺陷，降低螺桿設(shè)計(jì)和工藝設(shè)定的難度，有效平衡玻纖保留長(zhǎng)度和分散狀態(tài)，保證熔體質(zhì)量，并對(duì)其它塑料兼容性較好，更滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。

圖4 雙波浪計(jì)量段混合機(jī)理[16-17]

2．2 注塑工藝參數(shù)對(duì)LGF-PP力學(xué)性能的影響

注塑工藝作為注塑加工的重要因素，對(duì)于LGF-PP中的玻纖保留長(zhǎng)度和分散狀態(tài)有直接影響。故討論了熔膠溫度、螺桿轉(zhuǎn)速和背壓作為主要注塑工藝參數(shù)對(duì)于使用“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型螺桿成型LGF-PP力學(xué)性能的影響。

(1)熔膠溫度對(duì)LGF-PP力學(xué)性能的影響。

圖5為不同熔膠溫度下LGF-PP的力學(xué)性能。圖5表明提高熔膠溫度，LGF-PP復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯提高。當(dāng)熔膠溫度從200℃提高到250℃時(shí)，LGF-PP的拉伸強(qiáng)度從118 MPa提高到135 MPa，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度從31.3 kJ/m2提高到45.1 kJ/m2。根據(jù)LGF-PP力學(xué)性能和玻纖保留長(zhǎng)度的相關(guān)關(guān)系，可以認(rèn)為提高熔膠溫度有利于增長(zhǎng)玻纖保留長(zhǎng)度。推測(cè)提高熔膠溫度降低了塑料熔體黏度，降低了玻纖在塑化過(guò)程中受到的剪切作用，抑制了玻纖在熔膠過(guò)程中的折損。

圖5 不同熔膠溫度下LGF-PP的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度

(2)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)LGF-PP力學(xué)性能的影響。

圖6為不同螺桿轉(zhuǎn)速下LGF-PP的力學(xué)性能。由圖6可以看出，提高螺桿轉(zhuǎn)速，LGF-PP的力學(xué)性能持續(xù)降低。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速?gòu)?5 r/min提高到230 r/min時(shí)，LGF-PP的拉伸強(qiáng)度從142 MPa下降到130 MPa，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度從48.4 kJ/m2下降到39.5 kJ/m2。增加螺桿轉(zhuǎn)速，增加了螺槽中熔池內(nèi)部的速度梯度，玻纖所受到的剪切作用會(huì)增強(qiáng)。另外，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，熔融結(jié)束點(diǎn)向螺桿計(jì)量段方向移動(dòng)，使熔體沿程壓力增加，加劇了玻纖所受到的擠壓，使得玻纖更加容易折損。

圖6 不同螺桿轉(zhuǎn)速下LGF-PP的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度

(3)背壓對(duì)LGF-PP力學(xué)性能的影響。

圖7為不同背壓下LGF-PP的力學(xué)性能。圖7表明增加背壓，LGF-PP的力學(xué)性能下降。當(dāng)背壓從0 MPa增大到10 MPa時(shí)，LGF-PP拉伸強(qiáng)度從135 MPa下降到124 MPa，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度從45.1 kJ/m2下降到33.7 kJ/m2。增大背壓，即增加了熔體輸送段的返流，導(dǎo)致熔體在螺桿中停留時(shí)間的增加，所以玻纖所受到剪切作用的時(shí)間增長(zhǎng)，玻纖折損自然加劇。此外，增加背壓同樣導(dǎo)致了熔體沿程壓力的增加，加劇了玻纖所受到的擠壓。

圖7 不同背壓下LGF-PP的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度

因此，在注塑LGF-PP制品時(shí)，需要結(jié)合原料加工溫度上限和冷卻時(shí)間等因素，盡量提高熔膠溫度，降低螺桿轉(zhuǎn)速和背壓，抑制玻纖在原料塑化熔融過(guò)程中發(fā)生的折損，提高制品力學(xué)性能。

2．3 玻纖形態(tài)和復(fù)合材料斷面觀(guān)察

使用“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”螺桿構(gòu)型按對(duì)照組工藝參數(shù)(表1)注塑LGF-PP力學(xué)性能測(cè)試樣條并對(duì)樣條中玻纖的保留長(zhǎng)度、分散情況以及玻纖-樹(shù)脂界面進(jìn)行觀(guān)察。

使用馬弗爐分解力學(xué)性能測(cè)試樣條的樹(shù)脂基體得到玻纖灰分，對(duì)其形態(tài)及玻纖長(zhǎng)度分布進(jìn)行了觀(guān)察，如圖8所示。

圖8 玻纖灰分形態(tài)以及玻纖長(zhǎng)度分布觀(guān)察

觀(guān)察圖8發(fā)現(xiàn)，玻纖灰分組成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并保持了樣條形狀，體現(xiàn)了長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)材料的特征。用鑷子可以將玻纖灰分整塊夾起且不變形或者散開(kāi)，表明玻纖保留長(zhǎng)度足夠搭接成三維網(wǎng)絡(luò)。大部分單根玻纖呈細(xì)絲狀，仍保留長(zhǎng)玻纖的特征，局部折損玻纖散布其中。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)玻纖的團(tuán)聚體或者局部聚集的情況，宏觀(guān)上表明玻纖分散良好?？拷破繁砻娌＠w沿流動(dòng)方向取向，芯部玻纖垂直于流動(dòng)方向取向，符合長(zhǎng)玻纖在充模流動(dòng)場(chǎng)中的取向特征。通過(guò)SEM對(duì)玻纖灰分進(jìn)行觀(guān)察，大部分玻纖長(zhǎng)度在3 mm以上，玻纖平均長(zhǎng)度在4～6 mm的范圍內(nèi)，表明“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”螺桿構(gòu)型有利于抑制玻纖折損。

圖9 玻纖在樣條截面的分散情況

使用光學(xué)顯微鏡分別以100倍和400倍放大倍數(shù)觀(guān)察樣條橫截面，如圖9所示。由圖9發(fā)現(xiàn)玻纖呈現(xiàn)單絲分散，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體或者局部集中，整體分散較為均勻，玻纖相互之間較為離散。這表明“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”螺桿構(gòu)型通過(guò)熔體橫向混合，上下翻滾以及質(zhì)點(diǎn)重新分布的方法，的確促進(jìn)了玻纖分散，避免了玻纖團(tuán)聚的發(fā)生，有利于提高制品力學(xué)性能穩(wěn)定性。

目視觀(guān)察懸臂梁沖擊測(cè)試破壞的樣條，發(fā)現(xiàn)該樣條斷面凹凸不平，芯部呈單個(gè)山峰狀突起，峰高達(dá)4～6 mm，且可以看到遍布整個(gè)斷面的凸出玻纖，玻纖凸出部分長(zhǎng)度達(dá)2～3 mm。這表明長(zhǎng)玻纖與樹(shù)脂基體作用效果明顯，導(dǎo)致了斷面不能沿平面延展，而是呈三維立體狀，斷面面積較大，而且需要將較長(zhǎng)的玻纖拔出，消耗了更多沖擊能量。采用SEM繼續(xù)觀(guān)察該樣條的微觀(guān)形貌，如圖10所示。圖10顯示被拔出的玻纖表面粗糙，被樹(shù)脂緊密包裹，表明玻纖-樹(shù)脂界面結(jié)合良好，復(fù)合材料受破壞時(shí)應(yīng)力從樹(shù)脂有效傳遞到玻纖上。

圖10 沖擊樣條斷面SEM照片

2．4 玻纖折損機(jī)理與螺桿設(shè)計(jì)探討

根據(jù)三段七區(qū)擠出物理模型，螺桿芯部不通冷水冷卻時(shí)，上熔膜區(qū)和熔池區(qū)占熔融段長(zhǎng)度較少，未熔固體在占熔融段大部分的環(huán)流區(qū)和固相破碎區(qū)內(nèi)均被熔體流場(chǎng)環(huán)繞包圍[16]。M. Rohde-Tibitanzl[8]認(rèn)為玻纖在螺桿壓縮段和計(jì)量段中的折損機(jī)理如圖11所示?？梢詫⒉＠w折損區(qū)域分為三部分：①螺棱-機(jī)筒縫隙處，由于空間所限，玻纖在漏流沖刷作用下折損；②熔池中，玻纖之間相互搭接使得其運(yùn)動(dòng)能力受限，在熔體流場(chǎng)中受剪切和彎曲等作用被強(qiáng)行折斷；③固體-熔體界面上，玻纖部分露出在熔體流場(chǎng)中，其余部分固定在未熔固體內(nèi)，露出部分受到強(qiáng)烈剪切作用使玻纖直接被剪斷。筆者認(rèn)為，玻纖含量較高的情況下，熔池中玻纖之間相互搭接的受力點(diǎn)比較密集，玻纖不容易在受力點(diǎn)之間變形，即熔池中玻纖網(wǎng)絡(luò)抵抗折損的能力較強(qiáng)，玻纖折損主要發(fā)生在固體-熔體界面。

圖11 玻纖折損機(jī)理示意圖[8]

而傳統(tǒng)螺桿構(gòu)型中，計(jì)量段槽深較淺且壓縮比較大，沿程熔體壓力梯度較高，盡管有利于塑化和混合，但固體-熔體界面剪切作用較強(qiáng)，加劇玻纖折損。結(jié)合注塑工藝參數(shù)對(duì)于LGF-PP力學(xué)性能的影響，可以推測(cè)降低熔體剪切作用，降低沿程熔體壓力和降低熔體在螺槽中的停留時(shí)間是抑制玻纖折損，提高LFT材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。雖然加深計(jì)量段槽深和減小壓縮比有利于此，但是如果以犧牲塑化效果和熔體質(zhì)量來(lái)抑制玻纖折損，必然導(dǎo)致玻纖聚集、生料現(xiàn)象以及增加制品應(yīng)力缺陷，最終會(huì)降低LFT制品性能以及抑制螺桿通用性。特別是制造汽車(chē)前端模塊和門(mén)板模塊等大型制件時(shí)，螺桿直徑通常在100 mm以上，上述風(fēng)險(xiǎn)更可能發(fā)生，并且所造成的效果更加嚴(yán)重。

“雙波浪計(jì)量段”獨(dú)特的構(gòu)型特點(diǎn)，使熔體在計(jì)量段螺槽內(nèi)發(fā)生橫向流動(dòng)和上下翻轉(zhuǎn)混合，強(qiáng)化了熱傳導(dǎo)作用，打散了層流，促使DSM機(jī)理發(fā)生，有效保證了熔體充分塑化和混煉均勻。在此前提下，得以加深計(jì)量段槽深并減小壓縮比，達(dá)到降低熔體剪切作用，降低沿程熔體壓力和降低熔體停留時(shí)間的目的，最終抑制玻纖折損。此外，“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型中，計(jì)量段螺槽截面積維持恒定，加料段與計(jì)量段之間的體積變化較平緩，避免了熔體壓力突變導(dǎo)致熔體滯留和玻纖劇烈折損。

分布性混合元件如銷(xiāo)釘混煉單元，主要通過(guò)多次“分流-匯合”使得熔體發(fā)生質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移而達(dá)到混煉的目的。相比較而言，“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型使熔體首先在波浪計(jì)量段螺槽發(fā)生多次橫向流動(dòng)和上下翻轉(zhuǎn)混合，然后再通過(guò)銷(xiāo)釘混煉單元發(fā)生質(zhì)點(diǎn)重新分布。和傳統(tǒng)螺桿相比，“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型實(shí)現(xiàn)了真正意義上的三維混煉，保證了玻纖在熔體內(nèi)分散均勻。

因此，“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”螺桿構(gòu)型不僅有效平衡LFT制品內(nèi)玻纖保留長(zhǎng)度和分散狀態(tài)，發(fā)揮了LFT復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，而且具備優(yōu)良通用性，有利于兼容其它塑料成型，成型工藝簡(jiǎn)單，滿(mǎn)足靈活生產(chǎn)的需求，提高了設(shè)備投資效益?；谏鲜鲅芯糠治?，結(jié)合波浪螺桿在國(guó)內(nèi)外的諸多應(yīng)用案例，筆者認(rèn)為“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”螺桿構(gòu)型適用于LFT材料注塑并具有諸多優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

針對(duì)LFT材料注塑需要平衡玻纖保留長(zhǎng)度和分散狀態(tài)，從而發(fā)揮長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn)，探究了螺桿構(gòu)型及注塑工藝對(duì)LGF-PP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，觀(guān)察了樣條中玻纖保留長(zhǎng)度、分散情況以及玻纖-樹(shù)脂界面結(jié)合情況，并分析論證了波浪螺桿對(duì)LFT材料注塑的適用性。主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)比LGF-PP樣條力學(xué)性能，“變槽深變螺距”螺桿構(gòu)型略?xún)?yōu)于“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”螺桿構(gòu)型。但是，增加了強(qiáng)化混煉元件來(lái)彌補(bǔ)玻纖分散的不足后，“變槽深變螺距+強(qiáng)化混煉”螺桿構(gòu)型使玻纖折損驟然加劇。

(2)使用波浪螺桿注塑LGF-PP制品時(shí)，提高熔膠溫度，降低螺桿轉(zhuǎn)速和背壓，有利于抑制玻纖在塑化過(guò)程中發(fā)生折損，提高復(fù)合材料力學(xué)性能。

(3)使用波浪螺桿注塑LGF-PP樣條，玻纖平均保留長(zhǎng)度在4～6 mm并且均勻分散；玻纖-樹(shù)脂界面結(jié)合牢固，應(yīng)力傳遞有效，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)效果明顯。

(4)結(jié)合玻纖折損機(jī)理分析，“雙波浪計(jì)量+銷(xiāo)釘混煉”構(gòu)型降低了熔體剪切作用和沿程壓力，縮短了熔體停留時(shí)間，有效平衡了LFT制品內(nèi)玻纖保留長(zhǎng)度和分散狀態(tài)。