加工工藝參數(shù)對ABS基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

摘" 要：該研究以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）為基材，通過單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究注射壓力、注射速度、背壓壓力和保壓壓力等注塑工藝參數(shù)對試樣拉伸性能和彎曲性能的影響。結(jié)果表明，注射壓力過高時(shí)會(huì)導(dǎo)致殘留內(nèi)應(yīng)力增大，使材料脆性增加，從而降低斷裂伸長率;隨著注射速度的增加，斷裂伸長率明顯減小，過快的注射速度可能會(huì)通過引起材料內(nèi)部缺陷而降低斷裂伸長率;過高的保壓壓力會(huì)導(dǎo)致材料分子鏈取向不當(dāng)，減少材料的韌性，從而降低斷裂伸長率;背壓的增加會(huì)影響材料的塑性變形能力，使得材料在受力時(shí)更傾向于脆斷而不是韌性斷裂。

關(guān)鍵詞：注塑;復(fù)合材料;工藝參數(shù);ABS;分子鏈

中圖分類號：TQ320.66" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0073-04

Abstract： In this study， acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer （ABS） was used as the substrate and a single factor experimental design was used to study the influence of injection molding process parameters such as injection pressure， injection speed， back pressure， and holding pressure on the tensile and bending properties of the samples. The results show that when the injection pressure is too high， the residual internal stress will increase， which will increase the brittleness of the material， thereby reducing the elongation at break; with the increase of the injection speed， the elongation at break will decrease significantly. Excessive injection speed may reduce the elongation at break by causing internal defects in the material; Excessive holding pressure will lead to improper orientation of the material's molecular chains， reduce the toughness of the material， and thereby reduce the elongation at break; The increase in back pressure will affect the plastic deformation ability of the material， making the material more prone to brittle fracture rather than ductile fracture when subjected to stress.

Keywords： injection molding; composite; process parameter; ABS; molecular chain

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）是五大合成樹脂之一，具有優(yōu)良的抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)藥品性、易加工、制品尺寸穩(wěn)定和表面光澤性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、電子電器、儀器儀表、3D打印、紡織和建筑等工業(yè)領(lǐng)域，是一種用途極廣的熱塑性工程塑料。注塑成型是ABS重要的成型方式[1]，考慮到注塑成型的復(fù)雜性[2]，任何一個(gè)參數(shù)都可能影響制品的力學(xué)性能，因此研究工藝參數(shù)對力學(xué)性能的影響相當(dāng)必要。因ABS是無定形態(tài)聚合物，黏度受溫度的影響較大[3]，因此前期的研究主要集中在熔體溫度[4]、填料的含量[4-5]、模具溫度[5]等對ABS基塑料的力學(xué)性能的影響，但對注射壓力、注射速度、保壓壓力和背壓等參數(shù)對其力學(xué)性能的影響不夠深入。因此，本研究主要針對注射壓力、注射速度、保壓壓力和背壓對ABS/氧化鋁粉復(fù)合材料力學(xué)性能的影響進(jìn)行深入研究。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 主要原料

ABS，15E1，臺化塑膠（寧波）有限公司;氧化鋁粉末，30 nm級，上海杳田新材料科技有限公司;偶聯(lián)劑，丙基三甲氧基硅烷，分子式C9H20O5SI，成都艾科達(dá)化學(xué)試劑有限公司。

1.2" 儀器和設(shè)備

擠出機(jī)，SHJ-35，南京廣達(dá)化工裝備有限公司;切粒機(jī)，浙江正泰電器股份有限公司;干燥機(jī)，山東科碩智能裝備有限公司;注塑機(jī)，CJ80TB，震德塑料機(jī)械有限公司;微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)，WDW-10，長春科新試驗(yàn)儀器有限公司。

1.3" 樣品制備

1.3.1" 粒料的制備

將95%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ABS基料和5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3 粉填料及1%填料質(zhì)量的丙基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑充分混合后，由擠出機(jī)擠出，切粒機(jī)切出大小均勻的顆粒狀復(fù)合材料。擠出機(jī)各段設(shè)定溫度見表1。

1.3.2" 注塑試樣制備

將粒料加入注塑機(jī)料筒內(nèi)，并通過螺桿的旋轉(zhuǎn)和機(jī)筒外壁加熱使塑料成為熔融狀態(tài)，經(jīng)過合模—填充—保壓—冷卻—脫模5個(gè)階段后制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。注塑料筒溫度設(shè)定見表2，9組試樣的工藝參數(shù)設(shè)定見表3。

1.4" 力學(xué)性能測試

本研究力學(xué)性能測試包括拉伸性能和彎曲性能測試，拉伸實(shí)驗(yàn)選取抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率作為考察指標(biāo)。彎曲實(shí)驗(yàn)選取最大彎曲強(qiáng)度和破壞彎曲強(qiáng)度作為考察指標(biāo)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.1—2006/ISO 527-1：1993《塑料拉伸性能的測定 第1部分：總則》，拉伸試樣長度為115 mm，寬度10 mm，有效長度為50 mm，厚度為4 mm，實(shí)驗(yàn)速度10 mm/min;根據(jù)國標(biāo)GB/T 9341—2000《塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》，試樣的長度為80 mm，寬度10 mm，厚度4 mm，實(shí)驗(yàn)速度2 mm/min。同一實(shí)驗(yàn)條件下，每種試樣重復(fù)測試6次，分別去除6次實(shí)驗(yàn)中最高值與最低值，剩余4次實(shí)驗(yàn)取平均值，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2" 結(jié)果和討論

利用控制變量法，研究注射壓力、注射速度、保壓壓力和背壓4種注塑工藝參數(shù)對抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率、最大彎曲強(qiáng)度和破壞彎曲強(qiáng)度的影響。

2.1" 注射壓力對材料力學(xué)性能的影響

由圖1可知，隨著注射壓力的增大，抗拉強(qiáng)度小幅度提高;斷裂伸長率由15.86%降低到13.77%;最大彎曲強(qiáng)度和破壞彎曲強(qiáng)度則先增加再減小。當(dāng)注射壓力增加時(shí)，塑料熔體進(jìn)入模腔中的壓力增大，壓強(qiáng)升高，有助于熔體充模，使塑件的組織致密，從而提高了抗拉強(qiáng)度;過高的注射壓力會(huì)導(dǎo)致殘留內(nèi)應(yīng)力增大，使材料脆性增加，從而降低斷裂伸長率;最大彎曲強(qiáng)度和破壞彎曲強(qiáng)度的變化表明，適當(dāng)?shù)淖⑸鋲毫τ欣谔岣卟牧系目箯潖?qiáng)度，但注射壓力過大，會(huì)增加內(nèi)應(yīng)力，從而降低材料的抗彎強(qiáng)度。

2.2" 注射速度對材料力學(xué)性能的影響

由圖2可知，隨注射速度增加抗拉強(qiáng)度先增加后減小，在未到達(dá)臨界值時(shí)，注射速度增加有利于熔體在未開始冷卻前快速充分填充模腔，增加塑件密度，減少收縮。當(dāng)增加到一定速度值時(shí)，塑件內(nèi)應(yīng)力增加，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力占上風(fēng)時(shí)，抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)降低的趨勢。隨著注塑速度的增加，斷裂伸長率明顯減小，過快的注射速度可能會(huì)通過引起材料內(nèi)部缺陷而降低斷裂伸長率。隨著注射速度的提高，最大彎曲強(qiáng)度和破壞彎曲強(qiáng)度變化不明顯。

2.3" 保壓壓力對材料力學(xué)性能的影響

由圖3可知，隨著保壓壓力的提高，抗拉強(qiáng)度、最大彎曲強(qiáng)度和破壞彎曲強(qiáng)度均有不同程度的提高，但斷裂伸長率卻出現(xiàn)明顯下降的趨勢。一定范圍內(nèi)保壓壓力的增加會(huì)導(dǎo)致材料的密度和均勻性提高，進(jìn)而提升材料的抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度;但對斷裂伸長率而言過高的保壓壓力很可能導(dǎo)致材料分子鏈取向不當(dāng)，減少了材料的韌性，從而降低了斷裂伸長率。

2.4" 背壓對材料力學(xué)性能的影響

由圖4可知，適當(dāng)?shù)谋硥嚎梢詭椭哿纤芑浞?，從而提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和質(zhì)量，但當(dāng)背壓達(dá)到一定范圍時(shí)對抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度影響不大，但斷裂伸長率隨著背壓的增大有明顯減小的趨勢，可能的原因是背壓的增加可能會(huì)影響材料的塑性變形能力，使得材料在受力時(shí)更傾向于脆斷而不是韌性斷裂。

3" 結(jié)論

1）注射壓力的變化對斷裂伸長率影響比較明顯，過高的注射壓力會(huì)導(dǎo)致殘留內(nèi)應(yīng)力增大，使材料脆性增加，從而降低斷裂伸長率，且適當(dāng)?shù)淖⑸鋲毫τ欣谔岣卟牧系目箯潖?qiáng)度。

2）隨著注塑速度的增加，斷裂伸長率明顯減小，過快的注射速度可能會(huì)通過引起材料內(nèi)部缺陷而降低斷裂伸長率。

3）一定范圍內(nèi)保壓壓力的增加會(huì)導(dǎo)致材料的密度和均勻性提高，進(jìn)而提升材料的抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度;但對斷裂伸長率而言，過高的保壓壓力很可能導(dǎo)致材料分子鏈取向不當(dāng)，減少了材料的韌性，從而降低了斷裂伸長率。

4）斷裂伸長率隨著背壓的增大有明顯減小的趨勢，可能的原因是背壓的增加可能會(huì)影響材料的塑性變形能力，使得材料在受力時(shí)更傾向于脆斷而不是韌性。

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