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注塑成型缺陷之浮纖的前因后果

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專注注塑工廠降本增效改善:楊建宏

注塑廠在生產前的模具試模時,各機構運行基本正常,但制品出現了比較嚴重的外觀質量問題,表面產生了放射狀的白色痕跡,而且這種白色痕跡隨玻纖含量的增加趨于嚴重,這種現象俗稱“浮纖”,是一種玻纖塑料制品易于出現的表面缺陷,這對于外觀要求高的汽車塑件是不能接受的。

原因分析:

“浮纖”現象是玻纖外露造成的,白色的玻纖在塑料熔體充模流動過程中浮露于外表,待冷凝成型后便在塑件表面形成放射狀的白色痕跡,當塑件為黑色時會因色澤的差異加大而更加明顯。其形成的原因主要有以下幾個方面。

  • 首先,在塑料熔體流動過程中,由于玻纖與樹脂的流動性有差異,而且質量密度也不同,使兩者具有分離的趨勢,密度小的玻纖浮向表面,密度大的樹脂沉入內里,于是形成了玻纖外露現象;
  • 其次,由于塑料熔體在流動過程中受到螺桿、噴嘴、流道及澆口的摩擦剪切力作用,會造成局部粘度的差異,同時又會破壞玻纖表面的界面層,熔體粘度愈小,界面層受損愈嚴重,玻纖與樹脂之間的粘結力也愈小,當粘結力小到一定程度時,玻纖便會擺脫樹脂基體的束縛,逐漸向表面累積而外露;
  • 再則,塑料熔體注入型腔時,會形成“噴泉”效應,即玻纖會由內部向外表流動,與型腔表面接觸,由于模具型面溫度較低,質量輕冷凝快的玻璃纖維被瞬間凍結,若不能及時被熔體充分包圍,就會外露而形成“浮纖”。

因此, “浮纖”現象的形成,不僅與塑料材料組成和特性有關,而且與成型加工過程有關,有著較大的復雜性和不確定性。

在實際生產中,有各種用于改善“浮纖”現象的措施。比較傳統的方法是在成型材料中加入相容劑、分散劑和潤滑劑等添加劑,包括硅烷偶聯劑、馬來酸酐接枝相容劑、硅酮粉、脂肪酸類潤滑劑及一些國產或進口的防玻纖外露劑等。

通過這些添加劑來改進玻纖和樹脂之間的界面相容性,提高分散相和連續相的均勻性,增加界面粘接強度,減少玻纖與樹脂的分離,從而改善玻纖外露現象,其中有的使用效果較好。

但是大多價錢不菲,增加了生產成本,而且對材料的力學性能也會有影響,例如較常用的液體硅烷偶聯劑,就存在加入后難以分散,塑料容易結塊成團的問題,會造成設備喂料不均勻,玻纖含量分布不均勻,進而導致制品的力學性能不均勻。

近幾年也有采取加入短纖或空心玻璃微珠的方法,利用小尺寸的短纖或空心玻璃微珠具有較好流動性和分散性、與樹脂之間易于形成穩定界面相容性的特點,實現改善“浮纖”目的,尤其是空心玻璃微珠還能降低收縮變形率,避免制品后翹曲,增加材料的硬度和彈性模量,并且價格較低,但不足之處是使材料抗沖擊性能下降。

解決方法:

A、模具澆注系統的調整

模具澆注系統與“浮纖”現象的形成密切相關。針對玻纖增強塑料流動性差,而且玻纖與樹脂兩種組分的流動性不一致的特性,其流動距離不能過長,熔體須快速充填型腔,以保證玻纖均勻分散,不發生淤積分層而形成“浮纖”。

因此澆注系統設計的基本原則是流道截面宜大,流程宜平直而短。應采用粗短的主流道、分流道和粗大澆口,澆口可以是薄片式、扇形及環形,亦可采用多澆口形式,以使料流混亂、玻纖擴散、減少取向性。

而且要求有良好的排氣功能,能及時排出因玻纖表面處理劑揮發產生的氣體,以免造成熔接不良、缺料及燒傷等缺陷。

對于該把手面蓋模具的澆注系統,其較長的流道流程,是造成“浮纖”現象嚴重的一個因素,但這是模具結構的需要,不能將其縮短,因此只有對流道截面尺寸及澆口形式和尺寸進行調整。澆口改為扇形澆口,澆口和流道尺寸則在試模過程中逐漸加大。

另外需要注意的是,“浮纖”易于在塑件壁厚較大的部位出現,這是因為熔體在該處流動速度梯度較大,熔體流動時其中心速度高,而靠近型腔壁面處速度低,使得玻纖浮露的趨勢加劇,相對速度更慢,發生滯留堆積而形成“浮纖”。因此,應盡量使塑件各處壁厚均勻,并避免尖角、缺口,保證熔體流動順暢。

B、注射成型工藝條件的優化

制定合適的成型工藝條件,對于改善“浮纖”現象至關重要。注射成型工藝各要素對玻纖增強塑料制品的影響各有不同,下面就一些可遵循的基本規律分別進行介紹。

C、溫度

首先是料筒溫度。由于玻纖增強塑料的熔融指數比非增強塑料低30%~70%,流動性較差,因此料筒溫度較一般情況應高出10~30℃。提高料筒溫度,可使熔體粘度降低,改善流動性,避免填充及熔接不良,而且有利于加大玻纖分散性和減小取向性,獲得較低的制品表面粗糙度。

但料筒溫度并不是越高越好,溫度過高會加大尼龍聚合物氧化和降解的趨勢,輕微時會發生顏色變化,嚴重時則產生焦化發黑。

在設置料筒溫度時,應使加料段溫度比常規要求略高些,稍低于壓縮段即可,以利用其預熱效果,降低螺桿對玻纖所產生的剪切作用,減少局部粘度的差異及對玻纖表面的破壞,保證玻纖與樹脂之間的粘結強度。PA66+33%GF的熔融溫度為275~280℃,最高溫度不要超過300℃,其料筒溫度可在此范圍內選取。

其次是模具溫度。模具與熔體之間的溫差不宜太大,防止熔體充填時玻纖遇冷在表面淤積,形成“浮纖”,因此需采用較高的模具溫度,這對于提高熔體充模性能、增加熔接痕強度、改善制品表面光潔度、減少取向和變形也是有利的。

但模具溫度愈高,冷卻時間愈久,成型周期延長,生產率降低,而且成型收縮率加大,故也不是越高越好。

模具溫度的設置,還要考慮樹脂品種、模具結構、玻纖含量等情況,在型腔復雜、玻纖含量高、充模困難時,模具溫度應適當提高些。對于材料為PA66+33%GF的汽車把手面蓋,我們選擇的模具溫度為110℃。

D、壓力

注射壓力對玻纖增強塑料的成型影響很大,較高的注射壓力有利于充填,提高玻纖分散性,降低制品收縮率,但會增加剪切應力和取向,容易造成翹曲變形,脫模困難,甚至導致溢邊問題,因此欲改善“浮纖”現象,需在稍高于非增強塑料注射壓力的基礎上,根據具體情況適當加大。

注射壓力的選擇除與制品的璧厚、澆口尺寸等因素有關外,也與玻纖含量和形態有關,一般玻纖含量愈高,玻纖長度愈長,注射壓力應愈大。

螺桿背壓大小對于玻纖在熔體中的均勻分散、熔體的流動性、熔體的密實度、制品的外觀質量和機械物理性能均有重要的影響,通常采用稍高的背壓比較有利,有助于改善“浮纖”現象。

但過高的背壓會對長纖產生較大的剪切作用,使熔體易于因過熱而降解,導致變色及力學性能變差。因此將背壓設置得比非增強塑料略高些即可。

E、注射速度

采用較快的注射速度,可改善“浮纖”現象。提高注射速度,使玻纖增強塑料快速充滿模腔,玻纖沿流動方向作快速軸向運動,有利于增加玻纖的分散性、減少取向性、提高熔接痕強度和制品的表觀光潔度,但要注意避免因注射速度過快,在噴嘴口或澆口處發生"噴射"現象,形成蛇形紋缺陷,影響塑件外觀。

F、螺桿轉速

玻纖增強塑料塑化時,螺桿轉速不宜過高,避免摩擦剪切力過大而對玻纖造成傷害,破壞玻纖表面界面狀態,降低玻璃纖維與樹脂之間粘合強度,加劇“浮纖”現象,特別是當玻纖較長時,會因部分玻纖斷裂而出現長短不均現象,造成塑件各處強度不等,制品力學性能不穩定。

通過以上分析,可知采用高料溫、高模溫、高壓、高速、低螺桿轉速注射,對改善“浮纖”現象比較有利

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