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PA66注塑件組裝過(guò)程開(kāi)裂的分析及措施
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[導(dǎo)讀] 尼龍66(PA66)注塑件在冬季組裝過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量,分別從注塑前原料的預(yù)處理、注塑工藝參數(shù)控制(包括料筒溫度、噴嘴溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時(shí)間)和注塑后的調(diào)濕工藝這幾個(gè)方面對(duì)出現(xiàn)的開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,注塑件的預(yù)處理和注塑工藝滿足要求,但缺少注塑后的調(diào)濕工藝,冬季組裝過(guò)程易開(kāi)裂是由于注塑件注塑后的含水率極低,冬季外界環(huán)境濕度較小,注塑件在短時(shí)間不能吸收到足夠的水分,相應(yīng)的抗沖擊能力較差,無(wú)法承受組裝過(guò)程的沖擊力而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。
 段凱歌,陳章成,王朝,朱輝,泮豪,鄭拾玉,郭獻(xiàn)級(jí)
(浙江曼瑞德舒適系統(tǒng)有限公司,浙江溫州325000)

摘要:尼龍66(PA66)注塑件在冬季組裝過(guò)程中容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量,分別從注塑前原料的預(yù)處理、注塑工藝參數(shù)控制(包括料筒溫度、噴嘴溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時(shí)間)和注塑后的調(diào)濕工藝這幾個(gè)方面對(duì)出現(xiàn)的開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,注塑件的預(yù)處理和注塑工藝滿足要求,但缺少注塑后的調(diào)濕工藝,冬季組裝過(guò)程易開(kāi)裂是由于注塑件注塑后的含水率極低,冬季外界環(huán)境濕度較小,注塑件在短時(shí)間不能吸收到足夠的水分,相應(yīng)的抗沖擊能力較差,無(wú)法承受組裝過(guò)程的沖擊力而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。針對(duì)這一問(wèn)題,采用了兩種不同的調(diào)濕工藝(水煮處理和恒溫恒濕處理)對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%玻璃纖維增強(qiáng)PA66(PA66/20%GF)材料進(jìn)行處理,分別研究了這兩種工藝對(duì)PA66/20%GF材料吸水率及彎曲性能和簡(jiǎn)支梁沖擊性能的影響。結(jié)果表明,恒溫恒濕處理的材料吸水率較低,故彎曲性能稍有降低、沖擊性能稍有提升;水煮工藝能大幅度提升材料吸水率,材料的缺口沖擊強(qiáng)度因此得到大幅度提升,但彎曲性能下降比較明顯。兩種工藝均能解決注塑件開(kāi)裂問(wèn)題,恒溫恒濕工藝耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng),可應(yīng)用于需要保留較高彎曲性能的場(chǎng)合,而水煮工藝可大幅縮短調(diào)濕時(shí)間(95℃,0.5h),適合對(duì)抗沖擊要求較高的場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞:尼龍66注塑件;開(kāi)裂;吸水率;彎曲性能;簡(jiǎn)支梁沖擊性能

尼龍66(PA66)由己二酸和己二胺縮聚而成,是一種優(yōu)良的工程塑料[1-4],其綜合性能優(yōu)良,具有強(qiáng)度高、硬度大、剛性好、抗沖擊性好、抗蠕變性能好、模量高以及耐腐蝕、耐油、耐熱、耐磨和自潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)[5-8],而且原料易得,成本低,因此廣泛應(yīng)用于服裝、裝飾、工業(yè)工程等領(lǐng)域[9-13]。為了進(jìn)一步提高PA66產(chǎn)品的強(qiáng)度,通常在PA66材料中添加玻璃纖維(玻纖)進(jìn)行改性[14-16],在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)還可以減小其收縮率。玻纖含量的添加可以根據(jù)客戶需要進(jìn)行調(diào)整,常見(jiàn)的玻纖添加量有20%,30%,40%,50%等(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。目前,PA66在車(chē)輛上的應(yīng)用已占到63%左右,在電子電氣方面和辦公自動(dòng)化設(shè)備上的應(yīng)用占比達(dá)到22%,在機(jī)械、光學(xué)方面的應(yīng)用占到5%,因此,PA66復(fù)合材料的市場(chǎng)銷售增長(zhǎng)很快。近年來(lái),隨著汽車(chē)、電器、通訊、電子、機(jī)械等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)PA66產(chǎn)品注塑工藝的要求越來(lái)越嚴(yán)苛,工藝控制不好則會(huì)使產(chǎn)品表面容易出現(xiàn)裂紋、氣孔和銀紋等現(xiàn)象。筆者在組裝一款質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%玻纖增強(qiáng)PA66(PA66/20%GF)注塑件時(shí)發(fā)現(xiàn),注塑件注塑后的表面無(wú)異常,但在組裝過(guò)程中受到外力出現(xiàn)了開(kāi)裂現(xiàn)象,如圖1所示。注塑件開(kāi)裂不僅會(huì)影響產(chǎn)品外觀,更重要的是會(huì)降低使用壽命,嚴(yán)重的可能造成質(zhì)量事故,因此必須要找到開(kāi)裂產(chǎn)生的原因,才能采取有效措施加以消除。

圖1
圖1 PA66/20%GF注塑件開(kāi)裂現(xiàn)象

1 PA66注塑工藝要點(diǎn)及組裝過(guò)程開(kāi)裂原因分析
1.1 注塑前原料預(yù)處理的要點(diǎn)
尼龍類材料對(duì)注塑工藝要求嚴(yán)格,注塑前需要進(jìn)行原料的干燥。干燥處理時(shí)需選擇合適的干燥的溫度和時(shí)間:若干燥的溫度過(guò)高,會(huì)引起原料氧化分解,干燥溫度過(guò)低,除水效率較低;干燥的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)使原料發(fā)生氧化,顏色變黃,干燥時(shí)間過(guò)短又會(huì)達(dá)不到除濕的目的。

原料的干燥可以采用鼓風(fēng)干燥箱和真空干燥箱設(shè)備,其中采用鼓風(fēng)干燥箱干燥PA66原料時(shí)的溫度通??刂圃?0~100℃,時(shí)間為8~12h,以除去原料中的水分,使含水率控制在0.1%以下,避免在注塑過(guò)程中出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象,影響制品外觀及力學(xué)性能。

1.2 注塑工藝參數(shù)控制要點(diǎn)
注塑工藝參數(shù)主要分為溫度、壓力和時(shí)間,溫度包括料筒溫度、噴嘴溫度和模具溫度等,注射壓力和保壓時(shí)間對(duì)注塑件的性能和外觀有非常重要的影響,對(duì)這些工藝參數(shù)的控制要點(diǎn)現(xiàn)分述如下。

由于PA66原料的熱穩(wěn)定性較差,料筒溫度不易過(guò)高,一般略高于原料的熔融溫度即可,但對(duì)于玻纖增強(qiáng)的PA66,溫度須高于純的原料,這樣可以使原料更好的塑化,增加物料的流動(dòng)性,保證產(chǎn)品表觀質(zhì)量和性能。通常料筒溫度設(shè)置如下:喂料區(qū)270~285℃,壓縮區(qū)280~290℃,計(jì)量區(qū)275~285℃。

噴嘴溫度需要單獨(dú)控制,即單獨(dú)裝設(shè)加熱器,這也是尼龍類材料注塑過(guò)程中必須具備的條件之一。噴嘴溫度應(yīng)稍微低于料筒的后段溫度,但是也不能過(guò)低,過(guò)低會(huì)導(dǎo)致物料在噴嘴中過(guò)早冷卻而堵塞射孔,或者即使熔體能進(jìn)入模腔也容易造成冷料的痕跡,故通常噴嘴的溫度為260~270℃。

模具溫度對(duì)制品質(zhì)量影響很大,且尼龍材料是結(jié)晶性較高的材料,物料在模腔中冷卻時(shí)會(huì)伴隨著結(jié)晶并產(chǎn)生較大的收縮。模具溫度較低時(shí),產(chǎn)品的結(jié)晶度低、伸長(zhǎng)率高、韌性較好;模具溫度較高時(shí),產(chǎn)品的結(jié)晶度會(huì)比較高,硬度變大,彈性模量增大,耐磨性較好,吸水率變低,但收縮率會(huì)稍有增大。模具溫度的選擇應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)品的形狀和壁厚來(lái)確定,對(duì)于形狀比較復(fù)雜且壁厚的產(chǎn)品,模具溫度應(yīng)該選擇低值,以防止產(chǎn)品產(chǎn)生氣泡或者凹陷的情況,而對(duì)于形狀簡(jiǎn)單且壁薄的產(chǎn)品,采用高模具溫度有利于熔體能夠充滿模腔,防止熔體出現(xiàn)過(guò)早凝固的現(xiàn)象。通常模具溫度控制在60~80℃。

注射壓力,是指在注射時(shí),螺桿或柱塞端面施加于熔料單位面積上的壓力。在注射的過(guò)程中,選擇注射壓力時(shí),應(yīng)考慮注塑的制品不容易產(chǎn)生粘模和飛邊。對(duì)于厚的制品,宜選擇較低的注射壓力和較高的注射速率,注射壓力為60~150MPa。

成型周期中的保壓時(shí)間控制十分重要,對(duì)于PA66材料來(lái)講,由于熔體溫度比較高,若設(shè)定的保壓時(shí)間太長(zhǎng)可能會(huì)引起脫模困難,而保壓時(shí)間過(guò)短可能會(huì)引起制品收縮率增大,影響產(chǎn)品外觀及性能,一般保壓時(shí)間按照6mm壁厚需用1min左右時(shí)間進(jìn)行保壓的方法來(lái)估算。

1.3 注塑后調(diào)濕工藝要點(diǎn)
尼龍產(chǎn)品在注塑后含水率極低,小于0.1%。可以將尼龍產(chǎn)品在濕度為65%的條件下放置一段時(shí)間,從而使產(chǎn)品達(dá)到平衡吸濕量的過(guò)程,常用的加熱介質(zhì)為乙酸鉀水溶液或熱水,溫度80~100℃,處理時(shí)間8~16h,用這種方法調(diào)濕處理所耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng),生產(chǎn)效率較低,且調(diào)試的均勻性較差。另外一種方法是將注塑好的產(chǎn)品放入熱水中煮2h后,再自然冷卻半小時(shí),使制品在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到吸水平衡,避免在空氣中緩慢吸水而引起尺寸的連續(xù)變化,對(duì)減小注塑件的內(nèi)應(yīng)力有利,能防止脆性斷裂,且水煮過(guò)程中產(chǎn)品與空氣隔離,不會(huì)造成產(chǎn)品表面因接觸氧氣而氧化變色的情況。

1.4 注塑件開(kāi)裂原因分析
筆者使用的PA66/20%GF注塑件由兩部分組成:上端為雙頭螺紋,可用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)啟,做導(dǎo)程導(dǎo)向使用;下方為內(nèi)外卡扣結(jié)構(gòu),內(nèi)卡扣用于固定主要核心部件,外卡扣用于螺紋圈的限位,中心直通空心,可由指示部件上下運(yùn)動(dòng)并做行程指示顯示。該注塑件在組裝過(guò)程中易出現(xiàn)開(kāi)裂,在冬季時(shí)這種開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)得更為頻繁,嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量,故查找開(kāi)裂原因非常重要。根據(jù)前述的各階段工藝要點(diǎn),核查該P(yáng)A66注塑件的注塑工藝,發(fā)現(xiàn)原料注塑前在80℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥8h,料筒溫度為喂料區(qū)275℃、壓縮區(qū)285℃、計(jì)量區(qū)280℃,噴嘴溫度為280℃,模具溫度為60℃,注射壓力為70MPa,保壓時(shí)間為15s。由此可以得出,無(wú)論是注塑前原料的干燥處理還是注塑時(shí)的工藝參數(shù)控制,都在要求范圍之內(nèi),但缺少了注塑后的調(diào)濕處理程序,注塑完直接進(jìn)行組裝工作,從而導(dǎo)致產(chǎn)品因內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂。所以,為了解決這種開(kāi)裂現(xiàn)象,需采用合適的調(diào)濕工藝,為此,筆者采用了恒溫恒濕處理和水煮兩種調(diào)濕工藝,對(duì)比了這兩種調(diào)濕工藝對(duì)PA66/20%GF吸水率和力學(xué)性能的影響,為解決PA66注塑件的開(kāi)裂問(wèn)題提供借鑒。

2 實(shí)驗(yàn)部分
2.1 主要原料
PA66/20%GF材料:市售。

2.2 主要設(shè)備及儀器
實(shí)驗(yàn)用注塑機(jī):WZS10D型,上海新碩精密機(jī)械有限公司;
恒溫恒濕箱:HSP-150BEII型,上海坤天實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司;
恒溫介質(zhì)箱:JJTANK-01型,承德市金建檢測(cè)儀器有限公司;
電子天平:FA2004型,上海佑科儀器儀表有限公司;
萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī):XWW-20T型,承德市金建檢測(cè)儀器有限公司;
復(fù)合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī):HIT-2492型,承德市金建檢測(cè)儀器有限公司。

2.3 試樣制備
采用實(shí)驗(yàn)用注塑機(jī)注塑力學(xué)性能測(cè)試樣條,彎曲性能測(cè)試樣條(彎曲樣條)尺寸為10mm×4mm×80mm,缺口沖擊強(qiáng)度測(cè)試樣條(沖擊樣條)尺寸為10mm×4mm×80mm(缺口深度2mm,缺口類型A型),注塑工藝為:模具溫度60℃,注塑溫度280℃,保壓時(shí)間10s。

2.4 性能測(cè)試
彎曲性能測(cè)試:參考GB/T 2918-2018,首先對(duì)注塑好的5根彎曲樣條進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)40h以上,調(diào)節(jié)環(huán)境為溫度23℃、相對(duì)濕度50%;然后按GB/T9341-2008用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣條的定撓度彎曲應(yīng)力(撓度為厚度的1.5倍),測(cè)試條件為傳感器500N、試驗(yàn)速度2mm/min。

沖擊性能測(cè)試:參考GB/T 2918-2018,首先對(duì)注塑好的10根沖擊樣條進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)16h以上,調(diào)節(jié)環(huán)境為溫度23℃、相對(duì)濕度50%;然后根據(jù)GB/T1043.1-2008使用復(fù)合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣條的缺口沖擊強(qiáng)度,測(cè)試條件為A型缺口、簡(jiǎn)支梁沖擊模式、預(yù)揚(yáng)角114°、擺錘能量5J。

3 結(jié)果與討論
3.1 恒溫恒濕處理對(duì)PA66/20%GF材料吸水率和力學(xué)性能的影響
將PA66/20%GF原料注塑成彎曲樣條和沖擊樣條,采用恒溫恒濕箱在不同的恒溫恒濕條件下分別進(jìn)行預(yù)處理,預(yù)處理時(shí)間均為24h,用電子天平稱量預(yù)處理前后樣條的質(zhì)量變化,計(jì)算樣條的吸水率,并測(cè)試了樣條的定撓度彎曲應(yīng)力和缺口沖擊強(qiáng)度,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出,隨濕度的增加,恒溫恒濕處理后材料吸水率呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì),由于吸水后材料的韌性增強(qiáng),材料的柔性變好,相應(yīng)的定撓度彎曲應(yīng)力逐漸減小,缺口沖擊強(qiáng)度不斷增大,但總體來(lái)看,減小和增大的幅度都較小。采用恒溫恒濕處理,材料的吸水平衡所需要的時(shí)間較長(zhǎng),吸水率增大不是很明顯,因此彎曲性能和沖擊性能的變化也不太明顯。
表1
表1 23℃下恒溫恒濕24h處理PA66GF20%的吸水率及力學(xué)性能

3.2 水煮處理對(duì)PA66/20%GF材料吸水率和力學(xué)性能的影響
將PA66/20%GF原料注塑成彎曲樣條和沖擊樣條,采用恒溫介質(zhì)箱在95℃的水中分別將樣條煮不同的時(shí)間,用電子天平稱量水煮前后樣條的質(zhì)量變化,計(jì)算樣條的吸水率,并測(cè)試了樣條的定撓度彎曲應(yīng)力和缺口沖擊強(qiáng)度,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2水印
表2 95℃下水煮處理PA66GF20%的吸水率及力學(xué)性能

從表2可以看出,隨水煮時(shí)間從0.5h增加到4h,材料的吸水率從1.384%增加到3.655%,3.5h和4h的吸水率接近,說(shuō)明在3.5h時(shí)材料的吸水率已接近飽和,吸水后材料的韌性變好,定撓度彎曲應(yīng)力變小,而對(duì)應(yīng)的缺口沖擊強(qiáng)度從15.03kJ/m2增加到25.31kJ/m2,材料的沖擊性能有了很大的提升。

3.3 PA66注塑件組裝過(guò)程開(kāi)裂的解決措施
PA66注塑件組裝過(guò)程尤其是冬季組裝過(guò)程易開(kāi)裂,主要是因?yàn)樽⑺芗⑺芎蠛蕵O低,小于0.1%,而冬季外界環(huán)境濕度較小,注塑件不能吸收到充足的水分,材料的抗沖擊能力較差,無(wú)法承受組裝過(guò)程的沖擊力而出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。因此,為了解決注塑件在組裝過(guò)程出現(xiàn)的開(kāi)裂現(xiàn)象,筆者采取了2種注塑后的調(diào)濕方案進(jìn)行嘗試:第一,將注塑好的1000個(gè)注塑件放入溫度23℃、相對(duì)濕度50%的恒溫恒濕箱中預(yù)處理24h,之后再進(jìn)行組裝試驗(yàn);第二,將注塑好的1000個(gè)注塑件放入95℃的水中煮0.5h,之后進(jìn)行組裝試驗(yàn)。以上2種方案所組裝的全部產(chǎn)品未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象,證明筆者對(duì)于開(kāi)裂原因分析合理,采取的2種措施均能有效解決PA66注塑件組裝過(guò)程的開(kāi)裂問(wèn)題。但從表1和表2可以看出,恒溫恒濕處理后PA66GF20%材料的吸水率相對(duì)較低,故沖擊性能的變化相對(duì)較小,而彎曲性能得到較好保持;水煮后PA66GF20%材料的吸水率得到大幅度提升,相應(yīng)的沖擊性能提升明顯。綜合來(lái)看,恒溫恒濕調(diào)濕耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng),可用于需要保留較高彎曲性能的場(chǎng)合,而水煮工藝可大大縮短調(diào)濕時(shí)間,適合對(duì)抗沖擊要求較高的場(chǎng)合。

4 結(jié)論
(1)對(duì)于PA66注塑件組裝過(guò)程中出現(xiàn)的開(kāi)裂原因,分別從注塑前原料的預(yù)處理、注塑工藝參數(shù)控制和注塑后的調(diào)濕工藝等方面進(jìn)行了分析。
(2)由于注塑件注塑結(jié)束后未進(jìn)行調(diào)濕,含水率極低,相應(yīng)的抗沖擊能力較差,無(wú)法承受組裝過(guò)程的沖擊力,從而產(chǎn)生了開(kāi)裂現(xiàn)象。
(3)采用水煮和恒溫恒濕處理兩種不同的調(diào)濕工藝對(duì)PA66材料進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)采用恒溫恒濕調(diào)濕工藝處理材料時(shí),吸水率隨濕度的增加緩慢提升,故彎曲性能和沖擊性能變化也較小;水煮工藝能大幅度提升材料吸水率,相應(yīng)的沖擊性能得到大幅度提升,但彎曲性能下降也比較明顯。
(4)兩種調(diào)濕工藝均能解決PA66注塑件組裝過(guò)程的開(kāi)裂問(wèn)題。恒溫恒濕工藝調(diào)濕耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng),可用于需要保留較高彎曲性能的場(chǎng)合,而水煮工藝可大幅縮短調(diào)濕時(shí)間,適合對(duì)抗沖擊要求較高的場(chǎng)合。

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