注塑工藝對尼龍6微發泡材料形態結構影響

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,尼龍材料一直占據很重要位置,并且每年以2.2%～2.8%的速度增長。玻纖增強尼龍材料被廣泛應用于汽車各結構部件,比如底盤系統、后視鏡系統、前端框架、發動機進氣歧管等[1-2]。隨著汽車輕量化趨勢發展,尼龍部件的輕量化已經成為重要的研究方向[3]。

微發泡材料技術以其獨有芯層發泡、表層致密的三明治結構,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,降低生產成本[4]。對于壁厚差異較大、結構對稱性好的制品,例如門板等,還具有特殊成型的優越性[5]。目前對車用玻纖增強尼龍6微發泡材料的研究較少,下面將探討注射成型工藝對玻纖增強尼龍6微發泡材料泡孔形態和表觀質量的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

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;發泡劑,自制,發氣量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,SHJ-40B,南京杰恩特機電有限公司;單螺桿注塑機,HTF-160T,海天塑料機械有限公司;光學顯微鏡,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

泡孔形態觀察:對準微發泡樣品橫截面進行觀察并拍照,放大倍數設置為50倍。

微發泡樣品密度測量:按照ISO 1183標準,取產品壁厚均勻處,每組測試3個樣品,按照標準A 浸漬法進行測量。

1.3 玻纖增強尼龍6微發泡材料制備

先將尼龍6進行預干燥,95 ℃下烘4 h,然后將尼龍6、增韌劑、玻璃纖維、抗氧劑按質量比64.5∶5.0∶30.0∶0.5放入高速混合機中混合3～4 min;最后加入到雙螺桿擠出機中造粒,獲得玻纖增強尼龍6復合材料,備用。其中,擠出機料筒溫度設置為230～260 ℃,轉速600 r/min;然后,將發泡劑與制備好的玻纖增強尼龍6復合材料按一定質量配比放入注塑機中,注塑成盤狀微發泡產品測試,其直徑為27 cm,平均厚度為2 mm。

2 結果與討論

2.1 發泡劑含量的影響

圖1為盤狀微發泡產品邊緣橫截面。

圖1 發泡劑含量對材料橫截面泡孔形態的影響

從圖1可以看出,低發泡劑含量(質量分數0.5%)時,泡孔全為閉孔狀態,孔徑小,泡孔密度高,芯層泡孔細膩,表皮致密且層厚,同時產品表面質量好,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。當發泡劑含量低時,低于氣體在尼龍6中的溶解度,氣體可在熔體中分散均勻。當經過注射噴嘴瞬間泄壓,氣體與玻纖增強尼龍6復合材料熔體發生相分離,氣泡成核率高。因此,產品表現出芯層泡孔均勻細膩,表皮致密且層厚,同時產品表面質量好,見圖2(a)。但此時密度下降4%以內,見表1,這對于產品減重貢獻不大,因此,對于汽車部件產品輕量化實用意義較小。由表1可知,隨發泡劑用量增加,氣體增加,泡孔增大,產品密度大幅下降。質量分數2.0%時,密度降至1.14 g/cm3,降幅超過18%,減重效果顯著。同時,泡孔封閉率高,孔徑相對均勻,玻纖增強尼龍6微發泡產品外觀質量較好,且基本無注塑缺陷,見圖2(c)。當發泡劑質量分數超過2.0%后,氣泡并孔、破孔等現象逐漸顯露,如圖1(d)所示,說明此時氣體量已經超過其在材料中的溶解度。當發泡劑分解后,部分不被溶解的氣體以熱力學不穩定狀態存在,造成破孔、穿孔增加,當氣體浮于玻纖增強尼龍6微發泡材料表面時,產生大量缺陷,例如氣痕、皺皮等,如圖2(d)所示,嚴重影響產品外觀和成品合格率。因此,此時產品雖減重幅度很大,亦不可取。綜上所述,玻纖增強尼龍6微發泡材料中發泡劑質量分數不應超過2.0%。

圖2 發泡劑含量對產品表觀質量的影響

表1 發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,冷卻時間3 s。如圖3所示,注射溫度較低時,玻纖增強尼龍6微發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,氣泡生長過程占優勢,最終形成泡孔量少且孔徑較大。另外,產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;當注射溫度超過260 ℃后,產品截面泡孔結構遭到破壞,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,過熱會使得熔體強度驟降,甚至無法包裹氣體,進而氣體逃逸,造成缺陷。

圖3 注射溫度對材料截面泡孔形態影響

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,冷卻時間為2 s,產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,發泡產品內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,產品密度下降不明顯;然而當壓力超過90 MPa之后,玻纖增強尼龍6微發泡材料密度下降明顯,氣泡形態已經變得不均勻,有的被拉長,并伴有大孔產生。原因可能是,提高注射壓力,相當于提高注膠口與模內腔的壓力差,有利于氣泡成核和生長;但當壓力降過高時,則會致使氣泡生長速率不均性增加,甚至發生破孔、并孔等現象,發泡不均性增加。綜上所述,從發泡材料的皮芯層泡孔形態、泡孔密度以及泡孔均勻性來看,玻纖增強尼龍6微發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的影響

2.4 注射速度的影響

由表4可知,當注塑速度小于40 mm/s時,模腔注不滿,玻纖增強尼龍6微發泡材料缺膠嚴重,至60 mm/s以上,產品正?？勺M。固定溫度為260 ℃,壓力80 MPa,冷卻時間為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,即在更短的時間內實現原有的噴嘴到模內腔的壓力降,這有利于氣泡成核和生長,尤其可使更多的泡核形成,進而形成更小孔徑的氣泡,同時,還可以提高氣體保留率。對于產品減重效果,如表4所示,尼龍微發泡產品的密度基本保持不變,說明改變注射速度雖然有利于優化微發泡尼龍材料的泡孔形態,但不能使其產生顯著減重效果。

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影響

3 結論

1) 為獲得發泡和減重效果好的玻纖增強尼龍6微發泡產品,發泡劑質量分數應控制在2.0%以內。

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,產品減重比例基本不變。注射壓力80 MPa,注射速度90 mm/s時,可獲得均勻的泡孔結構、有效的減重效果及良好的產品外觀質量。