方管短玻璃纖維增強聚丙烯高壓水穿透行為研究

黃 微，柳和生，2，?，黃興元，張 偉，匡唐清，陳忠仕

（1.南昌大學聚合物成型研究室，南昌 330031；2.東華理工大學江西省聚合物微/納制造與器件重點實驗室，南昌 330013；3.華東交通大學機電與車輛工程學院，南昌 330013）

0 前言

流體輔助注射成型（FAIM）是在傳統注射成型（CIM）工藝上發展起來的一種成型中空制品的新興工藝［1?2］。與 CIM 相比，FAIM 在其基礎上加入了流體輔助介質，使得其優勢更加明顯，如：成型周期短、產品質量輕、節省原材料降低成本等［1?2］。FAIM 主要包括水輔助注射成型（WAIM）工藝和氣體輔助注射成型（GAIM）工藝［3］。由于水的獨特性質，使得WAIM相較GAIM具有了獨特的優勢，如：水的不可壓縮性使WAIM制品壁厚更均勻、表面更光滑；水的熱導率是氮氣的40倍以及比熱容是氮氣的4倍，從而使得WAIM成型周期更短。同時，水的低成本進一步降低了WAIM 的生產成本［4?6］。

鑒于WAIM顯著的優勢，許多學者對其進行了深入的研究。Liu等［7］通過實驗研究了熔體溫度、模具溫度、水溫、水壓、注水延遲時間以及熔體短射量對具有尺寸變化的聚丙烯圓管件的殘余壁厚及中空率的影響；Sannen等［8］探究了熔體參數（選用高密度聚乙烯和聚丙烯）以及工藝參數對制件質量的影響，發現熔體溫度、注水延遲時間和水壓對零件缺陷的形成影響顯著；Yang等［9?10］探究了工藝參數對圓管件中空率的影響程度，發現短射量、水壓和熔體注射溫度對中空率的影響較大，而注水延遲時間和模具溫度的影響不明顯。隨著對材料性能要求的提升，研究者將短玻璃纖維增強聚合物復合材料引入WAIM，相較純樹脂，其具有強度、硬度、模量和耐熱性能高等優異性能［11?12］；Huang等［13］研究了WAIM中圓截面管件纖維增強聚丙烯制品厚度上的纖維取向，發現高壓水可以促進纖維取向，改善它們的力學性能；匡唐清等研究了工藝參數以及玻璃纖維含量對玻璃纖維增強聚丙烯WAIM圓管件宏觀性能和微觀性能的影響，發現纖維含量對WAIM管件壁厚影響顯著［14?18］。

然而，現階段關于短玻璃纖維增強聚合物復合材料WAIM的研究主要集中在圓管件纖維取向上，對管件中的高壓水穿透行為及其影響機理還未明晰，并且研究中大部分使用的是圓管件。但是，方管件也是生活中常見的制品［19］，而方管件與圓管件相比，其突出的4個直角對管件質量產生何種影響以及高壓水在方管件中如何影響的也還未知。因此，為了探究玻璃纖維增強聚丙烯復合材料方管在WAIM中的高壓水穿透機理，本文通過實驗研究了WAIM中的3個成型工藝參數（熔體注射溫度、注水延遲時間和注水壓力）對宏觀現象（殘余壁厚及中空截面形狀）的影響機理，以期獲得最佳參數，為方形截面管件實際生產提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

短玻璃纖維增強聚丙烯復合材料，SB224?1，纖維含量為10%（質量分數），荷蘭LyondellBasell公司。該材料具有優異的剛度、強度、抗撞擊性以及良好的可加工性和流動性，其主要性能參數如表1所示。

表1 實驗材料性能參數Tab.1 Property parameters of the experimental material

1.2 主要設備及儀器

實驗系統包括模具、注射系統、注水系統等。方管模具結構見圖1，主型腔截面尺寸為16 mm×16 mm，總長為240 mm，溢流腔的直徑為10 mm，模具結構由注膠口、注水口、方形型腔和溢流腔4個部分組成。其實驗過程為：首先注塑機通過注膠口將熔體注入到方形型腔中，在熔體注滿型腔后，在設定的注水延遲時間下，打開水針，將高壓水從注水口注入型腔，高壓水在型腔芯部穿透，推動型腔內的熔體向前流動，水的穿透壓力將型腔內的多余熔體推向溢流腔，從而在型腔中形成中空制件。

圖1 模具圖Fig.1 Picture of the mold

1.3 實驗方法

（1）工藝參數

主要采用表2中的工藝參數，用單因素法研究OWAIM中3種工藝參數（注水壓力、熔體溫度和注水延遲時間）對水穿透截面形狀和殘留壁厚的影響，其中230℃、8 MPa和1 s為基本實驗參數。

表2 溢流法水輔助注射成型實驗參數Tab.2 Experimental parameters of OWAIM

（2）殘余壁厚的測量

對模具型腔截取7個位置（P1～P7），如圖2（a）所示，其中P1～P3、P3～P5、P6～P7分別為高壓水穿透的前段、中段、后段。對于殘余壁厚的測量方式如圖2（b）所示，為了數據的準確性，對各位置處的數據進行3次測量后求平均值，取為直線邊上的殘余壁厚平均值（單位為mm），按式（1）計算：

圖2 制樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of the sample

取為對角線處的殘余壁厚均值（單位為mm），按式（2）計算：

為更直觀顯現出各工藝參數對方管型腔水輔助注射成型制件的影響，將不同參數下的ˉ與進行累加求均值得出總殘余壁厚，如式（3）所示：

Rwt——總殘余壁厚，mm

（3）穿透截面的獲取

穿透過程分為前中后段，為更有針對性地比較，對水穿透截面的獲取主要考慮制件穿透中段與后段交接處，即圖2（a）中P5處的截面。

2 結果與討論

2.1 熔體注射溫度的影響

為研究熔體注射溫度對制件質量（制品殘余壁厚和截面形狀）的影響，將熔體注射溫度設置為210、230、250、270℃，其他參數保持不變。熔體注射溫度對方管殘余壁厚的影響如圖3（a）所示。從圖中可以發現，隨著熔體注射溫度的增加，管件的殘余壁厚隨之減小，且管件的壁厚不太均勻。這主要是因為在其他注射條件相同的情況下，隨著熔體溫度的升高，熔體黏度減小導致高壓水的穿透阻力減小，使得高壓水能推動更多的熔體向前運動，進而導致穿透截面增大，殘余壁厚減小。管件直邊與斜邊在沿流動方向各位置（P1～P7）處的壁厚分布如圖3（b）～圖3（c）所示，從圖中可以看出，隨著高壓水的穿透，殘余壁厚沿流動方向逐漸增大。這是由于注射型腔較長以及高壓水流至頂端需要一定時間，因此頂端的熔體冷卻時間相對更長，導致溫度降低、黏度增強，殘余壁厚隨之增大。當熔體溫度為210、230℃時，制品隨流動方向殘余壁厚波動相對較大，尤其是在P7處受熔體注射溫度的影響最為顯著，殘余壁厚產生突增現象；當熔體注射溫度增加到250、270℃時，制品殘余壁厚波動較小，受熔體注射溫度影響更小。這主要是由于當熔體注射溫度較低時，頂端熔體冷卻更快，黏度增加更為明顯，從而導致殘余壁厚相對較大。

圖3 熔體溫度對殘余壁厚的影響Fig.3 Effect of melt temperature on residual wall thickness

圖4為方管在不同熔體注射溫度下P5處的截面實圖。從圖中可以看到，方管件的中空面積隨著熔體注射溫度的增大而增大。其中，方管型腔的中空截面形狀都趨于圓形，但圓的圓率逐漸減小。這主要是由于水溫比熔體的溫度低得多，當水和熔體接觸的瞬間，在水的穿透前沿形成了一層凝固層，包覆水的凝固層以均勻的溫度穿透熔體的核心，并且由于水的黏度很低，水的穿透前沿往往呈球形，從而導致水穿透部分往往呈圓形［20］。在方管型腔中，斜邊處的熔體由于距離管件中心很遠，經過更長時間的冷卻，熔體溫度急劇下降，導致其具有較高的黏滯阻力，內部熔體很難被高壓水推出，故中空截面形狀基本偏圓形。但隨著熔體注射溫度的升高，熔體的黏度減小，故注射溫度更高的斜邊處的熔體比注射溫度低的熔體黏度更低，更容易被高壓水推動，因此截面圓率逐漸減小。當熔體溫度為270℃時，可以發現管件邊緣出現了收縮現象。這是由于注射熔體溫度較高，而溢流法注射的熔體充滿整個型腔導致壁厚相對較厚，因此到了穿透后段時會出現收縮現象。

圖4 不同熔體溫度下P5處的截面形狀Fig.4 Cross section shape at P5 at different melt temperature

2.2 注水壓力的影響

圖5（a）為注水壓力為4、6、8、10 MPa時管件的殘余壁厚變化情況。可以看到，隨著注水壓力的增大，管件的總殘余壁厚呈現逐漸減小的趨勢。其原因主要是由于水壓的增加使得熔體與水接觸部分受到的推力更大，更多的熔體被高壓水推向溢流腔，從而導致殘余壁厚減小，中空面積增大。管件直邊與斜邊沿流動方向各位置（P1～P7）處的壁厚分布如圖5（b）、圖5（c）所示。可以看到，整個穿透過程中，制件殘余壁厚隨著流動方向逐漸增大，但當水壓為10 MPa時，無論是直邊還是斜邊的殘余壁厚都改變很小，穿透相對比較均勻。這主要是由于高壓水的推力明顯大于熔體對水的阻力和高壓水與熔體間的摩擦力，導致整個穿透過程平穩，壁厚均勻。在P3到P4處，制件直邊上的殘余壁厚驟增，其原因是由于注水壓力過低導致水壓不穩定，因此在P3到P4處出現未穿透現象。

圖5 注水壓力對殘余壁厚的影響Fig.5 Effect of injection pressure on residual wall thickness

圖6為在不同注水壓力下的管件在P5處的截面圖。從圖中可以發現，方管件的中空截面隨著注水壓力的增大而增大，在4～8 MPa時截面偏圓形且圓率逐漸減小。當水壓到達10 MPa時，截面逐漸偏方形，這是由于水的黏度很低，水的穿透前沿往往呈球形，并且當水壓較小時，高壓水的推力小于斜邊處熔體的黏滯阻力，不足以推動斜邊處的熔體，導致管件截面呈圓形。但當高壓水的推力大于斜邊處的熔體黏滯阻力時，帶有足夠推力的高壓水會推動斜邊處的熔體至溢流腔，導致截面與型腔截面形狀一致，呈方形。

圖6 不同注水壓力下P5處的截面形狀Fig.6 Cross section shape at P5 under different injection pressure

2.3 注水延遲時間的影響

圖7（a）為方形管件的殘余壁厚變化情況。可以看到，當注水延遲時間從零增大到5 s時，管件的殘余壁厚呈增大的趨勢。其原因主要是，隨著注水延遲時間的增加，熔體在型腔內部停留的時間增長，冷卻的時間增加導致溫度降低，黏度增大，型腔外壁處的凝固層變厚，高壓水穿透的截面減小，使得殘余壁厚增加。管件直邊與斜邊沿流動方向各位置（P1～P7）處的壁厚分布如圖7（b）、圖7（c）所示。可以看到，整個穿透過程中，制件殘余壁厚隨著流動方向逐漸增大，當注水延遲時間增加至5 s時，斜邊上的殘余壁厚明顯大于前3個參數，并且在P4之后殘余壁厚增加速率增大，在P5處的直邊上也出現了殘余壁厚突增現象。這是由于當注水延遲時間過長時，熔體冷卻時間增加，斜邊處的熔體的黏滯阻力增大，高壓水無法穿透，并且到了管件后段，熔體冷卻時間較前段更長，從而導致此現象。

圖7 注水延遲時間對殘余壁厚的影響Fig.7 Effect of injection delay time on residual wall thickness

圖8為在不同注水延遲時間下所制得的管件在P5處的截面實圖。從圖中可以看出，隨著注水延遲時間的增加，管件中空截面逐漸減小，并且管件的截面形狀基本偏圓形。這主要是由于水黏度小，高壓水穿透前沿呈球形，并且高壓水壓力不變時，隨著注水延遲時間的增加，熔體黏滯阻力增大，導致高壓水無法推動斜邊處的熔體，因此截面形狀偏圓形。

圖8 不同注水延遲時間下P5處的截面形狀Fig.8 Cross section shape at P5 under different injection delay time

3 結論

（1）隨著熔體注射溫度的增大，方管件的殘余壁厚減小，截面中空面積增大，中空截面形狀都趨于圓形；但當溫度達到270℃時，管件會出現收縮現象；

（2）隨著注水壓力的增大，管件殘余壁厚減小，截面中空截面增大，在4～8 MPa時截面偏圓形，但圓率逐漸減小；當注水壓力達到10 MPa時管件逐漸偏方形；同時，注水壓力達到4 MPa時，會出現水壓不穩現象，造成管件無法形成完全中空；

（3）隨著注水延遲時間的增加，管件殘余壁厚增大，中空截面面積逐漸減小，管件的截面形狀基本偏圓形，但注水延遲時間對方管件的影響相較注水壓力和熔體注射溫度更小，因而截面形狀變化不大。