制樣方式及注塑工藝對聚酰胺6抗沖擊性能的影響

朱能貴，曾祥補，沈 超，李勝男，龔 維，蔣團輝*

（1. 貴州大學 材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025；2. 國家復合改性聚合物材料工程技術研究中心，貴州 貴陽 550022）

近年來，聚合物改性技術不斷創新，塑料成型技術發展迅速，塑料產品質量不斷優化。抗沖擊性能是評價材料韌性的一項重要指標，抗沖擊性能實驗是在沖擊負荷的作用下測定材料的沖擊強度，由于聚合物自身組織結構、成型工藝等的不同，其沖擊強度也各不相同。通過抗沖擊性能實驗可評價聚合物在高速沖擊狀態下抵抗沖擊的能力，可判斷聚合物的脆性和韌性［1］。聚酰胺（PA）6是常用的工程塑料，其尺寸穩定，耐熱，耐磨，電絕緣性和力學性能優異，應用廣泛［2-3］。通常可以通過填充玻璃纖維、橡膠、碳填料等來改善PA 6的抗沖擊性能，通過調節配比、工藝條件等實現目標性能，以達到實際生產需要［4-6］。因此，研究PA 6的抗沖擊性能對其應用、開發與配方設計等具有重要意義。本工作通過特別設計的缺口沖擊強度測試專用模具，在不同注塑成型工藝下，探究改性PA 6注塑后自帶缺口和注塑后自制缺口兩種制樣方式下抗沖擊性能的差異。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

PA 6 M2400，廣東新會達錦綸股份有限公司；玻璃纖維ECS301，單絲長度為3 mm，直徑為10 μm，重慶國際復合材料股份有限公司。

CTE-35型擠出機，科倍隆（科亞）南京機械有限公司。CJ80M3V型注塑機，震德塑料機械有限公司。BC1400-B型擺錘式沖擊試驗機，QYJ1251型缺口型制樣機，美特斯工業系統（中國）有限公司。GC2019型缺口沖擊強度測試專用注塑模具，貴州省材料產業技術研究院。

1.2 試樣制備

1.2.1 改性材料的制備

按質量比為70∶30稱取適量干燥后的PA 6和玻璃纖維，在高速混合機中混合均勻，然后通過擠出機擠出后經冷卻、干燥、切粒，得到玻璃纖維增強的改性PA 6，備用。擠出機1～8區溫度分別為220，230，240，240，240，230，230，220 ℃，機頭溫度為220 ℃，螺桿轉速為350 r/min。

1.2.2 注塑樣條的制備

將改性PA 6顆粒在100 ℃條件下干燥4 h，然后根據設計的工藝條件注塑成沖擊測試標準樣條，不同工藝條件注塑的自帶缺口和無缺口的測試樣條各取50根，測試樣條規格為80 mm×10 mm×4 mm。

1.2.3 沖擊測試樣條的制備

將注塑成型后的樣條按兩種不同的制樣方式制成沖擊測試樣條。制樣方式一是指樣條的缺口直接注塑成型，即注塑成型后的樣條自帶缺口，可直接用于缺口沖擊強度測試；制樣方式二是指注塑成型的樣條無缺口，需自制缺口才能進行缺口沖擊強度測試。見圖1。

圖1 缺口沖擊強度測試專用注塑模具部分結構Fig.1 Structure of injection mold for notch impact test

1.3 測試與表征

懸臂梁缺口沖擊強度按GB/T 1843—2008測試。注塑后無缺口的試樣通過缺口型制樣機自制標準缺口，A型缺口，缺口深度為2 mm。

2 結果與討論

2.1 注塑壓力對PA 6缺口沖擊強度的影響

從圖2可以看出：隨注塑壓力的升高，采用制樣方式一制備的試樣沖擊強度不斷提高，壓力由30%增加到50%時，缺口沖擊強度由8.58 kJ/m2提高到9.76 kJ/m2，提高了12%，這是由于注塑壓力增大，熔融樹脂在模具突出部分受到的剪切力增大，流動速率增加，注塑樣條組織比較均勻、飽滿，抗沖擊性能更強，注塑壓力過低會使樣條表面產生凹陷，從而使注塑樣條抗沖擊性能減弱［7］。而采用制樣方式二制備的試樣缺口沖擊強度變化不大，基本在7.40 kJ/m2左右波動，說明注塑壓力對常規注塑成型后自制缺口試樣的缺口沖擊強度影響不大。注塑壓力相同，制樣方式不同時，采用制樣方式一制備的試樣缺口沖擊強度更高。

圖2 注塑壓力對兩種制樣方式下PA 6缺口沖擊強度的影響Fig.2 Injection pressure as a function of notched impact strength of PA 6 by two sampling preparation methods

2.2 注塑速度對PA 6缺口沖擊強度的影響

從圖3可以看出：注塑速度相同時，采用制樣方式一制備的試樣缺口沖擊強度都高于采用制樣方式二制備的試樣缺口沖擊強度。說明通過模具設計使注塑成型得到標準的自帶缺口沖擊試樣，其缺口沖擊強度大于需后期自制缺口的試樣。隨注塑速度的增加，采用制樣方式一制備的試樣沖擊強度先增加后減小，在注塑速度為50%時達到最大；自制缺口的試樣，其缺口沖擊強度隨注塑速度的變化不大，在7.20 kJ/m2左右波動，在注塑速度為40%時，其缺口沖擊強度略高于其他注塑速度時的值，說明注塑速度對常規注塑后自制缺口的試樣的缺口沖擊強度影響不大。

圖3 注塑速度對兩種制樣方式下PA 6缺口沖擊強度的影響Fig.3 Injection speed as a function of notched impact strength of PA 6 by two sampling preparation methods

2.3 模具溫度對PA 6缺口沖擊強度的影響

從圖4可以看出：模具溫度相同，采用制樣方式一制備的試樣缺口沖擊強度都高于采用制樣方式二制備的試樣。隨模具溫度的提高，兩種試樣缺口沖擊強度總體呈上升趨勢；模具溫度為100，120 ℃時，兩種試樣的缺口沖擊強度都很高，100℃時出現峰值，此時兩種試樣缺口沖擊強度都最高。這是由于隨著模具溫度的提高，有利于熔體順利充模，防止了熔體過早凝固，使高分子鏈有足夠時間進行松弛，強迫凍結的分子鏈減少，內應力減小，缺口沖擊強度也呈升高趨勢；模具溫度為120 ℃時，成型后由于模具溫度過高會使試樣的收縮率加大，內應力增加，沖擊強度有所降低［8］。同時，模具溫度較低時，注塑時型腔內溫差較大，熔體進入型腔后快速冷卻，分子鏈段運動被凍結，造成分子鏈間的內應力無法釋放，沖擊強度相對較低，所以模溫較低時，兩種試樣缺口沖擊強度都相對較低。

圖4 模具溫度對兩種制樣方式下PA 6缺口沖擊強度的影響Fig.4 Mold temperature as a function of notched impact strength of PA 6 by two sampling preparation methods

2.4 注塑溫度對PA 6缺口沖擊強度的影響

從圖5可以看出：注塑溫度為260 ℃時，兩種試樣缺口沖擊強度都最高，說明在260 ℃時注塑，所用的改性PA 6可得到最優的缺口沖擊強度；相同的注塑溫度下，采用制樣方式一制備的試樣缺口沖擊強度都高于采用制樣方式二制備的試樣。當注塑溫度為270 ℃時，較高的溫度容易引起PA 6的分子鏈斷裂，導致PA 6降解，使其抗沖擊性能下降，試樣的缺口沖擊強度較低［9］。當注塑溫度較低時，熔體黏度大，流動性較差，注塑試樣中存在較大的內應力，造成試樣的抗沖擊性能下降，缺口沖擊強度較低，所以當注塑溫度低于260 ℃時，兩種試樣缺口沖擊強度都相對較低。

圖5 注塑溫度對兩種制樣方式下PA 6缺口沖擊強度的影響Fig.5 Injection temperature as a function of notched impact strength of PA 6 by two sampling preparation methods

3 結論

a）注塑工藝相同，制樣方式不同時，自帶缺口的試樣缺口沖擊強度較自制缺口的試樣缺口沖擊強度高。

b）相同工藝條件下，隨注塑壓力的升高，采用制樣方式一制備的試樣沖擊強度不斷提高，但采用制樣方式二制備的試樣缺口沖擊強度變化不大；隨注塑速度的增加，采用制樣方式一制備的試樣沖擊強度先增加后減小，在注塑速度為50%時達到最大；自制缺口的試樣，其缺口沖擊強度隨注塑速度的變化不大。

c）相同工藝條件下，模具溫度和注塑溫度對兩種試樣缺口沖擊強度影響較大；當模具溫度為100 ℃，注塑溫度為260 ℃時，兩種試樣的缺口沖擊強度都最大。