外文翻譯譯文--pbt玻璃纖維增強復合材料水輔注塑成型的實驗研究

1、<p><b>　　中文5640字</b></p><p>　　出處：Composites Science and Technology 67 (2007) 1415–1424</p><p>　　PBT玻璃纖維增強復合材料水輔注塑成型的實驗研究</p><p>　　An experimental study

2、60;of the water-assisted injection molding of glass fiber filled poly-butylene-terephthalate (PBT) composites</p><p>　　Shih-Jung Liu , Ming-Jen Lin, Yi-

3、Chuan Wu</p><p>　　摘要：本報告的目的是通過實驗研究聚對苯二甲酸丁二醇復合材料水輔注塑的成型工藝。實驗在一個配備了水輔注塑統(tǒng)的80噸注塑機上進行，包括一個水泵，一個壓力檢測器，一個注水裝置。實驗材料包括PBT和15%玻璃纖維填充PBT的混合物以及一個中間有一個肋板的空心盤。實驗根據(jù)水注入制品的長度的影響測得了各種工藝參數(shù)以及它們的機械性能。XRD也被用來分別材料和結構參數(shù)。最后,作了水輔助和氣體

4、輔助注塑件的比較。實驗發(fā)現(xiàn)熔體壓力,熔融溫度，及短射類型是影響水注塑行為的決定性參數(shù)。材料在模具一面比在水一面展示了較高的結晶度。氣輔成型制品也要比水輔成型制品結晶度高。另外，制品表面的玻璃纖維大部分取向與流動方向一致，而隨著離制品表面距離的增加，越來越多的垂直與流動方向。</p><p>　　關鍵詞：水輔注塑成型，玻璃纖維增強PBT，工藝參數(shù)，機械性能，結晶，</p><p><b

5、>　　1．前言</b></p><p>　　依靠重量輕，成型周期短，消耗低，水輔注塑成型技術在塑料制品制造方面已經(jīng)取得了突破。在水輔注塑成型中，模具行腔被部分注入聚合物熔體，而后向這些聚合物中心注入水。水輔注塑成型的原理如圖1</p><p>　　圖1 水輔注塑成型的原理如圖</p><p>　　水輔注塑成型能夠在更短的循環(huán)時間內(nèi)生產(chǎn)出收縮小，翹曲

6、小，表面質(zhì)量好的各種薄厚的制品。水輔注塑成型工藝也可根據(jù)工具及設備的承受壓力在設計，節(jié)省材料，減輕重量，減少成本方面取得更大的自由。典型的應用有棒，管材，水路管網(wǎng)建設用的大型復合結構管。另一方面，盡管有很多優(yōu)勢，由于加入了額外的工藝參數(shù)，模具和工藝控制變的更加嚴峻和困難。水也可能腐蝕模具鋼，同時一些材料包括熱塑性塑料難以成型。成型后水的清除也是對這個新技術的一個挑戰(zhàn)。表1列出了水輔注塑成型技術的優(yōu)勢和局限性。</p>&l

7、t;p><b>　　表1</b></p><p>　　水輔注塑成型有優(yōu)勢超過它更有名的競爭對手，氣輔注塑成型，因為依靠水在成型過程中更好的冷卻能力，水輔注塑成型獲得了更短的成型周期。它的不可壓縮性，低成本以及易循環(huán)利用，水成為這一過程的理想媒介。既然水不會溶解和擴散到聚合物熔體中，那么經(jīng)常在氣輔成型工藝出現(xiàn)的氣泡現(xiàn)象也便消除了。另外，水輔注塑成型能更好的用小剩余壁厚成型大型制件。表2是

8、對水輔和氣輔成型工藝的一個比較。</p><p>　　表2水輔和氣輔成型工藝比較。</p><p>　　隨著對密度小，強度高，價格便宜，成型周期短的優(yōu)良性能材料需求的增加，塑料工程是一個不可忽視的工藝。這些塑料包括熱塑性和熱固性塑料。一般來說，熱塑性塑料以其更高的沖擊強度，斷裂阻力，疲勞強度而更有優(yōu)勢。這使得熱塑性塑料在工程建設中廣泛使用。</p><p>　　PB

9、T是廣泛使用的熱塑性工程塑料之一，它有1，4—丁烯乙2醇和DMT聚合而成。玻纖增強混合材料適用于提高原材料的機械性能。今天，短玻璃纖維增強PBT已被廣泛應用與電子，通信，汽車領域。所以，對玻璃纖維增強PBT的研究更加重要了。本文是通過實驗研究聚對苯二甲酸丁二醇水輔注塑的成型工藝，實驗在一個配備了水輔注塑統(tǒng)的80噸注塑機上進行，包括一個水泵一個壓力檢測器，一個注水裝置。實驗材料包括PBT和15%玻璃纖維填充PBT的混合物以及一個中間有一個

10、肋板的空心盤。實驗根據(jù)水注入制品的長度的影響測得了各種工藝參數(shù)以及它們的機械性能。XRD也被用來分別材料和結構參數(shù)。最后,作了水輔助和氣體輔助注塑件的比較。</p><p><b>　　2．實驗步驟</b></p><p><b>　　2.1 材料</b></p><p>　　實驗材料包括PBT（牌號1111FB，南亞塑料

11、，臺灣）和15%玻璃纖維填充PBT的混合物（牌號1210G3，南亞塑料，臺灣）。表3列出了此混合材料的特征。</p><p>　　表3 纖維增強PBT復合材料特征</p><p>　　2.2 水輔注塑元件</p><p>　　一個實驗室注水元件，包括一個水泵，一個壓力檢測器，一個注水閥，一個配備了溫度調(diào)節(jié)裝置的水箱，以及一個控制電路。這個孔板型注水閥每邊有兩個孔，用

12、來成型制件。實驗過程中，注水閥的控制電路收到由注塑機產(chǎn)生的信號實現(xiàn)對時間和注水壓力的控制。在注入模具行腔之前，水在有溫控裝置的水箱里加熱30分鐘。</p><p><b>　　2.3注塑機和模具</b></p><p>　　水輔注塑成型實驗在一個最高注塑速率109cm3/s的80噸注塑機上進行。研究使用了一個中間有一個肋板的空心盤。圖2顯示了這個行腔的尺寸。模具溫度由

13、一個水循環(huán)模溫控制元件調(diào)節(jié)。實驗根據(jù)水注入制品的長度的影響測得了各種工藝參數(shù)，包括熔體溫度，模具溫度，熔體充模壓力，水溫和水壓，注水延遲時間和保持時間，以及熔體短射類型。表4列出這些工藝參數(shù)及在實驗中的數(shù)值。</p><p><b>　　表 4</b></p><p><b>　　2.4氣輔注塑元件</b></p><p>

14、;　　為了對水輔和氣輔注塑成型制件進行比較，氣輔注塑成型實驗使用了一個商用氣輔注塑成型元件，其具體配置可參考RCFS。氣輔注塑成型工藝控制和水輔注塑成型一樣，除了氣體溫度設置為25外。</p><p>　　圖2 模具行腔的尺寸和外形</p><p><b>　　2.5 XRD</b></p><p>　　為了分析水輔注塑成型制品的晶體結構，實驗

15、使用了具有二維探測分析傳輸模式的廣角X射線衍射儀。更特別的是實驗對水輔注塑成型制品模具一邊和水一邊的樣品在7到40的范圍內(nèi)進行測量。分析所用的樣品來自制品中心。為了獲得XRD樣品要求的厚度，多余的部分在一個旋轉輪上打磨掉。首先用濕的碳硅紗布，而后用粒度300的，再用粒度600和1200的，以獲得更好的表面質(zhì)量。</p><p><b>　　2.6機械性能</b></p><

16、;p>　　拉伸強度和彎曲強度測試在一個拉力測試機上進行。實驗對水輔注塑成型制件樣本進行拉力測試以評估水溫對拉伸性能的影響。樣本的尺寸為30mm*10mm*1mm.</p><p>　　水輔注塑成型制件的彎曲實驗也在室溫下進行。彎曲樣本的尺寸為20mm*10mm*1mm</p><p><b>　　2.7顯微鏡觀察</b></p><p>

17、　　用電子掃描顯微鏡（型號5410）觀察制品中纖維的分子取向。樣品為取自注塑成型制件厚度方向上（圖3）。在垂直于流動方向了對截面進行觀察。觀察前，所有樣品表面鍍金。</p><p>　　圖3拉伸和彎曲測試切取樣品的位置圖示</p><p><b>　　3結果和討論</b></p><p>　　所有實驗在一個最高注塑速率109cm3/s的80噸注

18、塑機上進行。所有研究中使用了一個中間有一個肋板水道的空心盤。</p><p>　　3.1制品的指形效應</p><p>　　所有制品都在水道的過度區(qū)域出現(xiàn)了指形效應。并且，玻璃纖維增強的復合材料指形效應比不增強的更嚴重，如圖4所示。指形效應一般在一種密度小，粘性低的液體穿過另一種密度大，粘性高的不相溶液體時產(chǎn)生。考慮一個密度和黏度變化都很快的兩相界面或區(qū)域。流體移動的壓力P2-P1導致有效

19、的置換量用下式描述</p><p>　　這里U是特性速率，K是穿透性。當壓力為正時，任何很小的置換量都會被放大，導致不穩(wěn)定并出現(xiàn)指形效應。當一種液體被比它密度低，黏度小的液體置換時，我們知道ｕ=ｕ1-ｕ2》0，而且U》O。這時，當一個黏度較高的液體被一種黏度較低的液體置換時，這種液體流動性較高，會出現(xiàn)不穩(wěn)定和指形效應。這次研究的結果顯示玻璃纖維增強的復合材料更傾向于指形效應。這也許是因為玻璃纖維增強的復合材料和水

20、的黏度差比較大。因此水輔注塑成型復合材料顯示了更嚴重的指形效應。</p><p>　　3.2水穿透對工藝參數(shù)的影響</p><p>　　圖4 PBT復合材料水輔注塑成型照片</p><p>　　3.2工藝參數(shù)對水穿透的影響</p><p>　　實驗根據(jù)水穿透行為的影響測得了各種工藝參數(shù)。表4列出這些工藝參數(shù)以及實驗中使用的數(shù)值。為了成型制件，

21、引用了一個重要工藝條件。通過在每一個實驗中改變一個參數(shù)，我們可以更好的理解在復合材料水輔注塑成型中每個參數(shù)對水穿透行為的影響。成型后，實驗測量了水注塑的長度。圖5-10顯示了工藝參數(shù)對水注塑長度的影響，包括熔體充模壓力，熔體溫度，模具溫度，短射類型，水溫以及水壓。</p><p>　　實驗結果顯示，水在純凈PBT中比在玻璃纖維增強PBT復合材料中穿透更深。這是由于玻璃纖維增強復合材料冷卻過程中體積收縮更小，因此，

22、制品被水穿過的長度要短些。</p><p><b>　　熔體充模壓力</b></p><p>　　圖5，熔體充模壓力對水穿過長度的影響</p><p><b>　　熔體溫度</b></p><p>　　圖6 熔體溫度對水穿過長度的影響</p><p><b>　　模

23、具溫度</b></p><p>　　圖7模具溫度對水穿過長度的影響</p><p><b>　　短射類型</b></p><p>　　圖8短射類型對水穿過長度的影響</p><p><b>　　水溫</b></p><p>　　圖9水溫對水穿過長度的影響</

24、p><p><b>　　水壓</b></p><p>　　圖10水壓對水穿過長度的影響</p><p>　　由圖5可以看出，水穿過長度隨著熔體充模壓力的增大而減小。這可以解釋為由于熔體充模壓力增大，模具行腔對流動的阻力增加，因此水更難以進入材料的內(nèi)部。水穿過長度因而變短。</p><p>　　圖6可以看出成型PBT復合材料制

25、品時，隨著熔體溫度是增加水穿過長度也會變短。這也許是因為隨著溫度增加聚合物熔體的黏度降低。較低的熔體黏度有利于水包裹住水道，減少空閑區(qū)域，而不是更深的穿透。水道開頭孔的變小導致了水穿過長度的變短。</p><p>　　如圖7，增加模具溫度稍微降低了水在成型制品中的穿過長度。這也許是因為增加模具溫度降低了冷卻速率以及材料的黏度。于是水就包裹了水道，減少了水道口附近的空閑空間，而不是更深的穿透制品。</p>

26、;<p>　　如圖8，增加短射率降低了水穿過長度。在水輔注塑成型中，模具行腔被部分注入聚合物熔體，而后向這些聚合物中心注入水。聚合物熔體短射率的增加降低了水在成型制品中的穿過長度。</p><p>　　作為實驗中的工藝參數(shù)，增加水溫或者水壓都增加了水在成型制品中的穿過長度。增加水溫降低了冷卻速率，是聚合物熔體更長時間內(nèi)保溫，它的黏度也因此降低。這有利于水更深的進入進品中心。增加水壓也有利于水穿過物體

27、，因此而獲得更深的穿透長度。</p><p>　　最后，制品的偏差，各種工藝參數(shù)測量的主觀性，</p><p>　　最大的制品偏差是翹曲。表11的結果顯示制品翹曲隨著水在成型制品中的穿過長度的降低而減少。這是因為水穿過制品的長度越長，包裹聚合物材料的水就越多。制品的翹曲和收縮也因而降低。</p><p><b>　　水穿過制品的長度</b>&l

28、t;/p><p>　　3.3成型制品的結晶</p><p>　　PBT是一個結晶速率很高的半結晶熱塑性聚脂。在水輔注塑成型過程中，結晶在非等溫條件下發(fā)生，冷卻速率隨著冷卻時間而變化。這里研究了各種工藝參數(shù)包括充熔體溫度，模具溫度，以及水溫對成型制品結晶的影響。測量使用了2維廣角X射線衍射儀。表12的結果顯示所有材料在模具層的結晶比在水層的結晶度要高。這個結果標志著在冷卻過程中水有著更好的冷卻能

29、力。這與我們早先通過測量模內(nèi)溫度分布得到的結果一致。另外，表12C的實驗結果顯示成型材料的結晶隨著水溫的增加而增加。這是因為增加水溫降低了冷卻過程中的材料冷卻速率。成型制品因而有更高的結晶度。</p><p>　　熔體溫度，模具溫度，以及水溫對水輔成型制品結晶的影響</p><p>　　另一方面，為了對水輔和氣輔注塑成型制品的結晶作一個比較，我們在同一臺注塑機上做了實驗，不同的是注塑機裝備

30、了一個高壓氮氣注塑裝置。圖13的結果顯示氣輔注塑成型制品比水輔注塑成型制品有著更高的結晶度。這是因為水比空氣的冷卻能力高，冷卻快。因而水輔注塑成型制品比氣輔注塑成型制品的結晶度要低些。</p><p>　　圖13，水輔和氣輔成型制品的結晶度</p><p><b>　　3.4機械性能</b></p><p>　　對水輔注塑成型制品樣本進行拉伸測

31、試以觀察水溫對拉伸性能的影響，表14的測量結果顯示其隨水溫增高而降低。正如我們看到的，PBT材料的屈服應力和拉伸應力都隨著溫度增高而降低。另一方面，PBT水輔注塑成型制品彎曲強度測試也在室溫下進行。圖15的測試結果顯示，制品的彎曲強度也隨溫度升高而降低。</p><p>　　圖15 水溫對PBT制品彎曲強度的影響</p><p>　　圖14水溫對PBT制品拉伸性能的影響</p>

32、<p>　　一般來說，增高水溫降低了冷卻速率，使制品的結晶度增高。正如我們所知，對于半結晶熱塑性塑料，較高的結晶度意味著較低的自由體積因而增加了制品的剛度。但是，實驗結果顯示，結晶度對PBT力學性能的影響是微不足道的，有更重要的增加了PBT材料的拉伸和彎曲應力。成型材料的機械性能取決于成型過程中結晶的數(shù)量和晶體類型。PBT的延展性隨著結晶降低的事實說明PBT在冷卻速率較低的成型過程中結晶度和剛性增加，因為缺乏延展性，成型制

33、品在拉伸測試中的數(shù)值較高，而剛度沒有預期的高。無論如何，需要更詳細 的實驗研究水輔注塑成型制品的形態(tài)參數(shù)以及相關的機械性能。</p><p>　　3.5成型制品中纖維取向</p><p>　　從制品的中間切取小的樣品用來觀察纖維的取向。觀察的位置如圖3所示。觀察前，所有樣品的表面被磨光并鍍金。圖16顯示了水輔注塑成型制品的微型結構。</p><p>　　圖16 PB

34、T復合材料水輔注塑成型制品的纖維取向</p><p>　　測量結果顯示水輔注塑成型制品中的纖維取向與常規(guī)注塑制品有明顯區(qū)別。</p><p>　　在常規(guī)注塑制品中一般觀察兩個區(qū)域：薄壁處與中心。在薄壁區(qū)域，所有纖維取向與流動方向平行，而在中心，纖維在流動平面內(nèi)取向隨意。與常規(guī)注塑成型相比，水輔注塑成型技術的充模方式不同。對于常規(guī)注塑機，一個循環(huán)周期被定義為充模，保壓，冷卻3個階段。而在水輔

35、注塑成型過程中，模具行腔被部分注入聚合物熔體，而后向這些聚合物中心注入水。這個新穎的充模方式明顯影響了纖維的取向。</p><p>　　由圖16可以看出，水輔注塑成型制品的纖維取向大致可分為3個區(qū)域，在模具一邊的表面，這里充模時剪切很嚴重，纖維很規(guī)則的平行。在水一側的表面，剪切作用不明顯，速率快，在這種情況下，纖維更傾向與垂直與注射方向。在制品中心，纖維取向很隨意。 總的來說，模具一邊的制品表面的玻璃纖維取向大部

36、分與流動方向一致，而隨著離這一表面距離的增加，纖維取向逐漸的垂直與流動方向。最后，應該注意的是，我們實驗室應該在今后的研究中對水輔注塑成型和常規(guī)注塑成型的纖維取向和形態(tài)做一個定量的比較。</p><p><b>　　4結論</b></p><p>　　本報告的目的是通過實驗研究聚對苯二甲酸丁二醇復合材料水輔注塑的成型工藝?；诋斍皩嶒灴傻贸鲆韵陆Y論</p>

37、<p>　　水輔注塑成型制品在水道的過度區(qū)域出現(xiàn)了指形效應。并且，玻璃纖維增強復合材料的指形效應比不增強的更嚴重</p><p>　　研究的實驗結果顯示PBT復合材料的水穿透長度隨著水溫和水壓的增加而增加。隨著熔體充模壓力，熔體溫度，模具溫度，短射量的增加而降低。，</p><p>　　制品的翹曲隨著水穿透的程度而降低了。</p><p>　　注塑制品

38、的結晶度隨著水溫的升高而提高。水輔成型制品的結晶度比氣輔的要低。</p><p>　　模具一邊的制品表面的玻璃纖維取向大部分與流動方向一致，而隨著離這一表面距離的增加，纖維取向逐漸的垂直與流動方向</p><p><b>　　感謝</b></p><p>　　感謝臺灣科學委員會對研究工作的資金支持！</p><p>&l

39、t;b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] Knights M. Plast Technol 2002(April):42.</p><p>　　[2] Michaeli W, Juntgen T, Brunswick A. Kunststo. Plast Europe</p><p>　　[3] Liu SJ, Chen YS. P

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