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程中容易出現(xiàn)開裂現(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，冬季組裝過程易開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，無法承受組裝過程的沖擊力而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。針對(duì)這一問題，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裂問題，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，隨著汽車、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異常，但在組裝過程中受到外力出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，如圖1所示。注塑件開裂不僅會(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，因此必須要找到開裂產(chǎn)生的原因，才能采取有效措施加以消除。
圖1 PA66/20%GF注塑件開裂現(xiàn)象
1 PA66注塑工藝要點(diǎn)及組裝過程開裂原因分析
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：若干燥的溫度過高，會(huì)引起原料氧化分解，干燥溫度過低，除水效率較低；干燥的時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使原料發(fā)生氧化，顏色變黃，干燥時(shí)間過短又會(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)的溫度通常控制在80~100℃，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，但是也不能過低，過低會(huì)導(dǎo)致物料在噴嘴中過早冷卻而堵塞射孔，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。該注塑件在組裝過程中易出現(xiàn)開裂，在冬季時(shí)這種開裂現(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)力過大而開裂。所以，為了解決這種開裂現(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注塑件的開裂問題提供借鑒。
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 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)果見表2。
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注塑件組裝過程開裂的解決措施
PA66注塑件組裝過程尤其是冬季組裝過程易開裂，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，無法承受組裝過程的沖擊力而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此，為了解決注塑件在組裝過程出現(xiàn)的開裂現(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注塑件組裝過程的開裂問題。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注塑件組裝過程中出現(xiàn)的開裂原因，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，無法承受組裝過程的沖擊力，從而產(chǎn)生了開裂現(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注塑件組裝過程的開裂問題。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。
參考文獻(xiàn)：
[1]左雄志.國(guó)內(nèi)聚酰胺66產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].合成纖維工業(yè)，2022，45(5):75?79.
[2]李傳斌，陳巍，程德康，等.聚酰胺66聚集態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的研究[J].塑料工業(yè)，2018，46(6):23?27.
[3]FryerC，王毅.聚酰胺6和聚酰胺66開發(fā)初期[J].國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào)，2021，49(5):2?3.
[4]周雷.PA66產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性的影響因素[J].工程塑料應(yīng)用，2019，47(1):126?131.
[5]劉暢，劉可，李圓圓，等.PA66/6的制備及性能[J].工程塑料應(yīng)用，2019，47(1):1?7.
[6]王佳臻，蒯平宇，劉會(huì)敏，等.國(guó)內(nèi)尼龍6、尼龍66產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].合成纖維，2021，50(3):8?11.
[7]魏馨.PA6/PA66共聚酰胺及其纖維制備與結(jié)構(gòu)、性能研究[D].上海：東華大學(xué)，2022.
[8]龔繼遼，文健，劉濱濱，等.單環(huán)氧化合物接枝改性PA6材料的制備及其性能研究[J].中國(guó)塑料，2019，33(6):1?7.
[9]李益仁，湯廉，吉鵬，等.11-氨基十一酸改性PA6的制備及性能研究[J].合成纖維，2018，47(3):20?25.
[10]周心宇，石偉，劉僑.四苯乙烯基交聯(lián)型聚酰胺的固相合成及其物化性質(zhì)分析[J].合成化學(xué)，2021，29(1):76?80.
[11]郭紅.POE-g-MAH的制備及其改性PA6的研究[D].沈陽：遼寧大學(xué)，2019.
[12]王雪梅，李發(fā)學(xué)，俞建勇.D-山梨醇改性PA6及其等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2020，46(6):857?861，873.
[13]湯杰.尼龍6/66原位共聚物的序列分布、結(jié)晶行為及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2018.
[14]張九夫，羅開強(qiáng)，徐軍，等.長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)PA66復(fù)合材料的綜合性能及其影響因素研究[J].中國(guó)塑料，2022，36(3):1?8.
[15]張青，張雨溪，張斌，等.納米二硫化鉬制備及對(duì)PA66的改性[J].工程塑料應(yīng)用，2022，50(3):147?152.
[16]郭斌，李軍艷.聚酰胺改性的研究進(jìn)展[J].煤炭與化工，2021，44(8):123?126，138.
[11]吳俊超.基于Moldflow的汽車儀表板大型塑件注塑模工藝優(yōu)化[J].中國(guó)塑料，2021，35(12):121?128.
[12]趙選民.試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[M].北京：科學(xué)出版社，2006:64?84.
[13]申長(zhǎng)雨.注射成型模擬及模具優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2009:1?10.
[14]劉鋒，龐建軍，陳宇軒，等.基于Taguchi與BPNN-PSO的薄壁注塑件翹曲變形優(yōu)化[J].工程塑料應(yīng)用，2021，49(2):74?79.
[15]王超房，黃明，趙振峰，等.基于預(yù)變形的長(zhǎng)條狀注塑制品翹曲控制[J].工程塑料應(yīng)用，2016，44(8):46?49.
[16]朱成兵，江子斌，李金國(guó).基于反翹曲變形技術(shù)的空調(diào)導(dǎo)風(fēng)板優(yōu)化分析[J].塑料科技，2018，46(4):99?102.
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