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      PA66注塑件組裝過程開裂的分析及措施
        瀏覽次數:5174  發布時間:2023年10月08日 11:41:16
      [導讀] 尼龍66(PA66)注塑件在冬季組裝過程中容易出現開裂現象,影響產品外觀質量,分別從注塑前原料的預處理、注塑工藝參數控制(包括料筒溫度、噴嘴溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時間)和注塑后的調濕工藝這幾個方面對出現的開裂原因進行了分析。結果表明,注塑件的預處理和注塑工藝滿足要求,但缺少注塑后的調濕工藝,冬季組裝過程易開裂是由于注塑件注塑后的含水率極低,冬季外界環境濕度較小,注塑件在短時間不能吸收到足夠的水分,相應的抗沖擊能力較差,無法承受組裝過程的沖擊力而出現開裂現象。
       段凱歌,陳章成,王朝,朱輝,泮豪,鄭拾玉,郭獻級
      (浙江曼瑞德舒適系統有限公司,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開裂現象,影響產品外觀質量,分別從注塑前原料的預處理、注塑工藝參數控制(包括料筒溫度、噴嘴溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時間)和注塑后的調濕工藝這幾個方面對出現的開裂原因進行了分析。結果表明,注塑件的預處理和注塑工藝滿足要求,但缺少注塑后的調濕工藝,冬季組裝過程易開裂是由于注塑件注塑后的含水率極低,冬季外界環境濕度較小,注塑件在短時間不能吸收到足夠的水分,相應的抗沖擊能力較差,無法承受組裝過程的沖擊力而出現開裂現象。針對這一問題,采用了兩種不同的調濕工藝(水煮處理和恒溫恒濕處理)對質量分數20%玻璃纖維增強PA66(PA66/20%GF)材料進行處理,分別研究了這兩種工藝對PA66/20%GF材料吸水率及彎曲性能和簡支梁沖擊性能的影響。結果表明,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,恒溫恒濕工藝耗費時間較長,可應用于需要保留較高彎曲性能的場合,而水煮工藝可大幅縮短調濕時間(95℃,0.5h),適合對抗沖擊要求較高的場合。
      關鍵詞:尼龍66注塑件;開裂;吸水率;彎曲性能;簡支梁沖擊性能

      尼龍66(PA66)由己二酸和己二胺縮聚而成,是一種優良的工程塑料[1-4],其綜合性能優良,具有強度高、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、耐磨和自潤滑等優點[5-8],而且原料易得,成本低,因此廣泛應用于服裝、裝飾、工業工程等領域[9-13]。為了進一步提高PA66產品的強度,通常在PA66材料中添加玻璃纖維(玻纖)進行改性[14-16],在提高材料強度的同時還可以減小其收縮率。玻纖含量的添加可以根據客戶需要進行調整,常見的玻纖添加量有20%,30%,40%,50%等(均為質量分數)。目前,PA66在車輛上的應用已占到63%左右,在電子電氣方面和辦公自動化設備上的應用占比達到22%,在機械、光學方面的應用占到5%,因此,PA66復合材料的市場銷售增長很快。近年來,隨著汽車、電器、通訊、電子、機械等產業的迅速發展,對PA66產品注塑工藝的要求越來越嚴苛,工藝控制不好則會使產品表面容易出現裂紋、氣孔和銀紋等現象。筆者在組裝一款質量分數20%玻纖增強PA66(PA66/20%GF)注塑件時發現,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了開裂現象,如圖1所示。注塑件開裂不僅會影響產品外觀,更重要的是會降低使用壽命,嚴重的可能造成質量事故,因此必須要找到開裂產生的原因,才能采取有效措施加以消除。

      圖1
      圖1 PA66/20%GF注塑件開裂現象

      1 PA66注塑工藝要點及組裝過程開裂原因分析
      1.1 注塑前原料預處理的要點
      尼龍類材料對注塑工藝要求嚴格,注塑前需要進行原料的干燥。干燥處理時需選擇合適的干燥的溫度和時間:若干燥的溫度過高,會引起原料氧化分解,干燥溫度過低,除水效率較低;干燥的時間過長,會使原料發生氧化,顏色變黃,干燥時間過短又會達不到除濕的目的。

      原料的干燥可以采用鼓風干燥箱和真空干燥箱設備,其中采用鼓風干燥箱干燥PA66原料時的溫度通??刂圃?0~100℃,時間為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氣泡現象,影響制品外觀及力學性能。

      1.2 注塑工藝參數控制要點
      注塑工藝參數主要分為溫度、壓力和時間,溫度包括料筒溫度、噴嘴溫度和模具溫度等,注射壓力和保壓時間對注塑件的性能和外觀有非常重要的影響,對這些工藝參數的控制要點現分述如下。

      由于PA66原料的熱穩定性較差,料筒溫度不易過高,一般略高于原料的熔融溫度即可,但對于玻纖增強的PA66,溫度須高于純的原料,這樣可以使原料更好的塑化,增加物料的流動性,保證產品表觀質量和性能。通常料筒溫度設置如下:喂料區270~285℃,壓縮區280~290℃,計量區275~285℃。

      噴嘴溫度需要單獨控制,即單獨裝設加熱器,這也是尼龍類材料注塑過程中必須具備的條件之一。噴嘴溫度應稍微低于料筒的后段溫度,但是也不能過低,過低會導致物料在噴嘴中過早冷卻而堵塞射孔,或者即使熔體能進入模腔也容易造成冷料的痕跡,故通常噴嘴的溫度為260~270℃。

      模具溫度對制品質量影響很大,且尼龍材料是結晶性較高的材料,物料在模腔中冷卻時會伴隨著結晶并產生較大的收縮。模具溫度較低時,產品的結晶度低、伸長率高、韌性較好;模具溫度較高時,產品的結晶度會比較高,硬度變大,彈性模量增大,耐磨性較好,吸水率變低,但收縮率會稍有增大。模具溫度的選擇應該根據產品的形狀和壁厚來確定,對于形狀比較復雜且壁厚的產品,模具溫度應該選擇低值,以防止產品產生氣泡或者凹陷的情況,而對于形狀簡單且壁薄的產品,采用高模具溫度有利于熔體能夠充滿模腔,防止熔體出現過早凝固的現象。通常模具溫度控制在60~80℃。

      注射壓力,是指在注射時,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,應考慮注塑的制品不容易產生粘模和飛邊。對于厚的制品,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間控制十分重要,對于PA66材料來講,由于熔體溫度比較高,若設定的保壓時間太長可能會引起脫模困難,而保壓時間過短可能會引起制品收縮率增大,影響產品外觀及性能,一般保壓時間按照6mm壁厚需用1min左右時間進行保壓的方法來估算。

      1.3 注塑后調濕工藝要點
      尼龍產品在注塑后含水率極低,小于0.1%??梢詫⒛猃埉a品在濕度為65%的條件下放置一段時間,從而使產品達到平衡吸濕量的過程,常用的加熱介質為乙酸鉀水溶液或熱水,溫度80~100℃,處理時間8~16h,用這種方法調濕處理所耗費的時間較長,生產效率較低,且調試的均勻性較差。另外一種方法是將注塑好的產品放入熱水中煮2h后,再自然冷卻半小時,使制品在較短的時間內達到吸水平衡,避免在空氣中緩慢吸水而引起尺寸的連續變化,對減小注塑件的內應力有利,能防止脆性斷裂,且水煮過程中產品與空氣隔離,不會造成產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,可用于自動控制系統的開啟,做導程導向使用;下方為內外卡扣結構,內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動并做行程指示顯示。該注塑件在組裝過程中易出現開裂,在冬季時這種開裂現象出現得更為頻繁,嚴重影響了產品質量,故查找開裂原因非常重要。根據前述的各階段工藝要點,核查該PA66注塑件的注塑工藝,發現原料注塑前在80℃的鼓風干燥箱中干燥8h,料筒溫度為喂料區275℃、壓縮區285℃、計量區280℃,噴嘴溫度為280℃,模具溫度為60℃,注射壓力為70MPa,保壓時間為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的工藝參數控制,都在要求范圍之內,但缺少了注塑后的調濕處理程序,注塑完直接進行組裝工作,從而導致產品因內應力過大而開裂。所以,為了解決這種開裂現象,需采用合適的調濕工藝,為此,筆者采用了恒溫恒濕處理和水煮兩種調濕工藝,對比了這兩種調濕工藝對PA66/20%GF吸水率和力學性能的影響,為解決PA66注塑件的開裂問題提供借鑒。

      2 實驗部分
      2.1 主要原料
      PA66/20%GF材料:市售。

      2.2 主要設備及儀器
      實驗用注塑機:WZS10D型,上海新碩精密機械有限公司;
      恒溫恒濕箱:HSP-150BEII型,上海坤天實驗室儀器有限公司;
      恒溫介質箱:JJTANK-01型,承德市金建檢測儀器有限公司;
      電子天平:FA2004型,上海佑科儀器儀表有限公司;
      萬能試驗機:XWW-20T型,承德市金建檢測儀器有限公司;
      復合式沖擊試驗機:HIT-2492型,承德市金建檢測儀器有限公司。

      2.3 試樣制備
      采用實驗用注塑機注塑力學性能測試樣條,彎曲性能測試樣條(彎曲樣條)尺寸為10mm×4mm×80mm,缺口沖擊強度測試樣條(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℃,保壓時間10s。

      2.4 性能測試
      彎曲性能測試:參考GB/T 2918-2018,首先對注塑好的5根彎曲樣條進行狀態調節40h以上,調節環境為溫度23℃、相對濕度50%;然后按GB/T9341-2008用萬能試驗機測試樣條的定撓度彎曲應力(撓度為厚度的1.5倍),測試條件為傳感器500N、試驗速度2mm/min。

      沖擊性能測試:參考GB/T 2918-2018,首先對注塑好的10根沖擊樣條進行狀態調節16h以上,調節環境為溫度23℃、相對濕度50%;然后根據GB/T1043.1-2008使用復合式沖擊試驗機測試樣條的缺口沖擊強度,測試條件為A型缺口、簡支梁沖擊模式、預揚角114°、擺錘能量5J。

      3 結果與討論
      3.1 恒溫恒濕處理對PA66/20%GF材料吸水率和力學性能的影響
      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行預處理,預處理時間均為24h,用電子天平稱量預處理前后樣條的質量變化,計算樣條的吸水率,并測試了樣條的定撓度彎曲應力和缺口沖擊強度,測試結果見表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緩慢增加的趨勢,由于吸水后材料的韌性增強,材料的柔性變好,相應的定撓度彎曲應力逐漸減小,缺口沖擊強度不斷增大,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間較長,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
      表1 23℃下恒溫恒濕24h處理PA66GF20%的吸水率及力學性能

      3.2 水煮處理對PA66/20%GF材料吸水率和力學性能的影響
      將PA66/20%GF原料注塑成彎曲樣條和沖擊樣條,采用恒溫介質箱在95℃的水中分別將樣條煮不同的時間,用電子天平稱量水煮前后樣條的質量變化,計算樣條的吸水率,并測試了樣條的定撓度彎曲應力和缺口沖擊強度,結果見表2。

      表2水印
      表2 95℃下水煮處理PA66GF20%的吸水率及力學性能

      從表2可以看出,隨水煮時間從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,定撓度彎曲應力變小,而對應的缺口沖擊強度從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,主要是因為注塑件注塑后含水率極低,小于0.1%,而冬季外界環境濕度較小,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開裂現象。因此,為了解決注塑件在組裝過程出現的開裂現象,筆者采取了2種注塑后的調濕方案進行嘗試:第一,將注塑好的1000個注塑件放入溫度23℃、相對濕度50%的恒溫恒濕箱中預處理24h,之后再進行組裝試驗;第二,將注塑好的1000個注塑件放入95℃的水中煮0.5h,之后進行組裝試驗。以上2種方案所組裝的全部產品未出現破裂現象,證明筆者對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%材料的吸水率相對較低,故沖擊性能的變化相對較小,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,相應的沖擊性能提升明顯。綜合來看,恒溫恒濕調濕耗費時間較長,可用于需要保留較高彎曲性能的場合,而水煮工藝可大大縮短調濕時間,適合對抗沖擊要求較高的場合。

      4 結論
      (1)對于PA66注塑件組裝過程中出現的開裂原因,分別從注塑前原料的預處理、注塑工藝參數控制和注塑后的調濕工藝等方面進行了分析。
      (2)由于注塑件注塑結束后未進行調濕,含水率極低,相應的抗沖擊能力較差,無法承受組裝過程的沖擊力,從而產生了開裂現象。
      (3)采用水煮和恒溫恒濕處理兩種不同的調濕工藝對PA66材料進行處理,發現采用恒溫恒濕調濕工藝處理材料時,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??;水煮工藝能大幅度提升材料吸水率,相應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。恒溫恒濕工藝調濕耗費時間較長,可用于需要保留較高彎曲性能的場合,而水煮工藝可大幅縮短調濕時間,適合對抗沖擊要求較高的場合。

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