PVC-U管件注塑成型中的几个问题（二）
栏目：行业动态 发布时间：2021-06-01 15:53
1.静止时间=1min 2.静止时间=5min 此外存料区熔体温度受注射量的影响:注射量 加大时,熔体温差较大,见图3[2] 。 图3 注射量与熔体温度的关系 2 制品表面的黄纹、黑纹、黑点 在生产中制品表...
1.静止时间=1min
2.静止时间=5min
此外存料区熔体温度受注射量的影响:注射量
加大时,熔体温差较大,见图3[2]
。
图3 注射量与熔体温度的关系
2 制品表面的黄纹、黑纹、黑点
在生产中制品表面时常出现黄纹、黑纹、黑点,
尤其是在浇口附近的内外表面常有大量黑点,而其它部位和剖面都没有。以上均是PVC 分解所致,PVC 分解变色过程为:白色→粉红色→浅黄色→红色→褐色→黑色,以黄色和黑色较常见。至于黑点和黑纹,实际上是分解的PVC 的不同表现形式而已,当黑纹被冲散打乱时,就呈无规则分布的黑点。
产生黄、黑纹及黑点的原因很多,而且表现各不相同。下面仅就几种较常见的情况作一分析,较早先分析物料充模的过程:位于存料区的熔体在螺杆的高压推动下,经过喷嘴高速剪切,进入主流道→分流道→浇口→模腔。由于模具通常通有冷却水,模温远低于料温,所以先接触模具的熔体冷凝覆在流道表面,形成冷冻皮层(很薄)。后面的熔体不断涌来,其表面与较冷空气接触,从而形成一个粘度很高的前沿膜(波前),后面的熔体不断冲破膜壁,形成新的前沿膜。在充模过程中,冷冻皮层与前沿膜交替出现,当形成的冷冻皮层不能覆盖住流道表面微小的突起时,PVC流经该处时就会过度剪切而分解成黑色条纹,并被后面涌来的熔体冲散呈黑点状分布在随后形成的冷冻皮层中,这就是为什么黑点只分布在制品内外表面而剖面则没有的原因。
当料筒温度过高时,通常是制品整个表面呈黄色或褐色,黑色的情况很少,这时制品很脆。
当物料中掺用的回收研磨粉中混有分解料时,这些杂质随物料运动无规分布于制品之中,制品剖面中也会有,且与周围正常的胶料融合较差。
当螺杆被腐蚀时,通常会在制品表面出现曲线状的黄、黑纹;若被腐蚀处粘附的PVC分解,会在制品表面出现黑点,但黑点能与周围正常的胶料融合。
当模具排气不畅时,由于空气压缩而产生热量灼伤制品,呈黄色或黑色纹状分布在排气槽附近。
当喷嘴不光滑时,由于喷嘴有外加热,通常无法形成冷冻皮层,整个存料区的物料经过该处时,都会剪切分解而在制品表面形成大面积的黑点。
当主流道不光滑时,由于冷冻皮层一般较薄,其不能覆盖住微小的突起时,PVC物料流经该处时,表现同上。这种情况在新建的注塑厂中较为普遍:当拉料杆断在定模中时,由于取出较为困难,常用细铜棒将其凿出。虽然PVC注塑模具主流道的材质多是含铬的高耐腐蚀性钢材,比铜坚硬,但若经常这样做,而不及时修模,仍会损伤主流道表面。
另外需要指出的是,在很多注塑厂中,用于修模的工具十分简单,尤其是在修改模具浇口时,多用一般的车刀(如643型、YW2型车刀)加工,修好后,用砂布轮打磨一下,较后用羊毛球手动抛光处理。其实这样做是不够的,若对抛光后的模具表面局部放大,仍可见表面凹凸不平。抛光并不能改变车刀加工后形成的表面粗糙度,改变的仅是表面光亮度,表面粗糙度是由加工的车刀和打磨砂纸的粒度决定的。还要指出的是仅用一种较粗的砂纸打磨也是不够的,笔者曾在某摩托车厂工作过,他们处理金相样品时的程序值得借鉴:对渗氮、渗碳后的样品先用较粗的砂纸打磨,然后逐级增加砂纸的粒度直至1500目以上,较后再用抛光机机械抛光,而不是用1500目的砂纸直接打磨一道工序,因为这样做,样品表面粗糙度并没有多少改变。这一点有时被忽视了,误以为只要打磨后,再抛光即可满足要求。实际上,抛光后,注射时制品浇口附近仍可能会有大量黑点,当然严重时会分布于整个制品表面。
不过若用上述观点,要求通过逐级打磨抛光模具来完全消除黑点也是不现实的,这时可通过调整注塑工艺参数来减轻这些缺陷(但主要原因仍在修模上):制品表面黑点及分布与注射时各段的速度、压力有关系,若制品总在某个部位出现黑点,也可用欠充注射法找到该缺陷点的位置,再以该位置为区间,分别设置各段的速度、压力,适当减小缺陷点所在位置的注射速度、压力,但此时宜注意提高料温,以防注射时间的延长而影响制品熔接痕的强度。
3 模具温度
由于制品冷却时间在注塑产品的整个生产周期中占主要部分,为缩短生产周期,模具中一般通有冷却水,适宜的模温在40~60℃,过低的模温虽然大大缩短了生产周期,但对制品的外观、性能都产生影响。在注射过程中,若模温过低,注射速度和压力偏低时,制品表面常会出现皱纹或裂纹,尺寸稳定性差,并会影响熔接痕的强度。尤其是在夏天气温较高时,当制品脱模后,模具型腔内很快会覆上一层冷凝水汽,再次注塑时,冷凝水汽与高温熔体相遇:
(1)低温的冷凝水汽使熔体前沿膜(波前)粘度增大,大大阻止了后续熔体的前进,当熔体受到膜壁过多的阻止而不能前进时,熔体只可转向模壁方向,并很快冻结,使得制品欠注且注射压力损失很大。
(2)冷凝水汽汽化,使模具排气不畅,会在制品表面形成气斑;当物料快速冲模时还会因空气压缩而灼伤制品,形成黄斑甚至黑斑;有时甚至会在制品中卷入气泡,影响坠落、液压试验。
需要说明的是由于模具通有冷却水,因此关注模具温度不如关注制品脱模后的温度更现实。通过分析生产前后模具的热影像图(本刊略———编者)可以知道,正常生产时,模具温度一般并不高,各处型腔有效接触面的温差在5℃之内。PVC2U管件精度要求不如精密注射管件的高,这些温差的影响并不大,只是在抽芯机构结合处由于夹有空气而比其他部位高出许多,其对制品的影响还需进一步考虑。4 大口径管件的生产
大口径管件自身重量大,所用树脂为SG26或SG27型PVC树脂,其力学强度小于PVC2U管材树脂,坠落试验难以通过。常规的改进方法是在配方中加入抗冲改性剂,以氯化聚乙烯(CPE)较为常用。但是加入CPE后,在制品浇口附近内外表面常有大片大量的脱皮,其他部位则没有,严重影响制品外观,同时拉料杆上也有一层几乎与料杆分离的硬壳。
电子显微镜研究表明:用CPE改性的PVC在加工过程中,CPE包囊了PVC基本粒子并在PVC 基体中形成蜂窝状的网络,但这种网络结构在受剪切力方面非常敏感,其加工范围也很窄,过多的剪切则往往会破坏网络结构[3]。大口径管件的注射速度、压力都较高,物料经过浇口时,剪切速率急剧增大,由于弹性体CPE与PVC的相容仅发生在CPE 高氯链段与PVC界面,二者整体相容性有限,加上分子量的差异,导致CPE部分析出,呈不规则状分布在冷冻皮层中。而PVC管件配方中润滑剂较多,且有高分子型加工助剂对润滑剂溶解度的改变,使得“粘壁”的PVC转变成一种“滑壁”材料[3],加之模具温度较低,冷冻皮层并不紧紧粘附在模具表面,而是形成微小空隙。随着注射的进行,析出的CPE在浇口附近形成冷冻皮层后,会继续容纳后续析出形成的冷冻皮层,后者不断冲破先前形成的冷冻皮层。由于大口径管件较厚,多采用直接浇口,这样就在浇口附近内外表面形成大片脱皮。
由前面分析的物料充模过程可知:模壁处冷冻皮层的线速度和切变速率几乎为零,当模壁处流速为零,必有在波前处由中心至模壁的径向辐射形流动,这样使模腔充满。这样的料流在未接触模壁时处于高温低剪切状态,一旦接触模壁立刻凝固,因而在模壁处的物料很少有分子取向。由于冷冻皮层起着绝热作用,所以贴近冷冻皮层的那层高聚物并不立即凝固,此层中的高分子链的一端被凝固附着在冷冻皮层中,而物料流在切应力作用下将分子链的另一端引向流动方向而取向。由于大口径管件生产周期长,模具冷却时间长,物料冷却收缩后,在速度梯度上分层的物料便分离开,形成拉料杆上的硬壳。
我们在对抗冲改性剂进行选择后,发现使用纳米碳酸钙(50~70nm级CaCO3)改性PVC生产大口径管件效果很好。由于纳米CaCO3是无机刚性粒子,避免了浇口附近脱皮,拉料杆上的硬壳也消失了。纳米CaCO3抗冲改性的效果比CPE还要好,而且制品的拉伸屈服强度、断裂伸长率和简支梁冲击性能等均有大幅上升。
此外还发现使用纳米CaCO3改性PVC生产大口径管件,机器操作稳定性大大提高,开机时间和生产周期都有明显缩短,产品外观缺陷大大减少,光泽也十分明亮。更明显的是产品一次成品率提高三至四倍,以往生产大口径管件需反复调试,较顺利时也需过渡六至七模产品,而使用纳米CaCO3改性PVC 后,通常只需过渡一至两模即可成功。
5 回收料
在注塑生产中,浇注系统的冷凝料所占比例不小,生产中也多将其研磨成粉加以回收利用。这里值得注意的是:回收料在加工过程中,分子链已发生物理、化学交链,分子链的有效长度变短。研磨后,大量长链又被打断,使得分子间作用力大大减少;同时回收料中混有许多杂质和灰尘,增加了制品内应力,其再次塑化时,不但缺陷点多,而且分子链间交链点的数量和强度下降,这些因素使得回收料的性能大大下降,严重影响制品的液压试验及坠落试验。此外回收料中的水分也值得关注,由于一般的注塑机没有真空抽气的装置,仅靠加料口来排气,其效果有限。微量的水分混入高温熔体中而汽化,冷却后,气泡体积收缩,因而在制品中留下许多微小的孔穴。制品坠落时,极易破碎。严重时,烘箱试验前后制品的色水也会发生变化,所以对于回收料应予以降级使用。
6 结论
(1)合理地设置多级分段,可有效改善制品品质;
(2)正确的修模,配以适当的注射工艺,可大大减少制品表面黑点;
(3)合理设定模具温度,充分关注制品脱模后的温度是PVC2U管件生产中的一个重要因素;
(4)使用纳米CaCO3改性PVC生产大口径管件十分有效,也是可行的;
(5)慎重使用回收料是提高制品性能的一个方面。
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2.静止时间=5min
此外存料区熔体温度受注射量的影响:注射量
加大时,熔体温差较大,见图3[2]
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图3 注射量与熔体温度的关系
2 制品表面的黄纹、黑纹、黑点
在生产中制品表面时常出现黄纹、黑纹、黑点,
尤其是在浇口附近的内外表面常有大量黑点,而其它部位和剖面都没有。以上均是PVC 分解所致,PVC 分解变色过程为:白色→粉红色→浅黄色→红色→褐色→黑色,以黄色和黑色较常见。至于黑点和黑纹,实际上是分解的PVC 的不同表现形式而已,当黑纹被冲散打乱时,就呈无规则分布的黑点。
产生黄、黑纹及黑点的原因很多,而且表现各不相同。下面仅就几种较常见的情况作一分析,较早先分析物料充模的过程:位于存料区的熔体在螺杆的高压推动下,经过喷嘴高速剪切,进入主流道→分流道→浇口→模腔。由于模具通常通有冷却水,模温远低于料温,所以先接触模具的熔体冷凝覆在流道表面,形成冷冻皮层(很薄)。后面的熔体不断涌来,其表面与较冷空气接触,从而形成一个粘度很高的前沿膜(波前),后面的熔体不断冲破膜壁,形成新的前沿膜。在充模过程中,冷冻皮层与前沿膜交替出现,当形成的冷冻皮层不能覆盖住流道表面微小的突起时,PVC流经该处时就会过度剪切而分解成黑色条纹,并被后面涌来的熔体冲散呈黑点状分布在随后形成的冷冻皮层中,这就是为什么黑点只分布在制品内外表面而剖面则没有的原因。
当料筒温度过高时,通常是制品整个表面呈黄色或褐色,黑色的情况很少,这时制品很脆。
当物料中掺用的回收研磨粉中混有分解料时,这些杂质随物料运动无规分布于制品之中,制品剖面中也会有,且与周围正常的胶料融合较差。
当螺杆被腐蚀时,通常会在制品表面出现曲线状的黄、黑纹;若被腐蚀处粘附的PVC分解,会在制品表面出现黑点,但黑点能与周围正常的胶料融合。
当模具排气不畅时,由于空气压缩而产生热量灼伤制品,呈黄色或黑色纹状分布在排气槽附近。
当喷嘴不光滑时,由于喷嘴有外加热,通常无法形成冷冻皮层,整个存料区的物料经过该处时,都会剪切分解而在制品表面形成大面积的黑点。
当主流道不光滑时,由于冷冻皮层一般较薄,其不能覆盖住微小的突起时,PVC物料流经该处时,表现同上。这种情况在新建的注塑厂中较为普遍:当拉料杆断在定模中时,由于取出较为困难,常用细铜棒将其凿出。虽然PVC注塑模具主流道的材质多是含铬的高耐腐蚀性钢材,比铜坚硬,但若经常这样做,而不及时修模,仍会损伤主流道表面。
另外需要指出的是,在很多注塑厂中,用于修模的工具十分简单,尤其是在修改模具浇口时,多用一般的车刀(如643型、YW2型车刀)加工,修好后,用砂布轮打磨一下,较后用羊毛球手动抛光处理。其实这样做是不够的,若对抛光后的模具表面局部放大,仍可见表面凹凸不平。抛光并不能改变车刀加工后形成的表面粗糙度,改变的仅是表面光亮度,表面粗糙度是由加工的车刀和打磨砂纸的粒度决定的。还要指出的是仅用一种较粗的砂纸打磨也是不够的,笔者曾在某摩托车厂工作过,他们处理金相样品时的程序值得借鉴:对渗氮、渗碳后的样品先用较粗的砂纸打磨,然后逐级增加砂纸的粒度直至1500目以上,较后再用抛光机机械抛光,而不是用1500目的砂纸直接打磨一道工序,因为这样做,样品表面粗糙度并没有多少改变。这一点有时被忽视了,误以为只要打磨后,再抛光即可满足要求。实际上,抛光后,注射时制品浇口附近仍可能会有大量黑点,当然严重时会分布于整个制品表面。
不过若用上述观点,要求通过逐级打磨抛光模具来完全消除黑点也是不现实的,这时可通过调整注塑工艺参数来减轻这些缺陷(但主要原因仍在修模上):制品表面黑点及分布与注射时各段的速度、压力有关系,若制品总在某个部位出现黑点,也可用欠充注射法找到该缺陷点的位置,再以该位置为区间,分别设置各段的速度、压力,适当减小缺陷点所在位置的注射速度、压力,但此时宜注意提高料温,以防注射时间的延长而影响制品熔接痕的强度。
3 模具温度
由于制品冷却时间在注塑产品的整个生产周期中占主要部分,为缩短生产周期,模具中一般通有冷却水,适宜的模温在40~60℃,过低的模温虽然大大缩短了生产周期,但对制品的外观、性能都产生影响。在注射过程中,若模温过低,注射速度和压力偏低时,制品表面常会出现皱纹或裂纹,尺寸稳定性差,并会影响熔接痕的强度。尤其是在夏天气温较高时,当制品脱模后,模具型腔内很快会覆上一层冷凝水汽,再次注塑时,冷凝水汽与高温熔体相遇:
(1)低温的冷凝水汽使熔体前沿膜(波前)粘度增大,大大阻止了后续熔体的前进,当熔体受到膜壁过多的阻止而不能前进时,熔体只可转向模壁方向,并很快冻结,使得制品欠注且注射压力损失很大。
(2)冷凝水汽汽化,使模具排气不畅,会在制品表面形成气斑;当物料快速冲模时还会因空气压缩而灼伤制品,形成黄斑甚至黑斑;有时甚至会在制品中卷入气泡,影响坠落、液压试验。
需要说明的是由于模具通有冷却水,因此关注模具温度不如关注制品脱模后的温度更现实。通过分析生产前后模具的热影像图(本刊略———编者)可以知道,正常生产时,模具温度一般并不高,各处型腔有效接触面的温差在5℃之内。PVC2U管件精度要求不如精密注射管件的高,这些温差的影响并不大,只是在抽芯机构结合处由于夹有空气而比其他部位高出许多,其对制品的影响还需进一步考虑。4 大口径管件的生产
大口径管件自身重量大,所用树脂为SG26或SG27型PVC树脂,其力学强度小于PVC2U管材树脂,坠落试验难以通过。常规的改进方法是在配方中加入抗冲改性剂,以氯化聚乙烯(CPE)较为常用。但是加入CPE后,在制品浇口附近内外表面常有大片大量的脱皮,其他部位则没有,严重影响制品外观,同时拉料杆上也有一层几乎与料杆分离的硬壳。
电子显微镜研究表明:用CPE改性的PVC在加工过程中,CPE包囊了PVC基本粒子并在PVC 基体中形成蜂窝状的网络,但这种网络结构在受剪切力方面非常敏感,其加工范围也很窄,过多的剪切则往往会破坏网络结构[3]。大口径管件的注射速度、压力都较高,物料经过浇口时,剪切速率急剧增大,由于弹性体CPE与PVC的相容仅发生在CPE 高氯链段与PVC界面,二者整体相容性有限,加上分子量的差异,导致CPE部分析出,呈不规则状分布在冷冻皮层中。而PVC管件配方中润滑剂较多,且有高分子型加工助剂对润滑剂溶解度的改变,使得“粘壁”的PVC转变成一种“滑壁”材料[3],加之模具温度较低,冷冻皮层并不紧紧粘附在模具表面,而是形成微小空隙。随着注射的进行,析出的CPE在浇口附近形成冷冻皮层后,会继续容纳后续析出形成的冷冻皮层,后者不断冲破先前形成的冷冻皮层。由于大口径管件较厚,多采用直接浇口,这样就在浇口附近内外表面形成大片脱皮。
由前面分析的物料充模过程可知:模壁处冷冻皮层的线速度和切变速率几乎为零,当模壁处流速为零,必有在波前处由中心至模壁的径向辐射形流动,这样使模腔充满。这样的料流在未接触模壁时处于高温低剪切状态,一旦接触模壁立刻凝固,因而在模壁处的物料很少有分子取向。由于冷冻皮层起着绝热作用,所以贴近冷冻皮层的那层高聚物并不立即凝固,此层中的高分子链的一端被凝固附着在冷冻皮层中,而物料流在切应力作用下将分子链的另一端引向流动方向而取向。由于大口径管件生产周期长,模具冷却时间长,物料冷却收缩后,在速度梯度上分层的物料便分离开,形成拉料杆上的硬壳。
我们在对抗冲改性剂进行选择后,发现使用纳米碳酸钙(50~70nm级CaCO3)改性PVC生产大口径管件效果很好。由于纳米CaCO3是无机刚性粒子,避免了浇口附近脱皮,拉料杆上的硬壳也消失了。纳米CaCO3抗冲改性的效果比CPE还要好,而且制品的拉伸屈服强度、断裂伸长率和简支梁冲击性能等均有大幅上升。
此外还发现使用纳米CaCO3改性PVC生产大口径管件,机器操作稳定性大大提高,开机时间和生产周期都有明显缩短,产品外观缺陷大大减少,光泽也十分明亮。更明显的是产品一次成品率提高三至四倍,以往生产大口径管件需反复调试,较顺利时也需过渡六至七模产品,而使用纳米CaCO3改性PVC 后,通常只需过渡一至两模即可成功。
5 回收料
在注塑生产中,浇注系统的冷凝料所占比例不小,生产中也多将其研磨成粉加以回收利用。这里值得注意的是:回收料在加工过程中,分子链已发生物理、化学交链,分子链的有效长度变短。研磨后,大量长链又被打断,使得分子间作用力大大减少;同时回收料中混有许多杂质和灰尘,增加了制品内应力,其再次塑化时,不但缺陷点多,而且分子链间交链点的数量和强度下降,这些因素使得回收料的性能大大下降,严重影响制品的液压试验及坠落试验。此外回收料中的水分也值得关注,由于一般的注塑机没有真空抽气的装置,仅靠加料口来排气,其效果有限。微量的水分混入高温熔体中而汽化,冷却后,气泡体积收缩,因而在制品中留下许多微小的孔穴。制品坠落时,极易破碎。严重时,烘箱试验前后制品的色水也会发生变化,所以对于回收料应予以降级使用。
6 结论
(1)合理地设置多级分段,可有效改善制品品质;
(2)正确的修模,配以适当的注射工艺,可大大减少制品表面黑点;
(3)合理设定模具温度,充分关注制品脱模后的温度是PVC2U管件生产中的一个重要因素;
(4)使用纳米CaCO3改性PVC生产大口径管件十分有效,也是可行的;
(5)慎重使用回收料是提高制品性能的一个方面。
无锡嘉弘塑料科技有限公司拥有近30年的PVC粒料的研发、造粒生产经验。专业技术服务团队可为客户提供一站式系统解决方案。如想了解更多关于产品的信息，欢迎登录我们的官网∶www.js-plastics.com，咨询在线客服或拨打热线。固话：0510-68755207 手机：15190220696，我们将竭诚为您服务。
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