劉巖　王艷芳

(河南機電職業(yè)學(xué)院，河南　新鄭,451191)

機械與模具

注射速率對注射成型iPP制品結(jié)晶形態(tài)的影響

劉巖王艷芳

(河南機電職業(yè)學(xué)院，河南新鄭,451191)

摘要：利用偏光顯微鏡、小角X射線散射和廣角X射線衍射等方法，研究了注射速率對注射成型等規(guī)聚丙烯(iPP)制品結(jié)晶形態(tài)的影響。結(jié)果表明:制品在厚度方向微觀形態(tài)呈典型皮芯結(jié)構(gòu)，隨著注射速率升高，制品皮層厚度稍有減??；距皮層相同距離的球晶平均尺寸逐漸減??；結(jié)晶度無明顯變化；取向度最大值不變。

關(guān)鍵詞：注射成型注射速率形態(tài)結(jié)晶

聚丙烯(PP)具有質(zhì)輕、價格便宜、良好的加工性能等特點，已廣泛用于注射成型、汽車生產(chǎn)等方面。成型條件(熔體溫度、注射速率)對注射成型等規(guī)聚丙烯(iPP)制品厚度方向的形態(tài)分布有一定影響，并對制品的最終性能產(chǎn)生影響，因此隨著人們對注塑制品質(zhì)量要求的不斷提高，制品結(jié)晶形態(tài)的研究也倍受關(guān)注。

下面利用偏光顯微鏡(PLM)、小角X射線散射(SAXS)和廣角X射線衍射(WAXD)等方法，研究了注射速率對注射成型iPP制品結(jié)晶形態(tài)的影響。

1試驗部分

1.1主要原料及儀器設(shè)備

iPP，牌號為F401，中國石化揚子石油化工有限公司，熔體流動速率2.5 g/10min(2.16 kg，230 ℃)。

1.2樣品的制備

采用Demag system 80/420-430螺桿式注塑機進行制樣。料筒前3段溫度設(shè)定為50，150,210 ℃，熔體注射溫度220 ℃，模溫60 ℃，冷卻時間10 s，保壓壓力40 MPa，保壓時間7 s。注射速率(聚合物熔體經(jīng)過料筒噴嘴的流動速率)分別為30,40,50,60,70 cm3/s。

制品為具有一維導(dǎo)流槽的矩形平板，規(guī)格為160 mm×115 mm×2 mm。采用超薄切片機，沿垂直流動方向(TD)-流動方向(FD)切下3 μm厚樣片，以備偏光試驗觀察。樣塊切片后剩余部分打磨成厚度(WD)1 mm的樣品，以備SAXS和WAXD試驗用。

1.3試驗方法

SAXS采用Nano STAR-U Cu-Kα靶X射線散射儀，X射線垂直于制品流動方向，沿厚度方向依次進行掃描；探測器距樣品1 035 mm，X射線波長0.154 nm，電壓45 kV，電流650 μA；應(yīng)用Fit2D軟件處理數(shù)據(jù)；采用Hermans取向參數(shù)來定量描述晶片沿流動方向的取向程度[1]。實際取向度S在-0.5～1.0。

WAXD采用Nano STAR-U Cu-Kα靶X射線散射儀，探測器距樣品85 mm，X射線垂直于制品流動方向，沿厚度方向依次進行掃描;應(yīng)用Fit2D和ORIGIN軟件處理數(shù)據(jù)，然后選用Gaussian函數(shù)分峰處理。

利用PLM觀察制品的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

2結(jié)果與討論

2．1結(jié)晶形態(tài)分布

圖1是樣品制備原理示意。

圖1　 樣品制備原理示意

圖2為制品B位置的偏光圖片。

圖2　 制品B位置的PLM分析

由圖2可知，制品在厚度方向結(jié)晶形態(tài)呈典型皮芯結(jié)構(gòu)，皮層由冷凍層、過渡層和剪切層組成，芯層由β晶層和α球晶層組成[2]。皮芯結(jié)構(gòu)的形成是由注射成型特點決定。由于大的降溫速率和應(yīng)力場的存在，流動誘導(dǎo)分子鏈取向，在達到結(jié)晶溫度時未能完全松弛，從而限制了結(jié)晶結(jié)構(gòu)的發(fā)展，形成取向結(jié)構(gòu)。

圖3是制品A，B，C位置的皮層厚度與注射速率的關(guān)系。

圖3 制品皮層厚度與注射速率關(guān)系

由圖3可知，隨著注射速率的提高，皮層的厚度有所降低，在注射速率達到一定數(shù)值后，注射速率對皮層厚度的影響稍有減小。這是因為高注射速率下充填時間短、熱耗散較少，使得在填充結(jié)束時主體溫度降低較少，流動誘導(dǎo)形成的取向分子鏈可以得到有效的松弛。

2.2注射速率對芯層球晶尺寸的影響

圖4是不同注射速率下芯層球晶平均直徑的分布。

由圖4可知，球晶的平均直徑由距皮芯交界處向芯層方向逐漸增大。隨注射速率升高，提高了熔體的剪切水平，晶核形成的數(shù)量與生成速率增加，大量晶核的形成限制了晶體的生長空間，所以球晶平均尺寸逐漸減少。

圖4　芯層球晶平均直徑的分布

2．3注射速率對制品結(jié)晶度影響

在注射速率的變化范圍內(nèi)，制品厚度方向結(jié)晶度分布都是由皮層向芯層方向逐漸提高，皮芯結(jié)晶度都在50%左右。注射速率的變化對制品結(jié)晶度的影響并不明顯，這與文獻[1]結(jié)果相一致。

2．4注射速率對取向的影響

圖5是注射速率 50 cm3/s B處距離模壁不同位置的WAXD分析。

從圖5可看出，皮層區(qū)域的分子鏈取向程度很高。從貼近模壁處向剪切層方向分子鏈取向逐漸增強，接近芯層方向分子鏈取向度減小，在距皮芯交界處200 μm內(nèi)的芯層仍存在取向。另外，當注射速率為 30， 50，70 cm3/s時， 取向度最大值分

別為0.913,0.914,0.914。說明隨著注射速率升高，制品厚度方向取向度最大值不變。

圖5　制品B距離模壁不同位置的WAXD分析

3結(jié)論

a)制品在厚度方向呈現(xiàn)典型的皮芯結(jié)構(gòu)形態(tài)。

b)隨注射速率的提高，制品皮層厚度稍有減?。磺蚓У钠骄叽缰饾u減??；結(jié)晶度無明顯變化；取向度最大值不變

參考文獻

[1]PANTANI R，COCCORULLO I， SPERANZA V.Modeling of morphology evolution in the injection molding process of thermoplastic polymers [J].Polym Sci，2005，30：1185-1222.

[2]劉巖,王利霞 李倩,等.熔體溫度對注塑成型iPP制品結(jié)晶形態(tài)的影響[J].高分子材料科學(xué)與工程，2012,(7):79-82.

Effect of Injection Rate on Crystal Morphology ofiPP Products in Injection Molding

Liu YanWang Yanfang

(Hennan Mechanical and Electrical Vocational College,Xinzheng,Zhengzhou,451191)

Abstract：The effects of the injection rate on the crystal morphology of iPP injection molding products were studied by using polarizing microscope, small angle X-ray scattering and wide angle X-ray diffraction experiment method. The results show that the microstructure of product in thickness direction is typical skin-core structure. With the increasing of injection rate, product cortex thickness decreases slightly. The average spherulite size decreases with the same distance to the cortex. There is no significant alteration of the crystallinity. Maximum value of orientation degree remains the same.

Key words：injection molding; injection rate; form; crystallization

收稿日期：2015-02-26;修改稿收到日期:2015-09-19。

作者簡介：劉巖(1984—)，女，碩士，研究方向為塑料成型及模具設(shè)計與制造。E-mail:liuyan3026@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1004-3055.2016.02.015