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(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、保壓時間)和注塑后的調(diào)濕工藝這幾個方面對出現(xiàn)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(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(xiàn)開裂現(xiàn)象。針對這一問題，采用了兩種不同的調(diào)濕工藝(水煮處理和恒溫恒濕處理)對質(zhì)量分數(shù)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(diào)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(yōu)良的工程塑料[1-4]，其綜合性能優(yōu)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(yōu)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(yè)工程等領域[9-13]。為了進一步提高PA66產(chǎn)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(jù)客戶需要進行調(diào)整，常見的玻纖添加量有20%，30%，40%，50%等(均為質(zhì)量分數(shù))。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(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對PA66產(chǎn)品注塑工藝的要求越來越嚴苛，工藝控制不好則會使產(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)量分數(shù)20%玻纖增強PA66(PA66/20%GF)注塑件時發(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。注塑件開裂不僅會影響產(chǎn)品外觀，更重要的是會降低使用壽命，嚴重的可能造成質(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(fā)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原料時的溫度通常控制在80~100℃，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(xiàn)氣泡現(xiàn)象，影響制品外觀及力學性能。
1.2 注塑工藝參數(shù)控制要點
注塑工藝參數(shù)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(shù)的控制要點現(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(chǎn)品表觀質(zhì)量和性能。通常料筒溫度設置如下：喂料區(qū)270~285℃，壓縮區(qū)280~290℃，計量區(qū)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(zhì)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(chǎn)生較大的收縮。模具溫度較低時，產(chǎn)品的結晶度低、伸長率高、韌性較好；模具溫度較高時，產(chǎn)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(jù)產(chǎn)品的形狀和壁厚來確定，對于形狀比較復雜且壁厚的產(chǎn)品，模具溫度應該選擇低值，以防止產(chǎn)品產(chǎn)生氣泡或者凹陷的情況，而對于形狀簡單且壁薄的產(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，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(chǎn)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(chǎn)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(diào)濕工藝要點
尼龍產(chǎn)品在注塑后含水率極低，小于0.1%?？梢詫⒛猃埉a(chǎn)品在濕度為65%的條件下放置一段時間，從而使產(chǎn)品達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℃，處理時間8~16h，用這種方法調(diào)濕處理所耗費的時間較長，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，使制品在較短的時間內(nèi)達到吸水平衡，避免在空氣中緩慢吸水而引起尺寸的連續(xù)變化，對減小注塑件的內(nèi)應力有利，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，可用于自動控制系統(tǒng)的開啟，做導程導向使用；下方為內(nèi)外卡扣結構，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動并做行程指示顯示。該注塑件在組裝過程中易出現(xiàn)開裂，在冬季時這種開裂現(xiàn)象出現(xiàn)得更為頻繁，嚴重影響了產(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，核查該PA66注塑件的注塑工藝，發(fā)現(xiàn)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(qū)275℃、壓縮區(qū)285℃、計量區(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(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，注塑完直接進行組裝工作，從而導致產(chǎn)品因內(nèi)應力過大而開裂。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，對比了這兩種調(diào)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(zhì)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?jīng)_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(tài)調(diào)節(jié)40h以上，調(diào)節(jié)環(huán)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(tài)調(diào)節(jié)16h以上，調(diào)節(jié)環(huán)境為溫度23℃、相對濕度50%；然后根據(jù)GB/T1043.1-2008使用復合式?jīng)_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(zhì)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(xiàn)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 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(zhì)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(zhì)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 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(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(chǎn)品未出現(xiàn)破裂現(xiàn)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(diào)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(diào)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(xiàn)的開裂原因，分別從注塑前原料的預處理、注塑工藝參數(shù)控制和注塑后的調(diào)濕工藝等方面進行了分析。
(2)由于注塑件注塑結束后未進行調(diào)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(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PA66材料進行處理，發(fā)現(xiàn)采用恒溫恒濕調(diào)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(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(diào)濕時間，適合對抗沖擊要求較高的場合。
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