玻纤增强材料注塑成型工艺特点研究

      玻纤增强热塑性塑料，是将玻纤与树脂熔融共混形成的。一般的复合材料的两组分的相容性较好，复合材料的性能便优越；而玻纤是无机化合物，与高分子树脂相容性本身就差，直接用做填料，会影响增强效果。为了取得与热塑性树脂较好的相容性，或者称与树脂形成较好的物理相牢固的界面，玻纤必须经界面处理剂(偶联剂)处理。在生产玻纤增强的塑料材料时，为了便于加工，常常加入一定剂量的润滑剂等物质。一般地，玻纤增强塑料相对于基体树脂，相对密度能增加6-20％；强度、耐热性等可增加0.5-3倍。
　　一、玻纤增强材料的特点
　　在塑料的塑化和注射过程中，玻璃纤维始终保持着固体状态不发生相变，不可避免的阻碍了物料的流动，降低了物料的流动性。确定工艺条件时要注意这些问题，采取相应的工艺，以免产生充模不足、熔接痕明显、纤维分布不均等缺陷。
　　玻纤增强树脂的收缩率一般比非增强的低1/4～1/2，且收缩率随料流方向的不同而有所不同，沿料流方向的收缩率小，垂直于料流方向的收缩率大，浇口处收缩小，远离浇口部分的收缩变化大。
　　受玻纤长径比在树脂中含量以及分布等的影响，树脂性能不稳定，给加工和产品最终表观质量和尺寸的均匀性带来一定的影响。玻璃纤维易浮于制品表面，使制品表面不光洁，影响制品外观。制品的表面光泽与型腔粗糙度、工艺条件有关，提高物料和模具温度、合理设置注射速率和注射压力，通常都有利于提高制品的表面光泽。
　　玻纤的加入虽然不会改变塑料的高分子结构，但会程度不同地改变塑料的物理性能：有些非吸湿性塑料加入玻纤增强后，会产生吸湿作用，为此，还需在成型之前进行干燥。
　　二、玻纤增强材料模具设计特点分析
　　热塑性增强塑料与普通塑料在产品设计及所使用的模具方面既具有相同点，又因增强材料的特性而具有一些不同点。
　　1.玻纤增强材料对应制品结构分析
　　塑料制品的各处壁厚都追求均匀化。制品的壁厚设计得均匀，就能够控制或克服在成型过程中因为壁厚过厚而造成的凹陷以及因为冷却不均而产生的变形（因为壁厚不均造成冷却不均）等缺陷。对于有特殊用途，而不能达到壁厚一致的情况下，在壁厚尺寸变化部位应采用过渡尺寸，不宜骤变。
　　如图1-a、1-b所示。
　　2.玻纤增强材料注塑模具结构分析
　　（1）浇口位置和数量
　　模具浇口位置和数量设计合理，可大大降低制品收缩的不均匀性。
　　玻璃增强材料由于收缩的不一致，还会造成纵、横向强度相差近一倍，且熔接线处形成强度差的薄弱环节[3]；玻纤材料制件易出现浮纤，浮纤是纤维表现在塑胶原材表面的现象，浮纤的程度受浇口位置的影响，会出现表面颜色不均匀的现象，这些现象在体积较大，颜色较深（例如黑色）的制件上体现较明显。因此设计模具时，要合理安排浇口数量和浇口位置，才能打出性能一致的制品。
　　由图1制品可见，浮纤是出现在没有进浇口的两侧，造成制品表面颜色不均。无论怎样调节工艺参数，也无法改善此现象。因此，考虑用改变浇口位置和数量来改善。如图2-a、2-b所示。
　　图2-b是在图2-a的基础上，加了两个进浇口之后的制品图，从图中可以明显地看出，它的表面比原本只有两个进浇口的制品（如图2-a所示）的表面均匀。由此现象可以总结出，进浇口的位置和数量影响到玻纤的众横取向以及浮纤的出现。
　　（2）脱模机构
　　由于玻纤增强材料的收缩率较低，在不宜设置脱模斜度的部位应充分考虑增加脱模力。一般的顶出采用顶杆、顶板或混合式。低收缩率使得包裹型芯的力量较小，在成型时容易出现粘前模现象，在设计时要注意克服这一问题。以上述制品为例，在未对模具修改前，发现制品粘前模，无论如何调整注塑工艺条件，都很难解决这一问题。因此，必须对模具进行修改。
　　图3-a、3-b为模具动模（型芯），从图3-b可以看到型芯侧面有一排小孔，这一方案是前期试模发现粘前模后，经过改模加上的，原本模具（图3-a）侧面没有这些小孔。当模具动模上没有这些小孔时，打出来的制品因为收缩率小，总是粘在前模上，使制品难以脱模；动模上加上这些小孔，是为了加大制品对动模的黏附力，使制品跟着动模一起走，防止制品总是粘在前模上。
　　三、玻纤增强材料成型工艺特点分析
　　1. 温度
　　下表列出了常用玻纤增强材料的使用温度。
　　从表1可以总结出：加了玻纤的材料的加工温度一般比没加玻纤增强的材料的使用温度高10-20℃。
　　2.注射工艺、保压参数的设定
　　使用玻纤材料的模具，最值得注意的是注射压力和注射速度。这两个因素直接影响制品的表观质量和尺寸要求。
　　从图4中很明显地可以看到，一个制品表面存在一排亮点，而另一个则不会存在这种现象。这两个制品射出参数的差异如下：
　　表2 射出界面的工艺参数
　　图4和表2显示，两个制品的射出工艺参数的变量只有注射压力。可见压力对制品的表观质量影响很大。注射压力过大就会在制品表面产生亮点，减小压力。但是注射压力小，制品的尺寸就会减小。因为客户既要求表观质量也对尺寸有偏差范围的控制。所以最后，也只能再通过修改模具来改善这个现象。
　　另外，保压压力和时间的设定可以防止熔体倒流，又可以调整模腔内熔体的密实程度。适当的保压可以提高制品质量。文中所举图例，使用的材料是PA/GF，由于PA/GF的粘度低、流动性较好（容易产生倒流），所以制品成型后需要提供保压。
　　四、玻纤材料常见其他缺陷分析及解决方法
　　玻纤材料注塑出来的制品经常存在脆、易断的现象（特别是小产品）。其原因可能是玻纤材料在注塑加工过程中受损了。因而为了防止玻纤损伤及取向，应严格控制注射压力与速度。
　　据观察，玻纤增强材料的制品很容易出现熔接痕，影响熔接痕强度的主要因素如下：①相汇融的熔体的相容性；②相汇融处熔体的压力。虽然相汇融处的熔体的压力可通过注塑工艺进行有效的调节；但相汇融材料的相容性受玻纤含量的影响，玻纤含量的高低及玻纤在复合材料中的分散性是决定因素。这些因素就要在选购材料时进行处理了。
　　五、总结
　　目前已广泛使用的纤维增强热塑性材料有增强聚酰胺类、增强聚烯烃类、增强聚苯乙烯类、增强聚甲醛、增强PBT、增强ABS、增强PC等等。热塑性[3]增强材料的众多优点，促使了应用领域的拓展，广泛应用于汽车工业、电器、电机、纺织配件及特殊用途等。