程文超 1 ，陳勝杰 2*帚湘，陳瑤 2 玫荣，付偉 2 ，賴昂 2 大诸，熊值 2 捅厂，何瀏煒 3
（1．上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714资柔；2．武漢金發(fā)科技有限公司焙贷，湖北 武漢 430109；3．金發(fā)科技股份有限公司企業(yè)技術(shù)中心贿堰，廣東 廣州 510663)
[摘 要]采用正交試驗設(shè)計方法研究了注塑溫度辙芍、注射速度、注射壓力和保壓時間4個工藝參數(shù)對聚丙烯PP EP548R材料的拉伸強度羹与、彎曲性能和缺口沖擊強度的影響故硅。結(jié)果顯示：對于材料的拉伸強度、彎曲強度/模量的影響從大到小依次是保壓時間纵搁、注射速度吃衅、注塑溫度和注射壓力，對缺口沖擊強度的影響從大到小依次是注塑溫度诡渴、注射速度、注射壓力和保壓時間。依據(jù)這些結(jié)果妄辩，可以調(diào)整得到較優(yōu)的工藝參數(shù)惑灵，為改性PP注塑產(chǎn)品的需求提供優(yōu)化的工藝參數(shù)參考。
[關(guān)鍵詞]聚丙烯眼耀；注塑成型英支；正交試驗；力學(xué)性能
1 前言
高分子材料以其優(yōu)異的性能在各個領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用哮伟。聚丙烯(PP)作為最常用的通用塑料之一干花，具有優(yōu)良的加工和力學(xué)性能，在汽車楞黄、家電池凄、交通、電子鬼廓、國防肿仑、IT/OA等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-5]，注塑成型是其最常用的成型方法之一[6-8]碎税。PP材料的注塑成型是粒料依次經(jīng)過注塑機螺筒的塑化熔融經(jīng)過熱流道注塑到模具中的過程尤慰，整個過程非常復(fù)雜[9]。常用的工藝參數(shù)如注塑溫度雷蹂、注射速度伟端、注射壓力和保壓時間等都會對塑料制件內(nèi)的增韌劑、填充體的分散狀態(tài)和芯-皮層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[10-12]匪煌，進而影響制件的力學(xué)性能责蝠，因此有必要對PP材料的注塑工藝進行研究，從而根據(jù)制件的需求優(yōu)選出合適的注塑工藝參數(shù)虐杯，使制件達到最優(yōu)的性能狀態(tài)玛歌。
正交試驗設(shè)計是一種通過分式析因設(shè)計的方式來獲得高效率、快速擎椰、經(jīng)濟的實驗設(shè)計方法支子。有統(tǒng)計學(xué)家將正交試驗選擇的水平組合列成表格形成正交表，成為正交試驗設(shè)計最基本达舒、最重要的工具值朋。正交試驗設(shè)計利用數(shù)理統(tǒng)計和正交性原理，從大量的試驗點中選擇合適的具有代表性的點巩搏，應(yīng)用正交表合理安排試驗昨登，采用部分典型試驗即可基本獲得全面的試驗信息，可以大幅減少試驗次數(shù)贯底，達到事半功倍的效果[13]丰辣。用正交表設(shè)計試驗方案過程如下：(1)明確實驗指標撒强、確定試驗?zāi)康暮驮囼灴己四繕耍?2)確定因子與水平制定因素位級表；(3)選用正交表笙什；(4)進行實驗及結(jié)果分析飘哨。
本文采用正交試驗設(shè)計方法，選取L9(34)正交表琐凭，重點研究注塑溫度芽隆、注射速度、注射壓力和保壓時間等常規(guī)注塑工藝參數(shù)對PP材料的拉伸強度统屈、彎曲性能和缺口沖擊強度的影響胚吁，并通過極差分析法和方差分析法尋找主要影響因素，為PP材料的注塑工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考愁憔。
2 實驗原料與設(shè)備
2.1 實驗原材料
聚丙烯：PP EP548R腕扶，中海殼牌石油化工有限公司，熔體流動速率為28 g/10 min惩淳；
黑種：BB 576V蕉毯，茂康材料科技(常熟)有限公司；
2.2 實驗設(shè)備
注塑機：HTF80W2型思犁，寧波海天塑機集團有限公司代虾；
模具：ISO力學(xué)樣條模具一套，荷蘭Axxicon公司激蹲；
萬能材料試驗機：Z010型棉磨，德國Zwick公司；
沖擊試驗機：892型学辱，美國Tinius Olsen公司乘瓤；
掃描電子顯微鏡(SEM)：SU3800 型，日本日立公司策泣。
2.3 制樣方法
參考GB/T 17037.1標準衙傀，將原料烘干后注塑制樣，得到拉伸萨咕、彎曲统抬、缺口沖擊樣條。
2.4 測試與表征
測試前危队，測試樣條在溫度23 ℃聪建、濕度50 %環(huán)境狀態(tài)下調(diào)節(jié)24 h，每個實驗條件測試不少于5根試片茫陆，結(jié)果取平均值金麸，每組測試值的相對標準偏差不大于8 %。
拉伸性能：GB/T 1040.2-2006簿盅，測試速度50 mm/min挥下；
彎曲性能：GB/T 9341-2008揍魂，測試速度2 mm/min；
懸臂梁缺口沖擊強度：GB/T 1843-2008棚瘟。
SEM測試：首先將懸臂梁缺口沖擊試樣放入液氮中冷凍并淬斷愉烙，然后使用四氫呋喃浸泡48 h刻蝕掉橡膠相EPR后，對截面噴金解取，最后采用SEM進行觀察并拍照。
3 結(jié)果與討論
3.1 注塑工藝正交試驗設(shè)計
正交試驗按L9(34)設(shè)計返顺，如表1所示禀苦，選擇注塑溫度、注射速度和注射壓力和保壓時間4個因素遂鹊，每個因素各取3個水平振乏，考察各因素對PP EP548R材料的力學(xué)性能的影響。
試驗前秉扑，先對注塑工藝進行試調(diào)整慧邮，選擇較合適的注塑工藝作為基準，保證注塑過程中不會出現(xiàn)氣泡舟陆、縮水误澳、飛邊等問題。根據(jù)試制效果秦躯，選取以下工藝：注塑溫度選擇200 ℃/220 ℃/240 ℃三個水平忆谓；注射速度選擇20 %/45 %/70 %三個水平；注塑壓力選擇20 bar/35 bar/50 bar 三個水平踱承；保壓時間選擇5 s/10 s/15 s 三個水平倡缠。注塑工藝正交試驗設(shè)計表見表2。按照正交表中的注塑工藝參數(shù)制樣(每組5根)茎活，測試力學(xué)性能昙沦，結(jié)果取平均值。獲得結(jié)果后载荔，依次計算對應(yīng)的Ki/ki值和極差值R盾饮，其中，Ki表示i水平所對應(yīng)的的實驗結(jié)果之和身辨；ki是Ki的均值丐谋，ki的大小可以判斷某一因素的優(yōu)水平和優(yōu)組合；極差R為將各因素不同水平下ki的最大值和最小值之差稱煌珊，反映了某一列因素水平波動時号俐，試驗結(jié)果的變動幅度，R越大則該因素對試驗結(jié)果的影響越大定庵，反之則影響越小吏饿，根據(jù)R的大小可以判斷因素的主次順序踪危。
3.2 各因素對PP拉伸強度的影響
拉伸強度是表征材料抵抗拉力破壞的能力，是材料力學(xué)性能的一個重要指標猪落。按照表1中正交表的試驗方案贞远，制樣并測試標準樣條的拉伸強度，按照正交試驗設(shè)計方法計算極差笨忌，結(jié)果如表3所示蓝仲。結(jié)果顯示RA＞RD＞RB＞RC，最佳組合為A1B1C1D3或A1B1C2D3官疲，因此因素主次關(guān)系為注塑溫度＞保壓時間＞注射速度＞注射壓力袱结。
進一步深入分析，采用方差分析偏差平方和途凫、自由度垢夹、F 比值和顯著性關(guān)系等指標分析，如上表4所示维费。結(jié)果顯示影響PPEP548R拉伸強度的最重要因素是注塑溫度果元，其次是保壓時間，而注射速度和注射壓力影響不大犀盟。最優(yōu)方案是A1B1C1D3或A1B1C2D3而晒，即選用注塑溫度200 ℃，注射速度20 %阅畴，注射壓力20 bar/35 bar欣硼，保壓時間15 s的工藝為最佳。
3.3各因素對PP彎曲模量的影響
彎曲模量是標準材料抵抗外力變形的能力恶阴，模量越高剛性越高越不容易變形诈胜。同樣參考各因素對PP拉伸強度的影響的分析方案，采用正交試驗設(shè)計方案制樣并測試樣條的彎曲模量冯事，計算均值ki和極差R焦匈，分析結(jié)果如表5所示。極差分析結(jié)果顯示RA＞RD＞RB＞RC昵仅，最佳組合為A1B1C2D3缓熟，因此因素主次關(guān)系為注塑溫度＞保壓時間＞注射速度＞注射壓力。進一步分析摔笤，采用方差分析偏差平方和够滑、自由度、F比值和顯著性關(guān)系等指標分析吕世，如下表6所示彰触。結(jié)果顯示影響PP EP548R彎曲模量的最重要因素是注塑溫度，其次是保壓時間命辖，而注射速度和注射壓力影響不大况毅。最優(yōu)方案A1B1C2D3分蓖，即選用注塑溫度200 ℃，注射速度20 %尔许，注射壓力35 bar么鹤，保壓時間15 s的工藝為最佳。
3.4 各因素對PP缺口沖擊性能的影響
材料的韌性是表征材料受到快速沖擊后抵抗破壞的能力味廊，通常采用缺口沖擊來表征蒸甜，本文以懸臂梁缺口沖擊性能作為研究指標。研究各因素對PP韌性的影響余佛，采用正交試驗設(shè)計方法迅皇，制樣并測試材料的懸臂梁缺口沖擊強度，計算均值ki和極差R衙熔，分析結(jié)果如表7所示。極差分析結(jié)果顯示RA＞RB＞RC＞RD搅荞，最佳組合為A1B2C3D1红氯，因此因素主次關(guān)系為注塑溫度＞注射速度＞注射壓力＞保壓時間。進一步分析咕痛，采用方差分析偏差平方和痢甘、自由度、F 比值和顯著性關(guān)系等指標分析茉贡，如下表8所示塞栅。結(jié)果顯示影響PP EP548R彎曲模量的最重要因素是注塑溫度，其次是注射速度腔丧，而保壓時間和注射壓力影響不大放椰。最優(yōu)方案A1B2C3D1，即選用注塑溫度200 ℃愉粤，注射速度45 %砾医，注射壓力50 bar，保壓時間5 s的工藝為最佳衣厘。
3.5 注塑溫度對EPR分散的影響
通過以上分析發(fā)現(xiàn)總體上來看如蚜，注塑溫度的工藝因素對PP材料力學(xué)性能影響比較顯著，所以比較典型的選取了表2中的2#影暴、5#错邦、8#樣品的切面進行SEM形貌觀察，結(jié)果如下圖1所示型宙。通過SEM形貌照片觀察分析撬呢，發(fā)現(xiàn)隨著注塑溫度的升高，橡膠相EPR在PP材料中的分散均勻性變差妆兑，刻蝕后的孔洞直徑變大倾芝，分布越來越不均勻讨勤，這可能是因為：(1)隨著注塑溫度升高，熔體流動性提高晨另，復(fù)合材料在螺筒中的停留時間降低潭千，POE在PP中的分 散效果減弱；(2)聚丙烯樹脂較橡膠相EPR的熔體流動性好借尿，熔體粘度低刨晴，且受溫度和螺桿剪切的影響，PP/EPR熔體粘度比降低路翻，PP對EPR的分散細化能力變差狈癞，彈性體尺寸有所增加，分布也不均勻[14]茂契，所以在制力學(xué)樣條時容易產(chǎn)生缺陷或者應(yīng)力集中蝶桶，強度和沖擊韌性會變差。
4 結(jié)論
在注塑成型過程中, 不同的注塑過程參數(shù)會對注塑件的品質(zhì)產(chǎn)生不同的影響掉冶，研究各加工成型參數(shù)和注塑制件的品質(zhì)之間的關(guān)系有助于實現(xiàn)高效生產(chǎn)的效果[15]真竖，本文采用正交試驗設(shè)計方法，研究了注塑溫度厌小、注射速度恢共、注射壓力和保壓時間4個工藝參數(shù)對聚丙烯PP EP548R 材料的拉伸強度、彎曲性能和缺口沖擊強度的影響璧亚，結(jié)論如下：
(1)PP材料的拉伸強度和彎曲強度受注塑溫度和保壓時間的影響較大讨韭，而受注射速度和注射壓力的影響較小，選用擇低注塑溫度癣蟋、長保壓時間透硝、低注射速度、中低注射壓力工藝較優(yōu)疯搅；
(2)PP材料的沖擊韌性受注塑溫度和注射速度的影響較大蹬铺，而受注射壓力和保壓時間的影響較小，選用低注塑溫度秉撇、短保壓時間甜攀、中注射速度、高注射壓力工藝較優(yōu)琐馆；
(3)通過正交試驗設(shè)計方法规阀，應(yīng)用極差分析和方差分析可以快速有效的分析出影響材料性能的關(guān)鍵主次要因素，獲得最優(yōu)的注塑工藝參數(shù)組合瘦麸，可以有效提高研究效率谁撼。
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