專利名稱：改善聚合物注射件融合縫力學(xué)性能的方法及注射件模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚合物加工領(lǐng)域，更具體的說，本發(fā)明涉及聚合物通過模具注射成型加工領(lǐng)域。
二
背景技術(shù)：
聚合物注射件融合縫是由兩股或兩股以上的聚合物熔體的流動前沿在模具內(nèi)相遇后形成的。聚合物制品在注射成型過程中，極易形成融合縫。
融合縫在宏觀上表現(xiàn)為一條融合線，微觀上是一個與整體材料不同的三維區(qū)域，該區(qū)域的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與整體材料不同，具體表現(xiàn)為(1)垂直取向。即聚合物分子鏈沿垂直于熔體流動方向取向。(2)弱連接。是由于聚合物的分子鏈在冷卻過程中來不及形成足夠的纏繞和擴(kuò)散而所致。(3)表面V型槽。是由于模腔中空氣排除不暢而形成。
融合縫的存在不僅影響了塑件的表面質(zhì)量，更重要的是，由于融合縫的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不同于注射件的其它部分，使得融合縫的力學(xué)性能大大低于注射件的本體部分。例如聚苯乙烯(PS)融合縫的拉伸強(qiáng)度只有本體部分的50～70％，對于纖維填充聚合物體系，融合縫的拉伸強(qiáng)度只有本體部分的20～40％，而對于共混體系，其力學(xué)性能損失更大。
目前國內(nèi)外改善融合縫力學(xué)性能的主要途徑有(1)合理設(shè)計(jì)制品和模具，如盡量避免和減少融合縫的形成，增加融合縫處制品的厚度等；(2)注射成型過程中選擇合適的加工工藝條件；(3)設(shè)計(jì)新型模具，如多重進(jìn)料模具(MultipleLive-feed injection molding)，該模具設(shè)有兩套獨(dú)立的注射系統(tǒng)，在熔體充模后，注射系統(tǒng)相互前后運(yùn)動，從而推動融合縫移動。采用上敘途徑(1)、(2)在一定程度上可以改善融合縫的力學(xué)性能，但改善程度有限，途徑(3)固然提高融合縫力學(xué)強(qiáng)度的效果較好，但卻存在模具制造成本較高，制品成型周期變長等等不可忽視的問題。研究既能有效地改善融合縫的力學(xué)性能，又不影響制品的成型工藝條件，同時(shí)成本增加較小，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
三

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提出一種在不改變聚合物注射件成型工藝和成本增加較少的條件下能有效改善聚合物注射件制品融合縫力學(xué)性能的方法，同時(shí)提供實(shí)現(xiàn)該方法的聚合物注射件成型模具。
本發(fā)明的基本思想是通過在模具壁外對模具內(nèi)待成型的聚合物融合縫的熔體實(shí)施超聲波，使熔體產(chǎn)生振動，從而提高注射件融合縫的力學(xué)性能。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述發(fā)明目的的技術(shù)方案如下通過注射件成型模具壁對模具腔體內(nèi)的聚合物注射件融合縫處聚合物熔體實(shí)施超聲波振動，即由位于模具壁外的超聲波探頭發(fā)射的超聲波對由注射機(jī)塑化后注射進(jìn)入模具流道，在流道內(nèi)被分成兩股或多股，從模具型腔的不同部分進(jìn)入型腔，形成融合縫的聚合物熔體實(shí)施超聲振動。所實(shí)施的超聲波，其頻率為10～25KHz，功率為50～300W。對注射件融合縫的聚合物熔體實(shí)施超聲波振動，可從聚合物熔體注射進(jìn)模具型腔形成融合縫之處開始實(shí)施，也可從聚合物熔體充滿型腔融合縫形成后開始實(shí)施，通常是在聚合物熔體充滿型腔后開始實(shí)施。熔體的注射和保壓壓力與聚合物材料的性質(zhì)和聚合物注射件制品的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸有關(guān)，材料的流動性差、制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大，注射壓力和保壓壓力則高，反之則低，通常的壓力為30～100bar。對融合縫聚合物熔體實(shí)施超聲振動的時(shí)間，與熔體的凝固時(shí)間有關(guān)，即與熔體的溫度和模具溫度有關(guān)，而熔體的溫度又與聚合物的粘流溫度和熔點(diǎn)有關(guān)，熔體的溫度一般為150～260℃，模具的溫度為20～150℃，實(shí)施超聲波振動的時(shí)間應(yīng)不少于1秒，最好為20～50秒。
本發(fā)明的上述方法最好通過本發(fā)明提供的聚合物注射件成型模具來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明所揭示的聚合物成型模具結(jié)構(gòu)為，在融合縫形成處的模具壁上設(shè)計(jì)有安置超聲波發(fā)射探頭的探頭腔，探頭腔底壁的厚度，即超聲波發(fā)射方向探頭腔底面距模具型腔的厚度為0.5～20mm。底壁的厚度主要取決于超聲探頭的尺寸，探頭尺寸大，底壁較厚，尺寸小，底壁則較薄。
對于連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)，為了使探頭的溫度不至于超過允許的工作溫度，可將探頭腔設(shè)計(jì)成可使冷卻介質(zhì)沖入到探頭周圍的探頭腔，即探頭腔設(shè)計(jì)成探頭周圍有足夠的空間供冷卻介質(zhì)沖入。冷卻介質(zhì)最好為液體冷卻介質(zhì)。為使冷卻介質(zhì)保持足夠的冷卻效率，冷卻介質(zhì)應(yīng)循環(huán)使用，為此，探頭腔應(yīng)設(shè)計(jì)有冷卻介質(zhì)進(jìn)出的通道。
本發(fā)明還采取了其它一些技術(shù)措施。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.通過施加超聲振動，可以提高聚合物和聚合物共混體系注射件融合縫的力學(xué)性能。
2.該技術(shù)只需對模具進(jìn)行稍加改進(jìn)即可安裝超聲振動裝置，就可以用來改善聚合物和聚合物共混體系注射件融合縫的力學(xué)性能。成本較低且操作簡單易行、安全可靠。
3.該技術(shù)在較寬的加工工藝條件下都可以提高聚合物和聚合物共混體系注射件融合縫的力學(xué)性能，不需要特定的加工工藝條件。
本發(fā)明還具有其他方面的一些優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的超聲裝置的具體安裝與結(jié)構(gòu)由以下


和實(shí)施例進(jìn)行說明。
四

圖1為超聲裝置在注塑機(jī)上的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為超聲探頭在模具探頭腔中的安裝示意圖。
1注射機(jī)；2模具；3超聲探頭；4換能器；5超聲波發(fā)生器；6冷卻介質(zhì)及冷卻介質(zhì)道和腔；7模具型腔；8模具流道五
具體實(shí)施例方式在以下各實(shí)施例中，發(fā)射超聲波的探頭設(shè)置在位于聚合物注射件成型模具外壁上的探頭腔內(nèi)，探頭腔底部壁厚為0.5～20mm，探頭腔內(nèi)充有冷卻液，探頭腔設(shè)計(jì)有使冷卻液循環(huán)的進(jìn)出流道。
以下是通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行的具體描述。有必要在此指出的是，以下實(shí)施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述本發(fā)明揭示的發(fā)明思想對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
1.聚苯乙烯(PS)注射件注射成型，熔體溫度約195℃，模具溫度約40℃，注射壓力和保壓壓力約60bar，注射時(shí)間約2秒，在注射過程中施加頻率約15KHz，功率約250W的超聲振動，施加超聲振動的時(shí)間約為30秒。力學(xué)性能測試表明，施加超聲振動后PS注射件融合縫的拉伸強(qiáng)度由23.5MPa增至25.5MPa。使融合縫拉伸強(qiáng)度與本體部分拉伸強(qiáng)度的比值由58.8％增至63.8％。
2.聚苯乙烯(PS)注射件注射成型，熔體溫度約195℃，模具溫度約40℃，注射壓力和保壓壓力約60bar，注射時(shí)間約2秒，在熔體充滿型腔后施加頻率約15KHz，功率約250W的超聲振動，施加超聲振動的時(shí)間約為28秒。力學(xué)性能測試表明，施加超聲振動后PS注射件融合縫的拉伸強(qiáng)度由23.5MPa增至30.5MPa。使融合縫拉伸強(qiáng)度與本體部分拉伸強(qiáng)度的比值由58.8％增至76.3％。
3.聚苯乙烯(PS)注射件注射成型，熔體溫度約230℃，模具溫度約40℃，注射壓力和保壓壓力約60bar，注射時(shí)間約2秒，，在注射過程中施加頻率約15KHz，功率約250W的超聲振動，施加超聲振動的時(shí)間約為28秒。力學(xué)性能測試表明，施加超聲振動后PS注射件融合縫的拉伸強(qiáng)度由27.3MPa增至33MPa。使融合縫拉伸強(qiáng)度與本體部分拉伸強(qiáng)度的比值由68.3％增至82.5％。
4.聚苯乙烯(PS)/聚乙烯(HDPE)(90/10)注射件注射成型，熔體溫度約230℃，模具溫度約40℃，注射壓力和保壓壓力約60bar，注射時(shí)間約2秒，在注射過程中施加頻率約15KHz，功率約250W的超聲振動，施加超聲振動的時(shí)間約為28秒。力學(xué)性能測試表明，施加超聲振動后PS/HDPE注射件融合縫的拉伸強(qiáng)度由6.3MPa增至10.8MPa。使融合縫拉伸強(qiáng)度與本體部分拉伸強(qiáng)度的比值由30.2％增至51.9％。
5.聚乙烯(HDPE)注射件注射成型，熔體溫度約210℃，模具溫度約40℃，注射壓力和保壓壓力約60bar，注射時(shí)間約2秒，在注射過程中施加頻率約15KHz，功率約200W的超聲振動，施加超聲振動的時(shí)間約為28秒。力學(xué)性能測試表明，施加超聲振動后HDPE注射件融合縫的斷裂伸長率由52％增至87％。使融合縫斷裂伸長率與本體部分?jǐn)嗔焉扉L率的比值由53％增至94.5％。
6.聚苯乙烯(PS)/尼龍6(PA-6)(70/30)注射件注射成型，熔體溫度約240℃，模具溫度約40℃，注射壓力和保壓壓力約80bar，注射時(shí)間約2秒，在熔體充滿型腔后施加頻率約20KHz，功率約150W的超聲振動，施加超聲振動的時(shí)間約為28秒。力學(xué)性能測試表明，施加超聲振動后PS/PA-6注射件融合縫的拉伸強(qiáng)度由8.4MPa增至10.4MPa。使融合縫拉伸強(qiáng)度與本體部分拉伸強(qiáng)度的比值由37.7％增至46.6％。
7.聚苯乙烯(PS)/尼龍6(PA-6)(70/30)注射件注射成型，熔體溫度約240℃，模具溫度約40℃，注射壓力和保壓壓力約80bar，注射時(shí)間約2秒，在熔體充滿型腔后施加頻率約25KHz，功率約150W的超聲振動，施加超聲振動的時(shí)間約為28秒。力學(xué)性能測試表明，施加超聲振動后PS/PA-6注射件融合縫的拉伸強(qiáng)度由8.4MPa增至10.2MPa。使融合縫拉伸強(qiáng)度與本體部分拉伸強(qiáng)度的比值由37.7％增至45.7％。
權(quán)利要求
1.一種提高聚合物注射件融合縫力學(xué)性能的方法，其特征是通過注射件成型模具壁對模具型腔內(nèi)的聚合物注射件融合縫處的聚合物熔體實(shí)施超聲波振動，所述超聲波的頻率為10～25KHz，功率為50～300W。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高聚合物注射件融合縫力學(xué)性能的方法，其特征是在聚合物熔體充滿模具型腔后對融合縫處聚合物熔體實(shí)施超聲振動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高聚合物注射件融合縫力學(xué)性能的方法，其特征是在聚合物熔體承受注射壓力狀態(tài)下對融合縫處的聚合物熔體實(shí)施超聲振動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高聚合物注射件融合縫力學(xué)性能的方法，其特征是聚合物熔體的注射壓力為10～150bar。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的提高聚合物注射件融合縫力學(xué)性能的方法，其特征是對聚合物熔體實(shí)施超聲振動的時(shí)間不少于1秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高聚合物注射件融合縫力學(xué)性能的方法，其特征是對聚合物熔體實(shí)施超聲振動的時(shí)間為20～50秒。
7.實(shí)施權(quán)利要求1至6所述方法的聚合物注射件成型模具，其特征是在注射件融合縫形成處的模具壁上設(shè)計(jì)有安置超聲波發(fā)射探頭(3)的探頭腔，探頭腔的底部到模具型腔(7)的壁厚為0.5～20mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的聚合物注射件成型模具，其特征是探頭腔為可在探頭周圍充入冷卻介質(zhì)(6)的探頭腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的聚合物注射件成型模具，其特征是探頭腔為可在探頭周圍充入液體冷卻介質(zhì)的探頭腔。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的聚合物注射件成型模具，其特征是探頭腔設(shè)計(jì)有冷卻介質(zhì)進(jìn)出通道。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于提高聚合物注射件融合縫力學(xué)性能的方法，以及實(shí)現(xiàn)這一方法的注射件成型模具，本發(fā)明的主要特點(diǎn)是通過設(shè)置在位于聚合物注射件成型模具外壁上的探頭腔內(nèi)的超聲探頭發(fā)射出的超聲波，對模具型腔內(nèi)注射件融合縫處的熔體實(shí)施超聲振動，實(shí)現(xiàn)提高聚合物注射件融合縫力學(xué)性能。實(shí)施超聲振動可以從融合縫形成之初開始實(shí)施，也可以從熔體充滿型腔后開始。所實(shí)施的超聲波頻率為18～25KHz，功率為50～300W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過施加超聲振動，可以活化聚合物分子和分子鏈段的運(yùn)動，促進(jìn)融合縫處分子鏈段的相互擴(kuò)散，從而提高聚合物注射件融合縫的力學(xué)性能。
文檔編號B29C45/57GK1603087SQ20041008123
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月15日
發(fā)明者郭少云, 陸昶, 余小峰 申請人:四川大學(xué)