熔接結(jié)構(gòu)與工藝對(duì)PMMA雙色注塑熔接狀態(tài)的影響

吳曉蘭，黃繼忠，顏許，黃園林

(常州星宇車(chē)燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

隨著汽車(chē)行業(yè)不斷發(fā)展，整車(chē)廠對(duì)汽車(chē)造型和外觀的要求越來(lái)越高。車(chē)燈作為汽車(chē)的“眼睛”，既要美觀實(shí)用，同時(shí)也要適應(yīng)技術(shù)發(fā)展要求[1]。近年來(lái)，雙色注塑成為滿足車(chē)燈多樣化需求的一種常用成型方案，其原理是將多種不同顏色、不同材質(zhì)的塑料分別在多個(gè)料筒中熔化，再按照先后順序注入模具的同一型腔內(nèi)冷卻成型[2]。雙色注塑通常有兩種結(jié)合方式可以實(shí)現(xiàn)：覆蓋式和拼接式。但無(wú)論是哪種結(jié)合方式，其兩種材料結(jié)合的原理是相同的，可以通過(guò)分子鏈擴(kuò)散理論來(lái)解釋?zhuān)牧显谖諢崃亢鬁囟壬仙?，?dāng)溫度超過(guò)材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料分子鏈的運(yùn)動(dòng)開(kāi)始加劇從而相互擴(kuò)散，兩相間的分子鏈通過(guò)互相擴(kuò)散、滲透、纏結(jié)，形成了界面層[3]。

當(dāng)前汽車(chē)信號(hào)燈外透鏡的材料以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為主，成型工藝多采用雙色注塑，PMMA材料具有優(yōu)異的耐候性能和透光率，普遍用于汽車(chē)信號(hào)燈外透鏡，但PMMA材料的缺點(diǎn)是：①?zèng)_擊強(qiáng)度低，對(duì)缺口敏感；②制件應(yīng)力大，容易發(fā)生應(yīng)力開(kāi)裂。由此可以看出PMMA制品在使用過(guò)程中抗應(yīng)力開(kāi)裂的能力也較差，尤其是雙色或多色注塑的零件，因此，對(duì)于PMMA制品，需要從材料選擇、結(jié)構(gòu)、加工工藝以及后處理等多方面考慮，盡可能控制制品內(nèi)應(yīng)力的大小，避免后續(xù)使用過(guò)程中應(yīng)力開(kāi)裂的發(fā)生。

為了改善PMMA應(yīng)力開(kāi)裂的問(wèn)題，很多研究人員在雙色熔接的結(jié)構(gòu)、注塑工藝條件以及后處理等方面做出了不少的貢獻(xiàn)。李祥兵等[1]分析雙色注塑零件開(kāi)裂的原因，對(duì)應(yīng)地優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)工藝以增大熔接面積，減小熔接處應(yīng)力集中，避免開(kāi)裂問(wèn)題的發(fā)生。王釗等[4]使用模流分析軟件對(duì)尾燈燈罩雙色注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)變形量較小的制件，降低因變形導(dǎo)致開(kāi)裂的幾率。王海濤等[5]研究了PMMA材料的耐環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂性能，得出PMMA外透鏡不宜接觸的化學(xué)介質(zhì)環(huán)境。陶永亮等[6]研究PMMA雙色注塑的工藝條件及回火方法，以降低塑件的應(yīng)力，避免出現(xiàn)開(kāi)裂。筆者則以拼接式PMMA雙色注塑試樣為研究對(duì)象，利用具有不同末端熔接夾角的拉伸試樣實(shí)驗(yàn)?zāi)＞哌M(jìn)行雙色注塑實(shí)驗(yàn)。雙色注塑過(guò)程中第一次注塑的工藝條件對(duì)熔接狀態(tài)的影響遠(yuǎn)小于第二次注塑工藝條件的影響，因此，主要從第二次注塑的末端熔體溫度、末端熔體壓力、末端模具溫度以及末端熔接夾角四個(gè)方面研究這些工藝參數(shù)對(duì)PMMA試樣熔接狀態(tài)的影響。通過(guò)注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度、熔接末端開(kāi)口尺寸及耐酒精應(yīng)力開(kāi)裂比例等結(jié)果的對(duì)比，得出最佳雙色材料結(jié)合的熔接結(jié)構(gòu)及注塑工藝條件，以提升PMMA雙色注塑的熔接質(zhì)量，降低因雙色材料熔接不良引起的應(yīng)力開(kāi)裂比率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PMMA無(wú)色與紅色透明材料：8N，熔體體積流動(dòng)速率為3 cm3／10 min，德國(guó)羅姆化學(xué)有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

旋轉(zhuǎn)式雙色注塑機(jī)：IA5300型，海天塑機(jī)集團(tuán)；

模具溫度控制設(shè)備：TW-600MA-KS型，動(dòng)、定模各配置一臺(tái)，日本KAWATA公司；

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：Z010型，德國(guó)Zwick公司；

高倍顯微鏡：VHX-7000型，日本基恩士公司。

1.3 拉伸試樣實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呒皞鞲衅鞑贾?/h3>

采用了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高精度雙色注塑拼接式旋轉(zhuǎn)模，包括兩個(gè)定模型腔和兩個(gè)動(dòng)模型腔，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)第二次注塑的末端熔體溫度、末端熔體壓力、末端模具溫度，且可通過(guò)更換模具上的鑲塊來(lái)實(shí)現(xiàn)雙色注塑末端熔接夾角的切換，末端熔接夾角分別為 50°，60°，70°，87°，如圖1 所示。

第二次注塑的末端熔體溫度、末端熔體壓力、末端模具溫度分別通過(guò)光纖式溫度傳感器、接觸式壓力傳感器以及熱電偶式溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳感器分別安裝在如圖2所示動(dòng)模與定模的左側(cè)型腔中，布置位置如圖3所示，監(jiān)視系統(tǒng)采用了Futaba公司MVS08系統(tǒng)。

圖2和圖3中，接觸式壓力傳感器I，III分別用于監(jiān)測(cè)澆口處熔體壓力和熔接處末端熔體壓力，傳感器型號(hào)為SSB01KN08X06，測(cè)量范圍200～1 000 N；光纖式溫度傳感器II，IV分別用于監(jiān)測(cè)澆口處熔體溫度和熔接處末端熔體溫度，傳感器型號(hào)為EPSSZL-03.0X30 N50，測(cè)定范圍60～430℃，響應(yīng)度8 ms；熱電偶式溫度傳感器V用于監(jiān)測(cè)熔接處末端模具溫度，傳感器型號(hào)為STF04.0，測(cè)量范圍0～220℃，反應(yīng)速度0.34 s。

圖1 雙色注塑試樣末端熔接夾角(50°與70°)截面示意圖

圖2 雙色注塑拉伸試樣實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咝颓?/p>

圖3 傳感器布置示意圖

1.4 試樣制備

塑料粒子在注塑前進(jìn)行預(yù)處理，在真空烘箱中80℃的條件下干燥4～6 h。單色拉伸試樣的注塑工藝條件設(shè)定如下：注塑溫度260℃，注塑壓力70 MPa，注塑速度 30 cm3／s，模具溫度 80℃。

雙色拉伸樣試樣第二次注塑工藝條件設(shè)定如下：注塑速度為30 cm3／s，然后通過(guò)設(shè)定不同的注塑溫度和模具溫度組合來(lái)獲得不同的末端熔體溫度、末端熔體壓力和末端模具溫度，注塑溫度分別為 240，250，260，270℃，模具溫度分別為 60，70，80，90℃，微調(diào)注塑壓力，確保試樣的質(zhì)量控制在(23±0.5)g范圍內(nèi)。

成型的雙色熔接拉伸啞鈴型試樣如圖4所示，尺寸為160 mm×40 mm×2.5 mm，第一次注塑材料為無(wú)色透明PMMA，第二次注塑材料為紅色透明PMMA。

圖4 雙色注塑的啞鈴型試樣

1.5 測(cè)試與表征

(1)拉伸斷裂強(qiáng)度測(cè)試。

參照ISO527-2：2012測(cè)試雙色熔接試樣拉伸斷裂強(qiáng)度，拉伸速率為50 mm／min，每組樣條測(cè)試5個(gè)，取平均值。

(2)熔接末端開(kāi)口尺寸測(cè)試。

在雙色注塑過(guò)程中，第二次注塑的充填會(huì)對(duì)第一次注塑后冷卻的部件產(chǎn)生壓力，為了防止第一次注塑部件出現(xiàn)開(kāi)裂，需要控制第二次注塑熔體的填充壓力，因此，第二次注塑充填的末端很難完全填充完整，在末端與第一次注塑部件之間往往會(huì)形成V形缺口，而且當(dāng)?shù)诙巫⑺芎罄鋮s時(shí)，樹(shù)脂材料會(huì)產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致V形缺口變大，相應(yīng)的缺口處內(nèi)應(yīng)力也隨之增大。因此，將V形缺口的開(kāi)口尺寸作為判斷雙色熔接狀態(tài)的指標(biāo)之一。利用顯微鏡觀察試樣熔接處的截面，測(cè)量熔接末端開(kāi)口尺寸，如圖5中的a所示。

圖5 雙色注塑試樣熔接處截面末端開(kāi)口尺寸示意圖

(3)應(yīng)力開(kāi)裂測(cè)試。

通常情況下，應(yīng)力開(kāi)裂測(cè)試有溫度變化法、溶劑法、儀器法以及應(yīng)變應(yīng)力電阻法[7-8]?？紤]到試樣的尺寸及非完全透明性，故采用溫度變化與溶劑結(jié)合的方法，也是汽車(chē)燈具上常用的檢測(cè)方法。具體的測(cè)試條件如下：將試樣按統(tǒng)一方向放置于80℃烘箱中保持2 h，取出后60 s內(nèi)使用浸泡96.5%酒精的抹布擦拭試樣的熔接處，之后在室溫條件下保持0.5 h，檢查是否有開(kāi)裂，隨后將試樣繼續(xù)放置于80℃烘箱中保持24 h，取出后觀察雙色注塑試樣熔接處是否有開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生。每種工藝條件下，取5根樣條進(jìn)行測(cè)試，開(kāi)裂比例的計(jì)算公式如式(1)所示。

式中：x——開(kāi)裂比例；

n——開(kāi)裂樣條的數(shù)量；

m——測(cè)試樣條的總數(shù)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙色與單色注塑試樣拉伸性能對(duì)比

表1為雙色與單色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度。從表1看，雙色熔接試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度小于單色試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度，雙色熔接試樣在拉伸測(cè)試后所有的破壞均在雙色材料的熔接面處，如圖6所示。由此可以得出，PMMA雙色熔接試樣的熔接強(qiáng)度差于材料自身強(qiáng)度，熔接處于最佳狀態(tài)時(shí)，其拉伸斷裂強(qiáng)度可以達(dá)到單色試樣的70%左右，最脆弱的位置是在雙色材料的熔接處，這也是應(yīng)力開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)最大的位置，因此研究熔接處的強(qiáng)度和狀態(tài)具有重要的意義。

表1 雙色與單色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度 MPa

圖6 拉伸破壞后的雙色熔接試樣

2.2 第二次注塑末端熔接夾角對(duì)熔接狀態(tài)的影響

圖7～圖9為不同末端熔接夾角下雙色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度、末端開(kāi)口尺寸和開(kāi)裂比例。由圖7～圖9可以看出，在注塑溫度260℃、模具溫度

80℃的設(shè)定工藝條件下，末端熔接夾角為50°時(shí)，拉伸斷裂強(qiáng)度最小，末端開(kāi)口尺寸最大且開(kāi)裂比例最大；隨著末端熔接夾角增加至70°，拉伸斷裂強(qiáng)度增大，末端開(kāi)口尺寸變小，開(kāi)裂比例也降低；當(dāng)末端熔接夾角增大至87°時(shí)，此時(shí)拉伸斷裂強(qiáng)度反而有所減小，末端開(kāi)口尺寸和開(kāi)裂比例略有增大。當(dāng)末端熔接夾角從50°增大至70°時(shí)，拉伸斷裂強(qiáng)度增加，主要是由于隨著末端熔接夾角的增加，熔體在尖角處遇到的阻力變小，填充得更完整，同時(shí)這也會(huì)導(dǎo)致開(kāi)口尺寸變小、注塑內(nèi)應(yīng)力降低最終導(dǎo)致應(yīng)力開(kāi)裂比例減小[9-10]。但當(dāng)末端熔接夾角增加至87°時(shí)，熔體的快速填充導(dǎo)致夾角處氣體迅速壓縮，瞬間增大的壓力影響了熔體在末端的填充，從而導(dǎo)致末端開(kāi)口尺寸變大，開(kāi)裂比例也隨之增大，而且此時(shí)隨著角度的變化，雙色材料熔接面積減小的趨勢(shì)明顯，因此，拉伸斷裂強(qiáng)度出現(xiàn)了略微下降的現(xiàn)象。

圖7 不同末端熔接夾角下雙色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度

圖8 不同末端熔接夾角下雙色注塑試樣的末端開(kāi)口尺寸

圖9 不同末端熔接夾角下雙色注塑試樣的開(kāi)裂比例

2.3 第二次注塑末端熔體溫度對(duì)熔接狀態(tài)的影響

圖10～圖12為不同末端熔體溫度下雙色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度、末端開(kāi)口尺寸和開(kāi)裂比例。由圖10～圖12可以看出，在末端熔接夾角70°的條件下，隨末端熔體溫度升高，試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度增加，末端開(kāi)口尺寸總體減小，應(yīng)力開(kāi)裂比例也隨之降低，末端熔體溫度達(dá)到250℃以上，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)最小。而且還可以看出，在末端熔體溫度達(dá)到250℃后，拉伸斷裂強(qiáng)度、末端開(kāi)口尺寸、應(yīng)力開(kāi)裂比例的變化相對(duì)比較平緩，這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高到一定程度，分子在熔接界面的擴(kuò)散、滲透對(duì)溫度敏感度降低，對(duì)雙色注塑試樣的熔接強(qiáng)度提高有限。

圖10 不同末端熔體溫度下雙色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度

圖11 不同末端熔體溫度下雙色注塑試樣的末端開(kāi)口尺寸

圖12 不同末端熔體溫度下雙色注塑試樣的開(kāi)裂比例

2.4 第二次注塑末端熔體壓力對(duì)熔接狀態(tài)的影響

除了第二次注塑末端熔體溫度會(huì)影響雙色注塑試樣的熔接狀態(tài)，末端熔體壓力也同樣會(huì)影響熔接狀態(tài)。圖13～圖15為不同末端熔體壓力下雙色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度、末端開(kāi)口尺寸和開(kāi)裂比例。

圖13 不同末端熔體壓力下雙色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度

圖14 不同末端熔體壓力下雙色注塑試樣的末端開(kāi)口尺寸

圖15 不同末端熔體壓力下雙色注塑試樣的開(kāi)裂比例

從圖13～圖15可以看出，在末端熔接夾角70°的條件下，隨著末端熔體壓力的增加，拉伸斷裂強(qiáng)度增大，末端開(kāi)口尺寸變小，應(yīng)力開(kāi)裂比例減少，但當(dāng)壓力增大到63 MPa后，拉伸斷裂強(qiáng)度、末端開(kāi)口尺寸、開(kāi)裂比例反而向相反的方向變化。此時(shí)由于壓力過(guò)大，對(duì)第二次注塑熔體與第一次注塑試樣結(jié)合的阻力變大，故兩次注塑材料之間的熔接變差，拉伸斷裂強(qiáng)度開(kāi)始減少，末端開(kāi)口尺寸隨之變大，同時(shí)由于阻力導(dǎo)致試樣成型后內(nèi)應(yīng)力變大，開(kāi)裂比例也增大。

同時(shí)對(duì)比圖12和圖15可知，與控制末端熔體壓力相比，控制末端熔體溫度減少開(kāi)裂比例的效果更為明顯。

2.5 第二次注塑末端模具溫度對(duì)熔接狀態(tài)的影響

圖16～圖18為不同末端模具溫度下雙色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度、末端開(kāi)口尺寸和開(kāi)裂比例。由圖16～圖18可以看出，末端模具溫度對(duì)雙色注塑試樣的熔接強(qiáng)度也有較大的影響，在末端熔接夾角70°、注塑溫度260℃條件下，末端模具溫度為80℃與90℃時(shí)，末端開(kāi)口尺寸變小，應(yīng)力開(kāi)裂比例也小于末端模具溫度為60℃與70℃時(shí)；同樣，隨著末端模具溫度的升高，拉伸斷裂強(qiáng)度也隨之不斷增加。末端模具溫度的升高，減少了熔體在模具內(nèi)流動(dòng)熱量的損耗，保持了熔體中分子的活躍性，大大提高了分子在熔接界面的滲透能力[11]，從而保證了良好的界面熔接狀態(tài)。

圖16 不同末端模具溫度下雙色注塑試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度

圖17 不同末端模具溫度下雙色注塑試樣的末端開(kāi)口尺寸

圖18 不同末端模具溫度下雙色注塑試樣的開(kāi)裂比例

3 結(jié)論

(1)雙色注塑試樣熔接處結(jié)合強(qiáng)度可以通過(guò)拉伸斷裂強(qiáng)度、末端開(kāi)口尺寸、應(yīng)力開(kāi)裂比例來(lái)評(píng)價(jià)其熔接狀態(tài)。

(2)PMMA雙色注塑試樣的熔接強(qiáng)度差于材料自身性能，熔接處于最佳的狀態(tài)時(shí)，可以達(dá)到單色注塑試樣自身強(qiáng)度的70%左右，最脆弱的位置是在雙色材料的熔接處上，也是開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)最大的位置。

(3)為了降低或避免PMMA雙色熔接開(kāi)裂的問(wèn)題，需要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：①?gòu)娜劢咏Y(jié)構(gòu)來(lái)看，末端熔接夾角對(duì)熔接狀態(tài)的影響較大，末端熔接夾角為50°時(shí)，試樣拉伸斷裂強(qiáng)度最小，末端開(kāi)口尺寸最大，開(kāi)裂比例最高，此時(shí)熔接狀態(tài)較差；隨著夾角的增加，熔接狀態(tài)得到改善，當(dāng)夾角超過(guò)70°時(shí)，熔接狀態(tài)的改善變得不再明顯，甚至當(dāng)夾角增大至87°時(shí)，由于熔體填充速度以及熔接面減小的影響，此時(shí)拉伸斷裂強(qiáng)度反而減小，末端開(kāi)口尺寸和開(kāi)裂比例略有增大，熔接狀態(tài)比夾角為70°時(shí)略差。②從工藝角度來(lái)看，模具溫度(末端模具溫度)不低于80℃以及保證材料性能的前提下，提高第二次注塑時(shí)的注塑溫度，確保第二次注塑末端熔體溫度不低于250℃，或者末端熔體壓力控制在63 MPa左右，減小末端熔接V形缺口的尺寸，控制V缺口處的內(nèi)應(yīng)力，可以有效地降低甚至避免開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

(4)上述研究結(jié)果為解決PMMA雙色及多色注塑制件的開(kāi)裂問(wèn)題提供了方向性的指導(dǎo)。在前期設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)雙色熔接末端夾角和模具進(jìn)行優(yōu)化，在注塑過(guò)程中調(diào)整溫度等工藝條件，可將應(yīng)力開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。