段凱歌，陳章成，王朝，朱輝，泮豪，鄭拾玉，郭獻級
(浙江曼瑞德舒適係統有限公司，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開裂現象，影響產品外觀質量，分別從注塑前原料的預處理、注塑工藝參數控製(包括料筒溫度、噴嘴溫度、模具溫度、注射壓力、保壓時間)和注塑後的調濕工藝這幾個方麵對出現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，但缺少注塑後的調濕工藝，冬季組裝過程易開裂是由於注塑件注塑後的含水率極低，冬季外界環境濕度較小，注塑件在短時間不能吸收到足夠的水分，相應的抗衝擊能力較差，無法承受組裝過程的衝擊力而出現開裂現象。針對這一問題，采用了兩種不同的調濕工藝(水煮處理和恒溫恒濕處理)對質量分數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衝擊性能的影響。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、衝擊性能稍有提升；水煮工藝能大幅度提升材料吸水率，材料的缺口衝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，可應用於需要保留較高彎曲性能的場合，而水煮工藝可大幅縮短調濕時間(95℃，0.5h)，適合對抗衝擊要求較高的場合。
關鍵詞：尼龍66注塑件；開裂；吸水率；彎曲性能；簡支梁衝擊性能
尼龍66(PA66)由己二酸和己二胺縮聚而成，是一種優良的工程塑料[1-4]，其綜合性能優良，具有強度高、硬度大、剛性好、抗衝擊性好、抗蠕變性能好、模量高以及耐腐蝕、耐油、耐熱、耐磨和自潤滑等優點[5-8]，而且原料易得，成本低，因此廣泛應用於服裝、裝飾、工業工程等領域[9-13]。為了進一步提高PA66產品的強度，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客戶需要進行調整，常見的玻纖添加量有20%，30%，40%，50%等(均為質量分數)。目前，PA66在車輛上的應用已占到63%左右，在電子電氣方麵和辦公自動化設備上的應用占比達到22%，在機械、光學方麵的應用占到5%，因此，PA66複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、機械等產業的迅速發展，對PA66產品注塑工藝的要求越來越嚴苛，工藝控製不好則會使產品表麵容易出現裂紋、氣孔和銀紋等現象。筆者在組裝一款質量分數20%玻纖增強PA66(PA66/20%GF)注塑件時發現，注塑件注塑後的表麵無異常，但在組裝過程中受到外力出現了開裂現象，如圖1所示。注塑件開裂不僅會影響產品外觀，更重要的是會降低使用壽命，嚴重的可能造成質量事故，因此必須要找到開裂產生的原因，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幹燥。幹燥處理時需選擇合適的幹燥的溫度和時間：若幹燥的溫度過高，會引起原料氧化分解，幹燥溫度過低，除水效率較低；幹燥的時間過長，會使原料發生氧化，顏色變黃，幹燥時間過短又會達不到除濕的目的。
原料的幹燥可以采用鼓風幹燥箱和真空幹燥箱設備，其中采用鼓風幹燥箱幹燥PA66原料時的溫度通常控製在80~100℃，時間為8~12h，以除去原料中的水分，使含水率控製在0.1%以下，避免在注塑過程中出現氣泡現象，影響製品外觀及力學性能。
1.2 注塑工藝參數控製要點
注塑工藝參數主要分為溫度、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，對這些工藝參數的控製要點現分述如下。
由於PA66原料的熱穩定性較差，料筒溫度不易過高，一般略高於原料的熔融溫度即可，但對於玻纖增強的PA66，溫度須高於純的原料，這樣可以使原料更好的塑化，增加物料的流動性，保證產品表觀質量和性能。通常料筒溫度設置如下：喂料區270~285℃，壓縮區280~290℃，計量區275~285℃。
噴嘴溫度需要單獨控製，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。噴嘴溫度應稍微低於料筒的後段溫度，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℃。
模具溫度對製品質量影響很大，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並產生較大的收縮。模具溫度較低時，產品的結晶度低、伸長率高、韌性較好；模具溫度較高時，產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產品的形狀和壁厚來確定，對於形狀比較複雜且壁厚的產品，模具溫度應該選擇低值，以防止產品產生氣泡或者凹陷的情況，而對於形狀簡單且壁薄的產品，采用高模具溫度有利於熔體能夠充滿模腔，防止熔體出現過早凝固的現象。通常模具溫度控製在60~80℃。
注射壓力，是指在注射時，螺杆或柱塞端麵施加於熔料單位麵積上的壓力。在注射的過程中，選擇注射壓力時，應考慮注塑的製品不容易產生粘模和飛邊。對於厚的製品，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製十分重要，對於PA66材料來講，由於熔體溫度比較高，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製品收縮率增大，影響產品外觀及性能，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 注塑後調濕工藝要點
尼龍產品在注塑後含水率極低，小於0.1%。可以將尼龍產品在濕度為65%的條件下放置一段時間，從而使產品達到平衡吸濕量的過程，常用的加熱介質為乙酸鉀水溶液或熱水，溫度80~100℃，處理時間8~16h，用這種方法調濕處理所耗費的時間較長，生產效率較低，且調試的均勻性較差。另外一種方法是將注塑好的產品放入熱水中煮2h後，再自然冷卻半小時，使製品在較短的時間內達到吸水平衡，避免在空氣中緩慢吸水而引起尺寸的連續變化，對減小注塑件的內應力有利，能防止脆性斷裂，且水煮過程中產品與空氣隔離，不會造成產品表麵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，可用於自動控製係統的開啟，做導程導向使用；下方為內外卡扣結構，內卡扣用於固定主要核心部件，外卡扣用於螺紋圈的限位，中心直通空心，可由指示部件上下運動並做行程指示顯示。該注塑件在組裝過程中易出現開裂，在冬季時這種開裂現象出現得更為頻繁，嚴重影響了產品質量，故查找開裂原因非常重要。根據前述的各階段工藝要點，核查該PA66注塑件的注塑工藝，發現原料注塑前在80℃的鼓風幹燥箱中幹燥8h，料筒溫度為喂料區275℃、壓縮區285℃、計量區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幹燥處理還是注塑時的工藝參數控製，都在要求範圍之內，但缺少了注塑後的調濕處理程序，注塑完直接進行組裝工作，從而導致產品因內應力過大而開裂。所以，為了解決這種開裂現象，需采用合適的調濕工藝，為此，筆者采用了恒溫恒濕處理和水煮兩種調濕工藝，對比了這兩種調濕工藝對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；
複合式衝擊試驗機：HIT-2492型，承德市金建檢測儀器有限公司。
2.3 試樣製備
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，缺口衝擊強度測試樣條(衝擊樣條)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調節40h以上，調節環境為溫度23℃、相對濕度50%；然後按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。
衝擊性能測試：參考GB/T 2918-2018，首先對注塑好的10根衝擊樣條進行狀態調節16h以上，調節環境為溫度23℃、相對濕度50%；然後根據GB/T1043.1-2008使用複合式衝擊試驗機測試樣條的缺口衝擊強度，測試條件為A型缺口、簡支梁衝擊模式、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衝擊樣條，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後樣條的質量變化，計算樣條的吸水率，並測試了樣條的定撓度彎曲應力和缺口衝擊強度，測試結果見表1。
從表1可以看出，隨濕度的增加，恒溫恒濕處理後材料吸水率呈現緩慢增加的趨勢，由於吸水後材料的韌性增強，材料的柔性變好，相應的定撓度彎曲應力逐漸減小，缺口衝擊強度不斷增大，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，因此彎曲性能和衝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衝擊樣條，采用恒溫介質箱在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後樣條的質量變化，計算樣條的吸水率，並測試了樣條的定撓度彎曲應力和缺口衝擊強度，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，吸水後材料的韌性變好，定撓度彎曲應力變小，而對應的缺口衝擊強度從15.03kJ/m2增加到25.31kJ/m2，材料的衝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後含水率極低，小於0.1%，而冬季外界環境濕度較小，注塑件不能吸收到充足的水分，材料的抗衝擊能力較差，無法承受組裝過程的衝擊力而出現開裂現象。因此，為了解決注塑件在組裝過程出現的開裂現象，筆者采取了2種注塑後的調濕方案進行嚐試：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，之後再進行組裝試驗；第二，將注塑好的1000個注塑件放入95℃的水中煮0.5h，之後進行組裝試驗。以上2種方案所組裝的全部產品未出現破裂現象，證明筆者對於開裂原因分析合理，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，恒溫恒濕處理後PA66GF20%材料的吸水率相對較低，故衝擊性能的變化相對較小，而彎曲性能得到較好保持；水煮後PA66GF20%材料的吸水率得到大幅度提升，相應的衝擊性能提升明顯。綜合來看，恒溫恒濕調濕耗費時間較長，可用於需要保留較高彎曲性能的場合，而水煮工藝可大大縮短調濕時間，適合對抗衝擊要求較高的場合。
4 結論
(1)對於PA66注塑件組裝過程中出現的開裂原因，分別從注塑前原料的預處理、注塑工藝參數控製和注塑後的調濕工藝等方麵進行了分析。
(2)由於注塑件注塑結束後未進行調濕，含水率極低，相應的抗衝擊能力較差，無法承受組裝過程的衝擊力，從而產生了開裂現象。
(3)采用水煮和恒溫恒濕處理兩種不同的調濕工藝對PA66材料進行處理，發現采用恒溫恒濕調濕工藝處理材料時，吸水率隨濕度的增加緩慢提升，故彎曲性能和衝擊性能變化也較小；水煮工藝能大幅度提升材料吸水率，相應的衝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。恒溫恒濕工藝調濕耗費時間較長，可用於需要保留較高彎曲性能的場合，而水煮工藝可大幅縮短調濕時間，適合對抗衝擊要求較高的場合。
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