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微孔曝气器泡孔结构表征

  • 作者:许一明    来源:宜兴市官高水处理填料有限公司    时间:2016-08-05    点击:488
为了清楚地表明图3-3中注塑件每一层的不同形态结构,将微孔曝气机注射成型的泡孔翁构用三个不同区域表征:表层、芯层及两者之间的界面。那么注射成型微孔曝气机注塑件就可 能有三个不同的层;芯层、表层和表层与芯层之间的过渡层。选择了微孔曝气机注塑件的一些典型sem照片来表征微孔曝气机注射成型的泡孔结构。微孔曝气机注射成型注塑件的不同泡孔构成 了复杂的微孔曝气机结构,这是决定注塑件质量的关键因素。但是在大多数情况下,减重是预测可能的泡孔结构的最简单方式,因为评估密度降比考察实际泡孔结构来确定密度降分 布均勻性更容易。因此,只考察减重而不考察形态的这种最简单方法可能导致关于工艺 和注塑件质量问题产生原因的错误结论。
3.3.1微孔曝气机注射成型注塑件横截面的表层-芯层结构
微孔曝气机注射成型注塑件的独特特征之一就是整个注塑件横截面的表层-芯层结构。大多数好的微孔曝气机注射成型注塑件都有明显的表层-芯层结构(图3-3>。微孔曝气机泡沫的这种泡孔分布已经用注射成型pc/abs试样重复验证过。泡孔分布的总趋势呈现出明显的表层 -芯层结构,而没有明显的界面。最大的泡孔不是在芯层,而是在表层和芯层的界面处。如果加工控制得好,会有更多的微孔曝气机注射成型试样具有这样的泡孔结构。因此,参考文 献1;$]提出了微孔曝气机泡孔分布模型,证明了不但pc具有这种泡孔结构,而且其他非结晶性材料也是如此。该模型显示出了两个区域:一个是泡孔均匀的发泡芯层,另一个是 未发泡的芯层。
然而,如果加工条件控制得不好,就会在微孔曝气机注塑件上产生一些大泡孔,甚至是孔隙。这些大泡孔或孔隙通常都处在芯层位置(如图3-3所亲的pc试样芯层处小泡孔之间的大泡孔,大^n00(iin)9微孔曝气机结构应该由整体的结构来确定,而非少数大泡孔。
有明显表层-芯层结构的微孔曝气机泡沫有一个还不清楚的重要特征,即整个横截面的泡 孔尺寸分布趋势与传统结构泡沫相反。芯层处的泡孔细密,表层附近或靠近表层与恶层界面处的表层处泡孔粗大(图3-3)。这种现象背后的物理学原因可能是剪切应力*因 .鑛 纖乳凝料逢射處瘈致米 ::
•为最大剪切应力发生在表层与芯层的界面附近。微孔曝气机泡沫的这种独特的表层-芯层结构 模型的另一种表现是表层与芯层界面处有拉伸泡孔。这是将来应力发泡的一个有趣研究 课题,第8章将对其进行详细的讨论。
对于复杂或厚(大于4mm)的注射成型微孔曝气机注塑件来说,也可能有一些结构泡沫 结构,整个截面上的密度分布呈铃形[13\如果平均泡孔尺寸仍然在wofun左右,那么 仍然是微孔曝气机泡沫。结构泡沫注塑件整个截面上的泡孔分布不同于微孔曝气机注塑件。最大泡孔塊现在芯层,距离中心越远,泡孔越小,直到外表层完全消失。如果微孔曝气机泡沬的厚度大 f 4mm,就会出现这种结构泡沫的泡孔分布3此外,应减小芯层处大泡孔的关键流长 _,使其姿.200,总注射时间名3s:,
3.3,2     芯层处的泡孔结构
根据良好微孔曝气机泡沫注塑件的泡孔分布,芯层的泡孔应该是球形的。然而,泡孔分布是加工条件决定的e nam suh博士提出了一种理想泡孔分布模型,用于微孔曝气机注塑件的密 度计算。这种理想泡孔分布模型精确定义了批处理工艺的微孔曝气机结构。其泡孔间距可能更小,泡孔可能从球形变为多面体。这一模型也与一些高用量发泡的微孔曝气机注射成型 注塑件发泡芯层的泡孔结构一致6有时,也有少数凡发泡的微孔曝气机注塑件有这种紧密堆 叠的泡孔结构,如参考文献[1]所示的微孔曝气机结构。但是,大多数^发泡的微孔曝气机注塑 件都没有这种理想的紧密堆叠的泡孔结构。因此,将来还会有更为复杂的泡孔结构需要 仔细确定。
上面所示所有非紧密堆叠的微孔曝气机结构都仍然是微孔曝气机注塑件的理想模型,因为'泡孔尺 if和浪孔分布都均匀。严格地说,无论从均匀泡孔尺寸还是均勻泡孔分布来看,没有一 种微孔曝气机形态结构符合理想模型。鉴于pp的加工难度高,图3-4所示pp的泡孔结构可以 接受。图3-6和图3-7所示的更好的结构是微孔曝气机注射成型技术的最终目标。具有图3-6 和图3-7所示的这种微孔曝气机结构的大多数微孔曝气机泡沫都足以实除应用。即使泡孔不是球形的 (图3-8),但泡孔尺寸很小,足以具备微孔曝气机注塑件的主要优点:减重、尺寸稳定、成型周期短。与得到数量更多的泡孔相比.得到尺寸小的泡孔是最重要的目标-此外,减重 必须保证强度损失:ft/k用队_发泡时,合理的减重幅度为5% ~ 15% 3
微孔曝气机泡沫发泡遇层不均匀的泡孔尺寸分布对图3-4所示的未填充半结晶性pp来说 是常见现象,其形态结构特点如下:
1)         泡孔尺寸不均匀。
2)         泡孔分布不均匀。有些泡孔在模流方向呈现出一股泡孔流分布,还有些由于局 部富气体的点或局部富泡核集聚在一起形成了一堆泡孔展开。
3)         有些泡孔靠得很近,互相重叠,泡孔间壁厚很薄,或者变形,甚至1•些破裂的 泡孔连在一起形成开孔。
4)         图3-4所示的泡孔间壁厚不均匀,这是因为泡孔分布不均匀s这可能导致产生 一些薄弱点,首先破裂。
实际上,这是当前商用注射成型机制备的微孔曝气机注塑件的主要泡孔结构,是目前'的限 制因素(材料、注射前气体在熔体中的混合质量和不同注射成型条件)所致。通常,

非结晶性材料和填充材料的泡孔结构与图3-5 ~图3-7所示的类似,而半结晶性材泡孔结构则更多地与图3-4所示的一样。第6章和第7章分别详细讨论了泡孔分布与了工条件和设备设计的关系。
strauss等人用一种改进方法计算的泡孔密度如下;w]:
(3-1)
式中、~-sem,照,片中所见的泡孔数量;
msem放大倍数;
asem照片面积(通常以cm2为单位}$ rc——泡孔宽度与高度比;
^—泡孔密度(个泡孔/cm3)。
对于图3-6所示的模型,由于泡孔是球形的,所以' = 1。
如果通过测量试样求出了泡沫密度,并且假设泡孔是完美的球形,15么就还有一种计算泡孔密度的方法,即n,由下式给出:
6(^-1)
n ap<^. i                                                 (3-2)
式中/vr~未发泡聚合物的密度; p^-~泡沫密度i '——sem照片中所见泡孔的平均直径(cm) 0 那么泡孔间的平均泡孔壁厚\为
t j -札w師                                             ,3 3)
ii_ (n^                                                      (33)
众所周知,注射成型在充模阶段有强烈的剪切祚用,垂直于流动方向(充模)的
横截面的形态结构与平行于流动方向的不同。因此,制得微孔曝气机注射成型试样的程序不'同 于制得微孔曝气机批处理试样。为了得到精确的泡孔结构,建议在同一位置以90°角的取向差 制得两个试样。第一个试样在平行于流动方同上切开,分析横截面;第二个试样在垂直于流动方向, 与第一个试样截面成90°角切开。图3-11中的试样材料为abs,矩形模具的长、宽、高分别为150mm、150mm和2mm,浇口为扇形,图中的形态结构只给出了 试样截面视图的一半厚度(右侧为表层,左侧为芯层)。图3-lla所示为垂直于流动方向的截面图。只看这幅图可能会让人误以为表层附近的泡孔小,面不知道是由于表层附 近的泡孔沿流动方向被拉伸,使其看似为小泡孔。图s-llb所示为平行于流动方向的截 面图,可见表层附近的拉伸泡孔。图3-11中的结果清楚地表明远离中心的任一层中的泡孔都沿着流动方向被剪切。表层附近被剪切泡孔的实际总尺寸与中心未剪切泡孔的看 起来相近。最强剪切出现在模具和熔体之间的界面处,泡孔被拉伸;最弱剪切或无剪切 k在芯层,泡?l近似球形。
很明显,图3-ub所示的泡孔分布代表了厚度方向的速度4)^布,因此与图3-11中充模过程中厚度方向上的理论速度分布图吻合。模流道中的速度分布产生了图3*«
abs注射成塑:

 
图3-11厚度方向上海孔分布的形态结构.
a.)垂直于流动:t向的截面图b) •芊行于流动方向的截面图 (试样为&发泡的abs,厚2_:成型条件:冷模具表面,快速注射:*»_
经美国塑料工程师协会版权许可>
中相关的泡孔分布图。芯层的泡孔几乎是球形的,因为中心处的剪切为零。泡孔不仅是| 球形的,而且在流峰附近持续长大,因为与充模过程中注塑件浇口处相比,中心处几乎 没有压力,或者很低^而表层和芯层界面附近的袍孔沿着剪切方向被拉伸,变成椭球 形。这里的分析对于正确设置注射成型过程中的加工参数非常有用^第6章将详细讨论 充模过程中表面的泡孔拉伸。
尽管图3-11所的形态结构不均匀,但是如果椭圆体体积与球体积相等,那么仍
有可能将微孔曝气机结构简化为理想等尺寸泡孔:荀化模型适用于密度计算,但可能不适用于强度计算。第5章将更为详细地讨论为制得具有一定泡孔形状和尺寸的注塑件而进行的
注射成型设计。
关于泡孔结构的另一个有趣现象是界面拉伸泡孔的形状。泡孔不仅在平行于流动的方向上被拉伸(图3-11b),而且在垂直亍萊茚的方甸jt呈*團形(图3-11a)。这政 表明垂直于剪切方向产生了变形,这使流茇分拆更为复柒:
3.3.3  界面处的泡孔结构
如前所述,微孔曝气机注射成型的理想注塑件不应该存在界52, a为泡孔均匀分布于整个芯层,直到接近表层。但是如果加工条件控制得不好,不能将其洧译.就会存在籌面 区。根据图3-11所示的结果,如果界面存在,那么界面处的泡孔乾是球聚ft. s% 在强剪切作用下泡孔被严重拉伸。suh提出了一种模型,适用于与图3-llb -亏枵同朽 试样界面处的微孔曝气机结构局部图。用式(3-1)计算泡孔密度,式中&<1。
图3-11中的泡孔形状给出了一条重要启示,它表明泡孔不仅在流动方向上被剪还被垂直于流动方向上的力所挤压。具体的力平衡将在第6章讨论。
图3-11中的微孔曝气机结构表明,有些泡孔形似椭圆或泪滴。截面上的泡孔形状分布与 gpps结构泡沫的形态类似:。但是,由于微孔曝气机泡沫的剪切变形大于结构泡沫,而且 壁薄,注射体积速率大,所以其泡孔变形要严重得多,表层附近有一些严重变形的泡 孔,有的几乎扁平,有的近乎破裂。泡孔壁破裂,要么形成开孔泡孔,要么进一步形成一些几乎扁平的泡孔,严重变形的泡孔最终成为表层附近的破裂层,如图3-iib所示。 这些破裂层最终会产生很粗糖的表面,这是注射成型微孔曝气机注塑件的缺点。改善粗糙表面 的方法有数种,将在第7章进行讨论。
如果模具温度低,注射又快,切制试样时若不注意流动方向,就有可能导致分析 sem照片时产生误解。图3-11a中的泡孔是在垂直于流动方向上切开的,所以表层附近 显示出非常好的泡孔尺寸。这一错误可以通过基于泡孔尺寸的密度计算和注塑件实际测量密度之间的差异来发现。快速发现理论和实际注塑件之间偏差的方法是再次考察不同 流动方向上切制试样的截面图。图3-llb所示的泡孔形状证明泡孔实际上受到很大的拉伸,以至于泡孔都变成了长轴与短轴之比很大的楠球形。椭球形泡孔的拉伸长轴与表层 附近的流动方向平行。热的模具表面和慢速注射有助于减轻图3-llb所示的变形,这样在一个方向上切制试样就能反映出应该为球形的实际泡孔形状。
3.3.4  表层处的泡孔结构
xu已经研究过光滑表面模具成型的注塑件的表层形态结构。图6-25所示为表面上破裂泡孔的碎片,这是由图6-23和图6-24所示的速度分布产生的强烈剪切作用造成的。光滑表面模具上可能有滑移动作,但表层的大多数泡孔在强烈的剪切作用下都会 破裂,从而使微孔曝气机注塑件的表面粗糙并伴有银纹,第6章将讨论加工条件改进的具体情况。
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