廖錢生1,3 柳和生2 匡唐清2 劉家豪2 張偉2
1.華東交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，南昌330013;2.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌330013;3.南昌工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南昌330099
摘要：為研究玻纖含量對以長玻纖增強(qiáng)聚丙烯為外層材料、純聚丙烯為內(nèi)層材料水驅(qū)動彈頭輔助共注射成型(W-PACIM)管件的影響，采用試驗(yàn)方法分析了玻纖含量對管件殘余壁厚、玻纖取向分布規(guī)律及管件耐壓性能的影響規(guī)律及影響機(jī)理。結(jié)果表明：隨著玻纖含量的升高，管件總殘余壁厚先減小后增大；管件外層根據(jù)玻纖取向的分布特點(diǎn)可分為近模壁層、中間層和近界面層，且玻纖沿熔體流動方向的取向由外而內(nèi)逐層升高，隨著玻纖含量的增大，外層玻纖分布均勻性降低；管件的耐壓性能先增后減，玻纖含量為20wt%時，管件耐壓性能最好。
關(guān)鍵詞：玻纖含量；W-PACIM;殘余壁厚；玻纖取向；耐壓性能
引言
玻纖增強(qiáng)聚丙烯是一種以純聚丙烯(polypropylene,PP)為基體，玻璃纖維為增強(qiáng)相，通過特定工藝生產(chǎn)的高分子復(fù)合材料。根據(jù)玻璃纖維的長度，可分為短玻纖增強(qiáng)聚丙烯和長玻纖增強(qiáng)聚丙烯(longglassfiberreinforcedpolypropylene,LGFRPP)。LGFRPP具有低成本、低密度的優(yōu)點(diǎn)，同時也具備良好的加工性能和力學(xué)性能[1],廣泛應(yīng)用于家電、汽車等領(lǐng)域[2-3]。
水驅(qū)動彈頭輔助共注塑成型(Water-PoweredProjectile-AssistedCo-injectionMolding,W-PACIM)是由本課題組近年提出的一種結(jié)合水輔助共注塑工藝和水驅(qū)動彈頭輔助注塑工藝的新型注塑工藝[4-5],該工藝綜合了以上兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，克服了各自的局限，可成型雙層恒定中空截面的管件。以LGFRPP為外層材料，PP為內(nèi)層材料的W-PACIM管件，既有良好的力學(xué)性能，也有光滑的內(nèi)表面質(zhì)量。
纖維含量對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料注塑制件的影響受到了眾多研究者的關(guān)注。SeonYeongPark等[6]通過試驗(yàn)研究了不同纖維長度、纖維含量和加工方法對制件物理性能和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)LGFRPP的剪切粘度隨著玻纖含量的增加而提高。陳生超等[7]通過觀測發(fā)現(xiàn)玻纖含量的增加加劇了長玻纖的斷裂，增加了玻纖在制品中的團(tuán)聚。
OumaymaHamlaoui等[8]通過試驗(yàn)研究了玻纖含量對玻纖增強(qiáng)PBT復(fù)合材料機(jī)械性能和物理性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著玻纖含量的增加，復(fù)合材料的熔體流動指數(shù)降低，進(jìn)而影響注塑制件的表面質(zhì)量。對于共注塑成型，纖維含量的差異也影響著內(nèi)外層材料的充填過程，進(jìn)而影響內(nèi)外層材料的分布。SomjatePatcharaphun等[9-10]通過試驗(yàn)研究玻纖含量對共注塑成型中內(nèi)外層材料分布和機(jī)械性能的影響。發(fā)現(xiàn)外層材料玻纖含量越高，其凝固層越厚，這可歸結(jié)于因玻纖含量不同而導(dǎo)致的傳熱特性差異；發(fā)現(xiàn)玻纖含量、玻纖取向及玻纖剩余長度都會影響制件的機(jī)械性能。匡唐清等[11]通過試驗(yàn)研究了玻纖含量對SGFRPP溢流法水輔成型管件的壁厚及玻纖取向分布的影響，發(fā)現(xiàn)隨著玻纖含量的增加，管件壁厚逐漸減?。徊＠w在管件厚度方向的分布分為三個區(qū)域：近模壁層、中間層和近水道層，近模壁層和近水道層的玻纖沿填充方向的取向度較高，中間層取向度較低。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，部分研究人員采用數(shù)值模擬的方法對纖維含量的影響進(jìn)行了研究。江青松等[12]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)注塑制件的翹曲變形隨纖維含量的增加而降低。趙建等[13]通過數(shù)值模擬研究纖維含量對纖維取向及制件殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著纖維含量的增加，纖維制件的相互作用減弱，纖維取向程度升高。
本文通過試驗(yàn)，以不同玻纖含量的LGFRPP為外層材料、PP為內(nèi)層材料制備系列W-PACIM管件，比較分析了同等試驗(yàn)條件下玻纖含量差異對管件殘余壁厚、壁厚均勻性、玻纖取向分布規(guī)律及管件耐壓性能的影響規(guī)律及機(jī)理。
1 試驗(yàn)方法與材料
1.1 W-PACIM工藝過程
W-PACIM的工藝過程是先將彈頭放置于噴
水口處(a),接著按順序注入外層熔體(b)和內(nèi)層熔體(c),再注入高壓水驅(qū)動彈頭在內(nèi)層熔體中穿透(d),形成具有中空結(jié)構(gòu)的內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，保壓冷卻后進(jìn)行排水(e)。根據(jù)內(nèi)外層熔體注射后型腔是否注滿分為短射法和溢流法，其中溢流法又可分為外層短射溢流法和外層滿射溢流法，為節(jié)省材料，本文采用外層短射溢流法，工藝過程如圖1所示。
圖1外層短射溢流法W-PACIM工藝的成型過程5
1.2 材料
外層材料：玻纖含量為10wt%、20wt%、30wt%及40wt%的LGFRPP,粒料長度12mm,玻纖初始長度12mm,沙特沙伯基礎(chǔ)公司生產(chǎn)，牌號分別為GB301HP、GB302HP,、GB303HP及GB304HP。
內(nèi)層材料：粒料直徑4mm,中國石油化工股份有限公司生產(chǎn)，牌號為PPH-T03。
1.3 成型試驗(yàn)平臺
成型設(shè)備平臺包括注塑機(jī)、自行設(shè)計的模具及自研注水系統(tǒng)。注塑機(jī)：海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，型號為MA1600M/380-E80,具備共注塑的能力。模具：用于成型直徑16mm、長度245mm的圓形直管件。注水系統(tǒng)主要由人機(jī)界面(HumanMachineInterface,HMI)、PLC、電動機(jī)、高壓柱塞泵、調(diào)壓閥、壓力變送器、壓力控制器及電磁開關(guān)閥組成，其工作原理如圖2所示。
1.4 分析測試儀器
掃描電子顯微鏡(SEM),NovaNonaSEM450型，荷蘭FEI公司；金相顯微鏡：奧林巴斯公司，
型號BX53M;管材耐壓試驗(yàn)機(jī)，MTSH-06,天津美特斯試驗(yàn)機(jī)廠，測量精度：±0.01MPa。
圖2注水系統(tǒng)工作原理圖
1.5 以PP/LGFRPP為內(nèi)外層材料的W-PACIM管件成型
基于原有的W-PAIM試驗(yàn)平臺[14-18],將單注注塑機(jī)替換為可共注的注塑機(jī)，升級控制系統(tǒng)之后，可進(jìn)行W-PACIM注塑成型。以PP為內(nèi)層材料，玻纖含量為10wt%、20wt%、30wt%和40wt%的LGFRPP為外層材料，采用外層短射溢流法制備系列W-PACIM直管，如圖3所示。
圖3長玻纖增強(qiáng)聚丙烯W-PACIM管件及其殘余壁厚測量位置
注塑機(jī)料筒溫度設(shè)置如下(從進(jìn)料口至噴嘴):
A料筒：230℃、240℃、250℃、260℃、255℃、250℃。
B料筒：200℃、210℃、220℃、230℃、220℃。
1.6 玻纖斷裂長度及表征
截取一小部分已冷卻的管件或熔體置于馬弗爐中，緩慢升溫至600℃,持續(xù)2h,去除W-PACIM
管件中的PP材料，將剩下的玻纖置于水溶液進(jìn)行溶解分散，通過金相顯微鏡和Image-ProPlus6.0軟件對玻纖進(jìn)行長度測量，每個試樣測量約500根玻纖的長度，取其算術(shù)平均值作為最終的剩余玻纖長度，并對其玻纖長度的分布范圍進(jìn)行分析。
1.7 殘余壁厚測量
管件的殘余壁厚(ResidualWallThickness,RTW)指的是熔體被水驅(qū)動彈頭穿透形成中空截面后，內(nèi)壁與外壁之間的厚度。在共注塑成型情況下，總殘余壁厚分為內(nèi)層殘余壁厚和外層殘余壁厚，其測量方法一致，內(nèi)層殘余壁厚為內(nèi)壁與內(nèi)外層界面之間的厚度，外層殘余壁厚為內(nèi)外層界面與外壁之間的厚度。
每組試驗(yàn)中，取3根管件作為壁厚測量的試樣，在管件的4個位置(P1、P2、P3、P4)進(jìn)行橫向切斷，如圖3所示。在每個切斷面上取4個方位的等分點(diǎn)，對每個方位進(jìn)行測量壁厚值，最終的壁厚取四個等分點(diǎn)壁厚的算術(shù)平均值。測量壁厚時需要測量試樣的總壁厚及外層壁厚，而內(nèi)層壁厚通過差值計算可得。
1.8 SEM試樣制備及微觀觀測
在管件中段截取高為5mm的圓環(huán)，并在沿壁厚方向上切一個小口，置于盛有液氮的器皿中進(jìn)行冷卻處理約20min后取出，沿小口處將其脆斷，此時再沿直徑方向切取厚度為2mm的薄片，如圖4(a)所示，將薄片置于貼有導(dǎo)電膠的載物臺上，進(jìn)行噴金處理后再利用SEM對試樣進(jìn)行觀測。
圖4SEM試樣制備方法(a)及試樣結(jié)構(gòu)(b)[19]
2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 玻纖含量對W-PACIM管件玻纖斷裂長度的影響
玻纖含量對W-PACIM管件玻纖斷裂長度的影響如圖5所示。由圖5(a)可知，玻纖含量為10wt%時，94.8%的玻纖斷裂長度在0~3.5mm范圍內(nèi)；玻纖含量為20wt%時，93.7%的玻纖斷裂長度在0~2.5mm范圍內(nèi)；玻纖含量為30wt%時，93%的玻纖斷裂長度在0~2mm范圍內(nèi)；玻纖含量為40wt%時，95.4%的玻纖斷裂長度在0~2mm范圍內(nèi)。隨著玻纖含量的增加，玻纖剩余長度大于1mm的玻纖數(shù)量由10wt%的55.9%減小到40wt%的23.2%。
由此可知，隨著玻纖含量的增加，玻纖斷裂長度分布范圍變窄，且更趨于集中在較短的玻纖長度范圍內(nèi)。由圖5(b)可知，玻纖含量由10wt%增長到40wt%,其平均玻纖斷裂長度由1.46mm減小至0.8mm,呈逐漸減小的趨勢。這是因?yàn)殡S著玻纖含量的增加，玻纖密度加大，玻纖增強(qiáng)塑料在料筒中螺桿剪切塑化、流道中剪切流動及型腔中充填剪切流動過程中，熔體中的玻纖相互干涉的幾率增多，使得平均剩余玻纖長度減小。
2.2 玻纖含量對W-PACIM殘余壁厚的影響
根據(jù)上述試驗(yàn)方案，對外層材料為不同玻纖含量的W-PACIM管件進(jìn)行測量，結(jié)果如圖6所示。
由圖6(a)可知，玻纖含量為10wt%和20wt%時，W-PACIM管件其內(nèi)外層壁厚差異不大。當(dāng)玻纖含量上升至30wt%后，外層壁厚下降明顯。玻纖含量由10wt%~30wt%,內(nèi)層壁厚變化不大，在玻纖含量為40wt%時，內(nèi)層壁厚有所提升。
玻纖含量的增加對外層壁厚的影響可從三方面進(jìn)行分析，一是外層熔體的粘度隨玻纖含量的增加而提高[8],流動性隨之降低，如表1所示。內(nèi)層熔體推動的外層熔體減少，使壁厚增大；二是由圖5(b)可知，外層熔體平均玻纖斷裂長度隨玻纖含量的增加而減小，粘度降低，使壁厚減??；三是內(nèi)外層熔體界面結(jié)合強(qiáng)度增加，內(nèi)層熔體在外層熔體中穿透時能推動更多的外層熔體，使壁厚減小。當(dāng)玻纖含量為10wt%和20wt%時，三個方面的影響基本相當(dāng)，使外層壁厚相近。當(dāng)玻纖含量增加到30wt%以上時，平均玻纖剩余長度進(jìn)一步減小，內(nèi)外層熔體界面結(jié)合強(qiáng)度更高，二者的影響超過因粘度升高對壁厚的影響，使得外層壁厚下降明顯。當(dāng)玻纖含量為40wt%時，外層熔體粘度較大，內(nèi)外層熔體界面結(jié)合強(qiáng)度較高，內(nèi)層熔體在外層熔體中穿透推動更多外層熔體的同時，也使較多的內(nèi)層熔體留在了型腔內(nèi)，使型腔末端內(nèi)層熔體壁厚增大，如圖7所示。
文獻(xiàn)[9]以短玻纖增強(qiáng)聚碳酸酯為外層，純聚碳酸酯為內(nèi)層，通過共注塑成型工藝制備了薄板制件，發(fā)現(xiàn)外層厚度隨著外層材料玻纖含量的增加而增加。與本研究外層壁厚隨玻纖含量的增加先增后減的趨勢有所不同，其原因可能是型腔和玻纖長度差異所導(dǎo)致。玻纖長度越長，內(nèi)外層界面結(jié)合強(qiáng)度越高，使內(nèi)層熔體推動的外層熔體更多，使外層壁厚減小。
2.3 玻纖含量對W-PACIM外層玻纖取向分布的影響
對外層材料為不同含量LGFRPP,內(nèi)層為PP的W-PACIM管件進(jìn)行取樣，通過SEM對其脆斷截面的微觀形態(tài)和玻纖取向分布進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖8所示，由于試樣壁厚不同，為保證良好的觀測效果，各圖放大倍數(shù)稍有差異。
圖8LGFRPP的W-PACIM試樣SEM圖像(注：熔體流動方向平行于圖片寬度方向)
由圖8(a)可知，玻纖含量為10wt%試樣整個脆斷面區(qū)域僅有少量玻纖裸露在外。近模壁區(qū)域的玻纖非熔體流動方向取向?yàn)橹?，近界面區(qū)域玻纖基本沿熔體流動方向取向，裸露在的玻纖較長，并伴隨著長度較長的凹槽。中間區(qū)域的玻纖取向分布情況介于二者之間，裸露在外的玻纖及凹槽短于近界面區(qū)域，緊鄰近模壁區(qū)域處有少量孔洞。隨著玻纖含量的提高(20wt%~40wt%),脆斷面上裸露在外的玻纖明顯增多。由圖8(b)可知，玻纖含量為20wt%的試樣脆斷面上玻纖分布比較均勻，未見明顯的玻纖團(tuán)聚現(xiàn)象。近模壁區(qū)域和中間區(qū)域部分玻纖近似垂直于脆斷面取向，形成典型的三維立體交叉結(jié)構(gòu)，近界面區(qū)域玻纖基本沿穿透方向取向。由圖8(c)可知，玻纖含量為30wt%的試樣脆斷面上玻纖分布均勻性相較于玻纖含量20wt%的試樣有所降低，出現(xiàn)玻纖團(tuán)聚現(xiàn)象，如圖中所圈部分。近模壁區(qū)域較多玻纖近似垂直脆斷面取向；中間區(qū)域的玻纖取向度有所提高，靠近近模壁區(qū)域仍有部分玻纖近似垂直脆斷面取向，越靠近近界面區(qū)域，越多玻纖沿熔體流動方向取向；近界面區(qū)域的玻纖取向度高，玻纖分布較為分散且均勻，絕大部分玻纖都與流動方向平行整齊排列。由圖8(d)可知，玻纖含量為40wt%的試樣脆斷面上玻纖分布均勻性進(jìn)一步降低，出現(xiàn)明顯的玻纖團(tuán)聚現(xiàn)象，如圖中所圈部分。外層近模壁區(qū)域的玻纖部分沿熔體流動方向取向，部分沿其近似垂直脆斷面取向；中間區(qū)域玻纖大部分沿熔體流動方向取向，少數(shù)垂直于脆斷面取向；近界面區(qū)域的玻纖多數(shù)沿熔體流動方向取向。
綜上所述，不同玻纖含量，以LGFRPP為外層材料的W-PACIM管件的外層分布都可分為近模壁區(qū)域、中間區(qū)域和近界面區(qū)域。近界面區(qū)域玻纖取向度最高，近模壁層玻纖取向度最低，中間層受到近模壁層和近界面層的影響，玻纖取向度沿厚度方向由外而內(nèi)呈逐漸升高的趨勢。隨著玻纖含量的增加試樣脆斷面上玻纖分布均勻性逐漸降低，玻纖團(tuán)聚現(xiàn)象逐漸增多。由此可見，W-PACIM管件外層玻纖的分布及取向與所處位置及玻纖含量有關(guān)。
外層近模壁層的玻纖取向主要形成于外層熔體注射階段，主要受噴泉流的影響。當(dāng)外層熔體流動前沿因噴泉流效應(yīng)而趨向模壁，與模壁接觸后由于劇烈的熱交換而導(dǎo)致近模壁層熔體迅速固化，纖維來不及充分取向。緊挨著近模壁層的纖維受到拉伸流和剪切流的影響[20],沿熔體流動方向的取向得到改善。近界面層的玻纖取向受到內(nèi)層熔體穿透的影響，本課題組的仿真研究[4],得到內(nèi)層熔體在外層熔體中穿透時穿透前沿附近的速度分布和應(yīng)變率分布，如圖9和圖10所示。內(nèi)層熔體在外層熔體穿透時，穿透界面外側(cè)的外層熔體區(qū)域內(nèi)速度呈線性分布，如圖9(b)中所圈部分，說明穿透前沿處外層熔體呈拖曳流狀態(tài)，外層熔體受到內(nèi)層熔體強(qiáng)烈的剪切作用。由圖10可知，已穿透及正穿透區(qū)域的應(yīng)變率峰值位于內(nèi)外層熔體界面處，而未穿透區(qū)域應(yīng)變率峰值位于近模壁處，說明已穿透和正穿透區(qū)域的內(nèi)外層熔體界面處存在較強(qiáng)的剪切作用，使外層近界面區(qū)域的玻纖易于沿熔體流動方向取向[21-22]。
通過與文獻(xiàn)[19]的對比分析，發(fā)現(xiàn)W-PACIM工藝與WACIM工藝制件外層熔體玻纖取向基本相同，由此可以認(rèn)為，由于內(nèi)層熔體起到外層熔體和彈頭的隔離作用，W-PACIM工藝中彈頭的穿透，對外層玻纖取向分布基本沒有影響。
2.4 玻纖含量對W-PACIM管件耐壓性能的影響
對外層材料為10wt%、20wt%、30wt%和40wt%LGFRPP的W-PACIM管件進(jìn)行瞬時爆破試驗(yàn)，得到其最大耐水壓力。由圖11可知，隨著玻纖含量的增加，W-PACIM管件的耐壓性能先增后減，玻纖含量為20wt%時，W-PACIM管件的耐壓性能最好，玻纖含量為40wt%時，W-PACIM管件的耐壓性能最差。
當(dāng)玻纖含量較低時(10wt%~20wt%),管件的耐壓性能隨著玻纖含量的增加而提升。一是因?yàn)楫?dāng)玻纖含量低于20wt%時，基體中玻纖密度比較低，玻纖分布較為均勻，玻纖含量的增加可使管件承受的載荷傳遞到更大的區(qū)域，進(jìn)而提高管件的耐壓性能；二是由圖5可知，玻纖含量為20wt%時，管件的外層壁厚較大，壁厚均勻性更佳，管件耐壓性能較好。玻纖含量為30wt%時，管件壁厚，尤其是外層壁厚，由20wt%時的1.31mm下降至0.79mm,管件的壁厚均勻性也顯著降低，使得管件耐壓性能下降；由圖8(c)可知，玻纖含量為30wt%的玻纖分布均勻性較20wt%有所降低，有玻纖團(tuán)聚情況出現(xiàn)，在進(jìn)行瞬時爆破試驗(yàn)時易在薄弱處出現(xiàn)爆破特征。當(dāng)玻纖含量增加至40wt%時，其外層壁厚進(jìn)一步下降至0.69mm,由圖8(d)可知，脆斷截面的玻纖分布更為不均，玻纖團(tuán)聚現(xiàn)象較30wt%時更加明顯，耐壓性能進(jìn)一步減弱。
文獻(xiàn)[23]指出，玻纖的長徑比會影響纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力傳遞效率和彈性模量。玻纖平均剩余長度越短，長徑比越小，會降低復(fù)合材料的應(yīng)力傳遞效率，對管件的耐壓性能具有負(fù)面影響。雖然平均玻纖剩余長度隨玻纖含量的增加而降低，但玻纖含量為20wt%的管件爆破壓力比10wt%的管件高出近40%,這說明外層壁厚大小、壁厚均勻性及玻纖分布均勻性對W-PACIM管件的耐壓性能影響較大，而平均玻纖斷裂長度對耐壓性能的影響較小。這主要是因?yàn)楣芗哪蛪盒阅苁峭ㄟ^瞬時爆破試驗(yàn)來表征的，而爆破特征主要出現(xiàn)在管件薄弱處，玻纖斷裂長度對管件的影響是整體性的，并不會對薄弱處有特殊影響。
3 結(jié)論
(1)隨著玻纖含量的增加，平均玻纖斷裂長度逐漸減小，玻纖斷裂長度分布范圍變窄，且更趨于集中在較短的玻纖長度范圍內(nèi)。這主要是因?yàn)殡S著玻纖含量的增加，增加了W-PACIM工藝過程中玻纖之間的相互“碰撞”的幾率，玻纖斷裂長度越短。
(2)玻纖含量為10wt%和20wt%時，其殘余壁厚相差不大，玻纖含量增大至30wt%和40wt%時，外層壁厚減小，內(nèi)層壁厚增大。玻纖含量的變化影響了外層熔體粘度和內(nèi)外層界面結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致管件殘余壁厚的變化。
(3)外層玻纖取向可分為近模壁區(qū)域、中間區(qū)域及近界面區(qū)域，玻纖沿熔體流動方向的取向度沿壁厚方向由外而內(nèi)逐漸提高，隨著玻纖含量增大，玻纖分布均勻性變差；近模壁區(qū)域的玻纖取向主要受噴泉流的影響，而近界面區(qū)域的玻纖取向主要受內(nèi)層熔體在外層熔體中穿透的影響。
(4)以長玻纖增強(qiáng)聚丙烯(LGFRPP)為外層材料的W-PACIM管件的耐壓性能隨著玻纖含量的增加呈先增后減的變化，在玻纖含量為20wt%時最佳。管件的耐壓性能與管件的RTW及其均勻性、玻纖分布及平均玻纖斷裂長度等因素有關(guān)，其中平均玻纖斷裂長度的影響較小。
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