注射成型和注射压缩成型PET瓶坯性能对比分析

易恒光，游 强，徐志江

(广州一道注塑机械股份有限公司，广东 广州 510663)

注射成型是一种以高压高速将塑料熔体注入闭合的模具型腔内，经过冷却定型后得到和模具型腔形状一致的塑料制品的成型方法[1-2]。注射成型的必要条件为：1)塑料必须是以熔体化的状态进入模腔；2)塑料熔体必须有足够的压力和流速，以保证能及时充满模腔[3-4]。注射压缩成型是将注射和压缩等2种成型方式结合起来的成型技术，是传统注射成型的一种高级形式。其成型过程分2次进行，模具首次合模，动模板和定模板不完全闭合而保留一定的压缩间隙，随后向未完全闭合的模具型腔内注射定量的聚合物熔体；熔体注射完成后，再次合模，使得动模板和定模板完全闭合，将模腔内的熔体进行压缩填充[5-8]。

目前，国内对苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶坯的生产一般采用注射成型技术，鲜有发现用注射压缩方法生产PET瓶坯的报道。本文以一种典型的PET瓶坯为例，采用注射成型和注射压缩成型等2种方法分别制备了透明PET瓶坯，并对2种不同成型方式制备的透明PET瓶坯的外观、瓶口尺寸、坯壁厚度同心度、乙醛(AA)含量、黏度(IV)降和应力线分布状况进行了对比分析。本文研究为PET瓶坯的加工提供了一种新型、有效的成型方法，为注射压缩成型技术在PET瓶坯生产领域的应用提供了依据和指导。

1 PET瓶坯的制作

1.1 材料与设备

PET的牌号为FY1002，熔融温度为257～267 ℃，由广州泛亚聚酯有限公司生产。

所用注塑机采用广州一道注塑机械有限公司研制的UPET30—120闸板式直压锁模注塑机，其主要技术参数见表1。试验所用模具采用广州一道注塑机械有限公司生产的一出二热流道PICH150 S30机试验模。

表1 UPET30—120闸板式直压锁模注塑机主要技术参数

1.2 PET瓶坯制作的工艺

在制作开始前，将PET料在170 ℃下干燥6 h以排除物料中的水分。在样品制备过程中，通过调节闸板式直压锁模注射机的程序，分别采用注射成型和注射压缩成型方式生产PET瓶坯样品，其成型工艺参数见表2，除了注射压缩成型方式引入了1组压缩行程和压缩速度参数外，其他的工艺参数与注射成型完全一致。

表2 注射成型与注射压缩成型工艺参数

1.3 PET瓶坯结构

PET瓶坯的结构尺寸示意图如图1所示。

图1 38口径28克PET瓶坯结构尺寸示意图

2 测试与表征

2.1 表观尺寸测试

采用CPJ-3020Aφ300数字式测量投影仪分别精确测量2种不同成型方式制备的PET瓶坯样品的表观尺寸。试验步骤如下：确定物镜倍率，根据零件设计图样制作与物镜放大倍相同比例的标准放大图，材料选用伸缩性较小的透明塑胶片；制10∶1的放大图，用10倍物镜进行测量，将瓶坯放在标准的V型样板规上，然后放置在投影屏上；工件放在工作台上，调好焦距，移动X、Y工作台使零件影像与放大图套准；若工件影像与放大图的偏差在公差带之内，为合格，否则为不合格，偏差数值可以用X、Y坐标测量出来。利用RS232接口与计算机相连，用专用测量软件M2D还可以实现双坐标、测量数据的自动处理和零件形状的测绘功能，连接打印设备可以输出测量数据和测绘图形。工件亦可任意放置无需精确调整，使测量功能与测量效率进一步扩大与提高。

2.2 IV降测试

(1)

式中，RV为相对黏度；t1为溶解液流通时间；t2为溶剂流通时间。

测出RV后，可由下列公式换算出IV：

(2)

式中，C为溶液的浓度，单位为g/mL。

2.3 AA含量测试

2.3.1 测试仪器和条件

采用Agilent HP6890气相色谱仪检测残留在PET瓶坯样品中的AA含量。进样口温度为250 ℃，分析柱为2 m×6 mm，80/100 mesh玻璃柱或其他等效色谱柱，柱温为140 ℃，检测器为氢火焰检测器，检测温度为250 ℃。载气为氮气(99.999%)，流量为40 mL/min，燃气为氢气，流量为40 mL/min，助燃气为空气，流量为400 mL/min。顶空进样器使用Agilent HP 7694。炉温为150 ℃，进样环温度为125 ℃，气体通路温度为125 ℃，样品瓶加热时间为60 min(标样为10 min)，加压时间为0.13 min，加压压力为18 psi，充气时间为0.15 min，充气平衡时间为0.15 min，进样时间为0.20 min。采用10 μL微量注射器。乙醛标准溶液的浓度约为1 mg/mL，采用20或22 mL样品瓶(实验室只能使用同一型号的样品)。采用硅化聚四氟乙烯垫片及铝质样品瓶盖，分析天平精确到0.000 1 g，粉碎机及筛网为20目和40目。

2.3.2 求校正因子

求校正因子步骤如下：1)在顶空进样器上设定技术参数；2)在顶空进样器和气相色谱仪上分别测定5个标样的相应峰面积；3)根据每个标样的响应值及标样质量，根据式3计算出标准直线。

Y=kX+b

(3)

式中，Y为气相色谱响应值；X为标样质量；k和b为系数。一般气相色谱所配的分析软件中均可自动计算，如无合适的软件，可采用本方法人工计算：

2.3.3 样品制备及测试

将所要测定的样品打碎成6 mm左右的小块，并将样品置于液氮中冷冻约10 min，将冷冻后的样品立即放在粉碎机中进行粉碎，然后用筛网进行过筛处理，使用停留在40目筛网上的样品；用分析天平迅速称入一定量的样品，样品质量M精确到0.000 1 g；用封盖器将垫片及铝盖紧密盖在5个干净的样品瓶上，并用微量注射器分别将2、3、4、5和6 μL乙醛标样通过垫片注入样品瓶中后开始测试，其中乙醛标准溶液浓度约为1 mg/mL。确定的样品质量应使其大部分响应值落在5个标样量的范围内，参考质量为0.2～0.6 g。结果分析采用下式进行计算：

式中，AA为乙醛含量，单位为μg/g；M为样品质量，单位为g。

2.3.4 应力线分布测试

样品应力线分布采用表面WYL—2型应力仪，表面应力仪的测试原理是利用玻璃表面离子交换层的光波导效应来进行测量。从光源发出的发散光经过狭缝，由高折射率柱面棱镜汇聚后变成平行光，通过调节光源的位置，使一束平行光以临界角入射至玻璃与棱镜的交界面，由于玻璃表面存在的应力，光线分解成为2个振动面相互垂直的矢量光，这2束光在玻璃的离子交换层中传播速度是不同的，因此以不同全反射角折射到棱镜。从棱镜射出的光经反射镜反射进入干涉滤光片，由望远镜系统聚焦，再经过分析镜后在分划板呈像而形成一个明暗台阶图像。通过分析软件可以精确测量台阶的高度和台阶线条的数量，以计算表面应力强度和应力层的深度。

3 试验结果与讨论

3.1 不同成型方式对PET瓶坯样品表观形貌和结构尺寸的影响

注射成型和注射压缩成型的PET透明瓶坯样件的表观形貌如图2所示。由图2可以看到，2种不同成型方式制备的透明样件均具有良好的表面质量，其外表晶亮透彻、无杂色、无气泡，无生料、无杂质、无黑点、无焦斑和污点、无凹痕变形。

注射成型和注射压缩成型PET透明瓶坯样件的外观结构尺寸检测结果见表3。表3反映了瓶坯样件的结构尺寸是否符合制品要求。从表3可以看出，注射成型和注射压缩成型瓶坯瓶口的外径、螺纹、锁环、扣环、支撑环和质量等都在标准值的偏差范围内，然而注射压缩成型更加接近标准值。注射成型瓶坯为了保证螺纹外径尺寸，不得不加重瓶坯质量，以确保瓶口的密封性能，这样不仅使产品增重，加大了碳排放，同时延长了成型周期，降低了成型效率。

图2 注射成型和注射压缩成型PET透明瓶坯样件的表观形貌

表3 注射成型和注射压缩成型PET透明瓶坯样件的外观结构尺寸

3.2 不同成型方式对PET瓶坯样品AA含量和IV降的影响

注射成型和注射压缩成型PET透明瓶坯样件的AA含量和IV降的测试结果见表4。从表4中可以看出，注射成型瓶坯样品和注射压缩成型瓶坯样品的AA含量和IV降都符合相关标准，但注射压缩成型瓶坯样品的技术指标更接近PET试验原料，可见注射压缩成型技术是一种低压加工工艺，用于低压力模型成型生产，PET料的塑化剪切，注射压力和速率都可以放在一个较小的空间。

表4 注射成型和注射压缩成型PET透明瓶坯样件的AA含量和IV降

3.3 不同成型方式对PET瓶坯样品应力线分布的影响

WYL—2型应力仪测试观察下不同成型方式制备的PET瓶坯的应力线分布图如图3所示。由图3a和图3b可以看出，注射成型PET透明瓶坯件存在较大范围的残余应力，表现为以浇口为中心，出现大量的色彩环和深度不均的光斑，代表了一系列不同应力的等值线(等应力环)，这说明注射成型的PET透明瓶坯残余应力大而且分布范围较宽；从图3b左图可以看出，注射压缩成型PET透明瓶坯彩色区域面积很小，分布条纹非常均匀一致，而图3b右图中的等应力环实际是熔体以浇口为中心沿圆周取向的结果，这说明注射压缩成型PET透明瓶坯样品的残余应力小而且分布范围均匀、窄小。

图3 注射成型和注射压缩成型PET透明瓶坯样件的应力线分布图

注射压缩成型PET瓶坯透明件具有更低残余应力，这与其成型特点密切相关。对注射成型和注射压缩成型制品而言，残余应力是指制品出模后未完全松弛而残留在制品内部的各种应力之和，主要包括取向应力和热应力。取向应力源于注射成型的充填和保压过程中，塑料熔体在模腔中进行非等温流动形成的剪切应力和拉伸应力，使得大分子链伸展，沿流动方向产生形变，在冷却过程中若大分子来不及松弛就被“冻结”在制品中，即形成取向应力；热应力主要来源于冷却过程，制品在快速冷却过程中内部温度分布不均匀，冷却层由模腔表面向内部逐渐推进，制品中各点在不同时间从较高的温度降到玻璃化温度以下，所经历的收缩变形不一致，从而产生应力[9]。取向应力主要与充填和保压过程有关，主要影响参数包括注射压力、保压压力、熔体温度和模具温度等。注射成型的注射填充和保压都是在模具完全闭合的情况下进行的，而注射压缩成型的熔体注射是在模腔未完全闭合情况下进行的(见图4)，型芯和型腔之间保持一定的间隙，因此流动阻力小，所需的注射压力低，当注射量达到要求时，通过专门压缩装置直接压缩模腔进行合模，熔体收缩是通过整个模腔直接压缩熔体来补偿的，而不是通过螺杆传递到浇口处的局部压力实现补缩保压，因此需要的压力低而且均匀，压缩完毕即产品定型。低注射压力和低保压压力导致注射压缩成型时熔体在模腔中受到的剪切应力和拉伸应力小，大分子取向程度低，取向应力也就低，因此注射压缩成型透明件具有低且均匀的残余应力，相应的光学双折射值小而均匀，有利于提高PET瓶坯透明件的光学性能。

图4 注射压缩成型PET透明瓶坯原理示意图

4 结语

通过上述研究，得出如下结论。

1)2种不同成型方式制备的PET瓶坯样件均具有良好的表面质量，其外表晶亮透彻、无杂色、无气泡，无生料、无杂质、无黑点、无焦斑和污点、无凹痕变形。其中，注射压缩成型方式制备的PET瓶坯样件的结构尺寸较注射成型更为标准。

2)注射成型瓶坯样品和注射压缩成型瓶坯样品的AA含量和IV降都符合相关标准，但注射压缩成型瓶坯样品的技术指标更接近PET试验原料。

3)注射成型PET透明瓶坯样件存在较大范围的残余应力，表现为以浇口为中心，出现大量的色彩环和深度不均的光斑，其残余应力大而且分布范围较宽。注射压缩成型PET透明瓶坯彩色区域面积很小，分布条纹非常均匀一致，其残余应力小而且分布范围更为均匀、窄小。

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