专利名称：改善聚合物注射件融合缝力学性能的方法及注射件模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚合物加工领域，更具体的说，本发明涉及聚合物通过模具注射成型加工领域。
二
背景技术：
聚合物注射件融合缝是由两股或两股以上的聚合物熔体的流动前沿在模具内相遇后形成的。聚合物制品在注射成型过程中，极易形成融合缝。
融合缝在宏观上表现为一条融合线，微观上是一个与整体材料不同的三维区域，该区域的聚集态结构与整体材料不同，具体表现为(1)垂直取向。即聚合物分子链沿垂直于熔体流动方向取向。(2)弱连接。是由于聚合物的分子链在冷却过程中来不及形成足够的缠绕和扩散而所致。(3)表面V型槽。是由于模腔中空气排除不畅而形成。
融合缝的存在不仅影响了塑件的表面质量，更重要的是，由于融合缝的聚集态结构不同于注射件的其它部分，使得融合缝的力学性能大大低于注射件的本体部分。例如聚苯乙烯(PS)融合缝的拉伸强度只有本体部分的50～70％，对于纤维填充聚合物体系，融合缝的拉伸强度只有本体部分的20～40％，而对于共混体系，其力学性能损失更大。
目前国内外改善融合缝力学性能的主要途径有(1)合理设计制品和模具，如尽量避免和减少融合缝的形成，增加融合缝处制品的厚度等；(2)注射成型过程中选择合适的加工工艺条件；(3)设计新型模具，如多重进料模具(MultipleLive-feed injection molding)，该模具设有两套独立的注射系统，在熔体充模后，注射系统相互前后运动，从而推动融合缝移动。采用上叙途径(1)、(2)在一定程度上可以改善融合缝的力学性能，但改善程度有限，途径(3)固然提高融合缝力学强度的效果较好，但却存在模具制造成本较高，制品成型周期变长等等不可忽视的问题。研究既能有效地改善融合缝的力学性能，又不影响制品的成型工艺条件，同时成本增加较小，具有重要的理论意义和实用价值。
三
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提出一种在不改变聚合物注射件成型工艺和成本增加较少的条件下能有效改善聚合物注射件制品融合缝力学性能的方法，同时提供实现该方法的聚合物注射件成型模具。
本发明的基本思想是通过在模具壁外对模具内待成型的聚合物融合缝的熔体实施超声波，使熔体产生振动，从而提高注射件融合缝的力学性能。
实现本发明上述发明目的的技术方案如下通过注射件成型模具壁对模具腔体内的聚合物注射件融合缝处聚合物熔体实施超声波振动，即由位于模具壁外的超声波探头发射的超声波对由注射机塑化后注射进入模具流道，在流道内被分成两股或多股，从模具型腔的不同部分进入型腔，形成融合缝的聚合物熔体实施超声振动。所实施的超声波，其频率为10～25KHz，功率为50～300W。对注射件融合缝的聚合物熔体实施超声波振动，可从聚合物熔体注射进模具型腔形成融合缝之处开始实施，也可从聚合物熔体充满型腔融合缝形成后开始实施，通常是在聚合物熔体充满型腔后开始实施。熔体的注射和保压压力与聚合物材料的性质和聚合物注射件制品的结构形状、尺寸有关，材料的流动性差、制品结构复杂、尺寸大，注射压力和保压压力则高，反之则低，通常的压力为30～100bar。对融合缝聚合物熔体实施超声振动的时间，与熔体的凝固时间有关，即与熔体的温度和模具温度有关，而熔体的温度又与聚合物的粘流温度和熔点有关，熔体的温度一般为150～260℃，模具的温度为20～150℃，实施超声波振动的时间应不少于1秒，最好为20～50秒。
本发明的上述方法最好通过本发明提供的聚合物注射件成型模具来实现。本发明所揭示的聚合物成型模具结构为，在融合缝形成处的模具壁上设计有安置超声波发射探头的探头腔，探头腔底壁的厚度，即超声波发射方向探头腔底面距模具型腔的厚度为0.5～20mm。底壁的厚度主要取决于超声探头的尺寸，探头尺寸大，底壁较厚，尺寸小，底壁则较薄。
对于连续作业生产，为了使探头的温度不至于超过允许的工作温度，可将探头腔设计成可使冷却介质冲入到探头周围的探头腔，即探头腔设计成探头周围有足够的空间供冷却介质冲入。冷却介质最好为液体冷却介质。为使冷却介质保持足够的冷却效率，冷却介质应循环使用，为此，探头腔应设计有冷却介质进出的通道。
本发明还采取了其它一些技术措施。
本发明具有以下优点1.通过施加超声振动，可以提高聚合物和聚合物共混体系注射件融合缝的力学性能。
2.该技术只需对模具进行稍加改进即可安装超声振动装置，就可以用来改善聚合物和聚合物共混体系注射件融合缝的力学性能。成本较低且操作简单易行、安全可靠。
3.该技术在较宽的加工工艺条件下都可以提高聚合物和聚合物共混体系注射件融合缝的力学性能，不需要特定的加工工艺条件。
本发明还具有其他方面的一些优点。
本发明的超声装置的具体安装与结构由以下
和实施例进行说明。
四
图1为超声装置在注塑机上的安装结构示意图。图2为超声探头在模具探头腔中的安装示意图。
1注射机；2模具；3超声探头；4换能器；5超声波发生器；6冷却介质及冷却介质道和腔；7模具型腔；8模具流道五
具体实施例方式在以下各实施例中，发射超声波的探头设置在位于聚合物注射件成型模具外壁上的探头腔内，探头腔底部壁厚为0.5～20mm，探头腔内充有冷却液，探头腔设计有使冷却液循环的进出流道。
以下是通过实施例对本发明进行的具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明揭示的发明思想对本发明作出一些非本质的改进和调整。
1.聚苯乙烯(PS)注射件注射成型，熔体温度约195℃，模具温度约40℃，注射压力和保压压力约60bar，注射时间约2秒，在注射过程中施加频率约15KHz，功率约250W的超声振动，施加超声振动的时间约为30秒。力学性能测试表明，施加超声振动后PS注射件融合缝的拉伸强度由23.5MPa增至25.5MPa。使融合缝拉伸强度与本体部分拉伸强度的比值由58.8％增至63.8％。
2.聚苯乙烯(PS)注射件注射成型，熔体温度约195℃，模具温度约40℃，注射压力和保压压力约60bar，注射时间约2秒，在熔体充满型腔后施加频率约15KHz，功率约250W的超声振动，施加超声振动的时间约为28秒。力学性能测试表明，施加超声振动后PS注射件融合缝的拉伸强度由23.5MPa增至30.5MPa。使融合缝拉伸强度与本体部分拉伸强度的比值由58.8％增至76.3％。
3.聚苯乙烯(PS)注射件注射成型，熔体温度约230℃，模具温度约40℃，注射压力和保压压力约60bar，注射时间约2秒，，在注射过程中施加频率约15KHz，功率约250W的超声振动，施加超声振动的时间约为28秒。力学性能测试表明，施加超声振动后PS注射件融合缝的拉伸强度由27.3MPa增至33MPa。使融合缝拉伸强度与本体部分拉伸强度的比值由68.3％增至82.5％。
4.聚苯乙烯(PS)/聚乙烯(HDPE)(90/10)注射件注射成型，熔体温度约230℃，模具温度约40℃，注射压力和保压压力约60bar，注射时间约2秒，在注射过程中施加频率约15KHz，功率约250W的超声振动，施加超声振动的时间约为28秒。力学性能测试表明，施加超声振动后PS/HDPE注射件融合缝的拉伸强度由6.3MPa增至10.8MPa。使融合缝拉伸强度与本体部分拉伸强度的比值由30.2％增至51.9％。
5.聚乙烯(HDPE)注射件注射成型，熔体温度约210℃，模具温度约40℃，注射压力和保压压力约60bar，注射时间约2秒，在注射过程中施加频率约15KHz，功率约200W的超声振动，施加超声振动的时间约为28秒。力学性能测试表明，施加超声振动后HDPE注射件融合缝的断裂伸长率由52％增至87％。使融合缝断裂伸长率与本体部分断裂伸长率的比值由53％增至94.5％。
6.聚苯乙烯(PS)/尼龙6(PA-6)(70/30)注射件注射成型，熔体温度约240℃，模具温度约40℃，注射压力和保压压力约80bar，注射时间约2秒，在熔体充满型腔后施加频率约20KHz，功率约150W的超声振动，施加超声振动的时间约为28秒。力学性能测试表明，施加超声振动后PS/PA-6注射件融合缝的拉伸强度由8.4MPa增至10.4MPa。使融合缝拉伸强度与本体部分拉伸强度的比值由37.7％增至46.6％。
7.聚苯乙烯(PS)/尼龙6(PA-6)(70/30)注射件注射成型，熔体温度约240℃，模具温度约40℃，注射压力和保压压力约80bar，注射时间约2秒，在熔体充满型腔后施加频率约25KHz，功率约150W的超声振动，施加超声振动的时间约为28秒。力学性能测试表明，施加超声振动后PS/PA-6注射件融合缝的拉伸强度由8.4MPa增至10.2MPa。使融合缝拉伸强度与本体部分拉伸强度的比值由37.7％增至45.7％。
权利要求
1.一种提高聚合物注射件融合缝力学性能的方法，其特征是通过注射件成型模具壁对模具型腔内的聚合物注射件融合缝处的聚合物熔体实施超声波振动，所述超声波的频率为10～25KHz，功率为50～300W。
2.根据权利要求1所述的提高聚合物注射件融合缝力学性能的方法，其特征是在聚合物熔体充满模具型腔后对融合缝处聚合物熔体实施超声振动。
3.根据权利要求2所述的提高聚合物注射件融合缝力学性能的方法，其特征是在聚合物熔体承受注射压力状态下对融合缝处的聚合物熔体实施超声振动。
4.根据权利要求3所述的提高聚合物注射件融合缝力学性能的方法，其特征是聚合物熔体的注射压力为10～150bar。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的提高聚合物注射件融合缝力学性能的方法，其特征是对聚合物熔体实施超声振动的时间不少于1秒。
6.根据权利要求5所述的提高聚合物注射件融合缝力学性能的方法，其特征是对聚合物熔体实施超声振动的时间为20～50秒。
7.实施权利要求1至6所述方法的聚合物注射件成型模具，其特征是在注射件融合缝形成处的模具壁上设计有安置超声波发射探头(3)的探头腔，探头腔的底部到模具型腔(7)的壁厚为0.5～20mm。
8.根据权利要求7所述的聚合物注射件成型模具，其特征是探头腔为可在探头周围充入冷却介质(6)的探头腔。
9.根据权利要求8所述的聚合物注射件成型模具，其特征是探头腔为可在探头周围充入液体冷却介质的探头腔。
10.根据权利要求9所述的聚合物注射件成型模具，其特征是探头腔设计有冷却介质进出通道。
全文摘要
本发明提供了一种用于提高聚合物注射件融合缝力学性能的方法，以及实现这一方法的注射件成型模具，本发明的主要特点是通过设置在位于聚合物注射件成型模具外壁上的探头腔内的超声探头发射出的超声波，对模具型腔内注射件融合缝处的熔体实施超声振动，实现提高聚合物注射件融合缝力学性能。实施超声振动可以从融合缝形成之初开始实施，也可以从熔体充满型腔后开始。所实施的超声波频率为18～25KHz，功率为50～300W。实验结果表明，通过施加超声振动，可以活化聚合物分子和分子链段的运动，促进融合缝处分子链段的相互扩散，从而提高聚合物注射件融合缝的力学性能。
文档编号B29C45/57GK1603087SQ20041008123
公开日2005年4月6日 申请日期2004年11月15日 优先权日2004年11月15日
发明者郭少云, 陆昶, 余小峰 申请人:四川大学