玻纖增強(qiáng)聚丙烯建筑模板的注射成型

　　用塑料建筑模板替代木材或鋼材模板，是鋼筋混凝土澆灌工程的發(fā)展趨勢。但是，由于建筑模板的用量很大，因此在選擇塑料材料時，就要充分考慮成本和回收等問題。一般，使用強(qiáng)度、剛性均較好的工程塑料會導(dǎo)致成本的提高，而使用熱固性塑料則難以解決使用后廢棄模板的回收利用問題。相比之下，玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料則是一種較好的替代材料，它同時滿足了低成本和可回收這兩方面的要求。 

　　前些年，國外曾經(jīng)出現(xiàn)過采用GMT片材熱壓成型建筑模板的案例，它是借鑒了汽車行業(yè)中生產(chǎn)座椅板和腳踏板的制造技術(shù)。在該應(yīng)用中，使用了以聚丙烯（PP）為基材的連續(xù)玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性塑料，并在流水線中生產(chǎn)出玻纖增強(qiáng)PP片材。首先，用雙螺桿擠出機(jī)擠塑成型片材的中央層，然后在此基礎(chǔ)上鋪上兩層PP薄膜，中間夾鋪兩層玻纖氈，接著在加熱溫度下滾壓成片材。GMT片材到達(dá)制品生產(chǎn)企業(yè)后，對其進(jìn)行裁剪并重新加熱軟化，最終在模腔內(nèi)壓制成型。在國內(nèi)，也已出現(xiàn)過批量生產(chǎn)的玻纖增強(qiáng)PP建筑模板，但是，如何處理大量報廢后的塑料模板卻是一件令人頭痛的事情。這是因?yàn)?，擠出級的PP基材是一種高黏度的塑料，而連續(xù)玻璃纖維氈中的玻纖長徑比過長，從而導(dǎo)致報廢模板被粉碎后，不適合被重新利用于注射成型。

　　為此，新的趨勢是采用短玻纖增強(qiáng)PP材料來替代連續(xù)玻璃纖維氈增強(qiáng)PP材料，并采用注射成型的方式生產(chǎn)建筑模板。然而，這種工藝方法遇到的難題是如何解決好熔體的充模以及模板的翹曲變形。在此，模具的設(shè)計(jì)顯得非常重要，其中最為關(guān)鍵的是熱流道的合理布局及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文所介紹的是上?？死蕦幖夹g(shù)設(shè)備有限公司在為某客戶設(shè)計(jì)并制造建筑模板用的注射模具方面積累的經(jīng)驗(yàn)，其中重點(diǎn)介紹的是利用Moldflow軟件進(jìn)行模擬分析，最終確定合理的流道布局的分析設(shè)計(jì)過程。 

　　根據(jù)客戶的要求，用于澆灌混凝土的建筑模板有幾十種規(guī)格大小，上海克朗寧技術(shù)設(shè)備有限公司為其提供了其中10種規(guī)格生產(chǎn)用的10副注射模具，現(xiàn)以其中的兩副注射模為例進(jìn)行介紹。 

　　如圖1和圖2所示，兩種建筑模板的重量分別為1 510g和3 656g，它們的尺寸規(guī)格分別為：300mm×600mm和300mm×1 500mm。同時，兩板的面板壁厚均為4mm，側(cè)板厚均為4.2mm，縱隔板厚均為3.2mm，橫隔板厚均為2.5mm，邊角筋均為2.5～3mm?？蛻粢蟛捎靡粤Ａ瞎?yīng)的國產(chǎn)短玻纖增強(qiáng)注射材料，其中短玻纖含量為30%，熔體的流動速率MFR為3.2g/10min。

圖1 300mm×600mm玻纖增強(qiáng)PP模板(反面)

圖2 300mm×1500mm玻纖增強(qiáng)PP模板(正面)

通常，對于大面積、大注射量的注塑件，高黏度的塑料熔體的流程是有限的。同時，在注射充模的過程中，短玻纖還有明顯的取向問題，這會導(dǎo)致產(chǎn)品在冷卻固化后出現(xiàn)嚴(yán)重的翹曲變形。因此，有必要利用Moldflow分析軟件，對材料的流動充模過程和產(chǎn)品的翹曲變形進(jìn)行模擬和預(yù)測，以對模腔結(jié)構(gòu)和熱流道的分布進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。

在利用Moldflow軟件進(jìn)行分析時，由于該材料的供應(yīng)商不能提供流變曲線等性能數(shù)據(jù)，因此只能依據(jù)他們提供的材料性能（見表），在Moldflow軟件的材料數(shù)據(jù)庫中，參考性能相近的國外材料牌號。在對塑料熔體充模和模板的翹曲分析中，調(diào)用了Hos facom G3 No1的性能數(shù)據(jù)。

為了確保熔體的順利流動和充模，首先需要確定熱流道的噴嘴數(shù)目。Moldflow分析表明，如果采用中等黏度的熔料，對于300mm×600mm的模板而言，需要使用雙噴嘴。如圖3所示，熔體取向分析表明，兩股料流的前鋒在模板中央的短纖維排列方向一致，從而形成了如圖4所示的熔合縫。由于模板采用了縱橫正方形的隔板結(jié)構(gòu)，使得塑料熔體在隔板間隙中被引流。在模板中央，塑料分子鏈和玻璃纖維被橫向取向，而在熔合縫區(qū)的材料強(qiáng)度只是非縫區(qū)的0.6～0.7。因此，當(dāng)模板發(fā)生翹曲變形時，中央的彎曲撓度最大，從而導(dǎo)致了由長邊的兩側(cè)壁而引起的模板中央開裂。

圖3 對于300mm×600mm的玻纖增強(qiáng)PP模板，采用雙噴嘴時，熔體在合縫區(qū)的取向

圖4 對于300mm×600mm的玻纖增強(qiáng)PP模板，采用雙噴嘴時的熔合縫位置

在Moldflow分析軟件的引導(dǎo)下，還掌握了短玻纖高黏度熔體的流程比，以及熔合縫的位置和走向。為此，對于300mm×600mm的模板成型而言，將原來的兩噴嘴改為采用3個噴嘴，其中增加的中央噴嘴所發(fā)揮的作用是：縮短了每個噴嘴的注射流程，改變了熔合縫的分布。這樣，不僅使熔合縫的位置發(fā)生了偏移，而且熔合縫還變短了。由此，使得模板的翹曲變形明顯減?。ㄈ鐖D5所示），并避免了模板的開裂。

圖5 對于300mm×600mm的玻纖增強(qiáng)PP模板，采用3噴嘴時的熔合縫位置

在此經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對于300mm×1 500mm模板的成型，使用了9個熱流道噴嘴。需要強(qiáng)調(diào)的是，該模板成型的關(guān)鍵是要保證模板四角和側(cè)壁的熔體流程。如圖6所示，熔體從噴嘴位置被逐次推進(jìn)，全部充滿型腔需要2.69s。當(dāng)充模時間為2.466s時，料流從板平面和側(cè)壁充填到四角。模板注射成型后，被放在機(jī)床的工作臺上，實(shí)際測量的平面彎曲變形量達(dá)23.2mm。對此，利用Moldflow分析軟件進(jìn)行了流動-翹曲分析。翹曲模擬的最大變形撓度為21.667mm，相對于實(shí)測的誤差在8%以內(nèi)。之后又做了流動-冷卻-收縮-翹曲分析，以改善模擬注射的工藝條件。如圖7所示，平面彎曲變形量即y方向?yàn)?3.373mm，理想條件下的翹曲變形更小。

圖6 300mm×1 500mm玻纖增強(qiáng)PP模板的熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

300mm×1 500mm玻纖增強(qiáng)PP模板的翹曲變形量

經(jīng)過上述的Moldflow彎曲變形分析，最終成功地設(shè)計(jì)出了5副模板注射模具的熱流道系統(tǒng)。在此過程中，還根據(jù)翹曲變形曲線將平面分型面改制成曲面分型。對于矩形平面長寬比等于1/3的模板（如600mm×1 800mm的模板），其注塑模采用的是有兩個方向彎曲的雙曲面分型。相應(yīng)的，熱流道噴嘴的長度則按曲面的高度進(jìn)行調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，采用反向注射彎曲模板的方法，成型了平面模板，基本滿足了客戶對模板的質(zhì)量要求。

通過對整個項(xiàng)目進(jìn)行全面的分析總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，此類模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理是造成模板彎曲翹曲的主要原因。例如，在模板的中性平面上，上下材料的分布很不對稱。同時，模板的壁厚相對于熔體的長流程的比例也顯得不夠合理。實(shí)際上，大尺寸的模板壁厚應(yīng)比小模板厚些為益。在加強(qiáng)筋的布排方面，還需要考慮引流問題，以改善熔合縫的走向、長度和位置。

總之，對于像圖1和圖2所示的這種結(jié)構(gòu)的注塑模板，它們脫模后的翹曲變形量均很大。此次經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)表明，今后在設(shè)計(jì)建筑模板結(jié)構(gòu)時，首先需要利用Moldflow軟件分析翹曲變形，不斷對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，以使翹曲變形最小化，在此基礎(chǔ)上才能設(shè)計(jì)、制造注射模具。而上文所述的反向注射成型的建筑模板，精度不高。在長期使用中，這種將翹曲回復(fù)成平面的模板，尺寸穩(wěn)定性也較差。