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PET注拉吹制品壁厚分布的研究
來源: | 作者:fcxzz8 | 發(fā)布時(shí)間: 2014-10-21 | 286 次瀏覽 | 分享到:

注射拉伸吹塑是一類在聚合物的高彈態(tài)下通過機(jī)械方法軸向拉伸型坯、用壓縮空氣徑向拉伸型坯以成型中空容器的方法。注射拉伸吹塑可分成一步法與兩步法。在兩步法中先采用注射法成型型坯,并使之冷卻至室溫,成為半成品,然后把型坯送入再加熱拉伸吹塑機(jī)械中,成型為制品。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)材料在高彈態(tài)下經(jīng)拉伸取向后,材料的機(jī)械性能、阻滲性能、透明性與耐溶劑性得到很大提高,在注拉吹工藝中PET材料是使用量最大的材料。前人對(duì)PET注拉吹拉伸吹脹過程的研究主要側(cè)重在模擬方面,但是模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異。本文主要通過實(shí)驗(yàn)研究?jī)刹椒≒ET注射拉伸吹塑中二次吹脹壓力、拉伸桿速度以及吹脹延遲時(shí)間對(duì)PET制品壁厚的影響,分析由于吹脹延遲時(shí)間的改變而形成不同型坯輪廓發(fā)展模式的原因。
 
1 實(shí)驗(yàn)部分
 
1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
    兩步法標(biāo)準(zhǔn)型拉伸吹塑機(jī):WL-A03系列;
    紅外測(cè)溫儀:ST6L,美國(guó)Raytek公司;
    高溫電子拉力機(jī):美國(guó)德寶公司。
 
1.2 型坯與制品
    型坯質(zhì)量35g,長(zhǎng)140 mm,頸部及底部的厚度分別為2118mm和2170mm。型坯所用的材料為遠(yuǎn)紡工業(yè)(上海)公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)PET(CB-602),特性粘度為(0.80±0.02)dL/ g,單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的PET材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖1。制品為一680mL長(zhǎng)頸瓶子。型坯與瓶子的幾何尺寸參見圖2。


                             圖1  PET單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(拉伸速率12.5 mm/s)

                                         圖2  型坯和制品的幾何尺寸
1.3 實(shí)驗(yàn)方法
    型坯首先在遠(yuǎn)紅外旋轉(zhuǎn)式加熱裝置中被加熱至高彈態(tài),使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量型坯軸向溫度分布,然后將加熱后的型坯放入模具進(jìn)行拉伸吹脹。分兩步施加吹脹壓力,首先施加0.8MPa的氣壓(p1),低壓氣體的作用時(shí)間約為0.1s,這一步驟稱為一次吹脹;然后施加高壓氣體(p2) 將型坯徹底吹脹并定型,該步稱為二次吹脹。從拉伸桿動(dòng)作至施加一次吹脹的這一段時(shí)間稱為吹脹延遲時(shí)間(t0)。在實(shí)驗(yàn)過程中改變的加工參數(shù)為:二次吹脹壓力,拉伸桿速度及吹脹延遲時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中采用的工藝參數(shù)可參見表1,使用精度為0.01mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量瓶子的壁厚。
表1  拉伸吹塑的工藝參數(shù)
工藝參數(shù) 數(shù)據(jù)
拉伸延遲時(shí)間/s
吹脹延遲時(shí)間(t0)/ s
一次吹脹壓力(p1)/Mpa
二次吹脹壓力(p2)/Mpa
一次吹脹時(shí)間/s
二次吹脹時(shí)間/s
延遲開模時(shí)間/s
拉伸桿速度(V)(空載)/ m·s - 1 0
0.3,0.4,0.5,0.6,0.7
0.8
1.3,1.5,1.7,1.9
0.1
5.5
5.5
0.6,0.85,1.15,1.35


表1  拉伸吹塑的工藝參數(shù)


工藝參數(shù)
數(shù)據(jù)
拉伸延遲時(shí)間/s
吹脹延遲時(shí)間(t0)/ s
一次吹脹壓力(p1)/Mpa
二次吹脹壓力(p2)/Mpa
一次吹脹時(shí)間/s
二次吹脹時(shí)間/s
延遲開模時(shí)間/s
拉伸桿速度(V)(空載)/ m·s - 1
0
0.3,0.4,0.5,0.6,0.7
0.8
1.3,1.5,1.7,1.9
0.1
5.5
5.5
0.6,0.85,1.15,1.35

                               
2 結(jié)果與討論
 
2.1 二次吹脹壓力對(duì)軸向壁厚分布的影響
    圖3 給出了不同p2下瓶子軸向壁厚的分布(未包括瓶底壁厚)。從圖3可看出:不同p2下成型的瓶子其軸向壁厚分布大體相當(dāng),二次吹脹壓力的變化并沒有造成軸向壁厚分布的明顯變化。各條曲線的趨勢(shì)相同,在瓶頸及肩部由于吹脹比較小,壁厚較大;在瓶身部分壁厚相對(duì)較小,接近瓶底部分壁厚略微增加?!?



                 圖3  不同p2下拉伸吹塑的瓶子的軸向壁厚分布(t0= 0.4s,V = 085m/ s)

2.2 拉伸桿速度對(duì)軸向壁厚分布的影響


                  圖4  不同拉伸桿速度下拉伸吹塑的瓶子的軸向壁厚分布(t0= 0.4s,p2= 1.7MPa)

    圖4給出了不同拉伸桿速度下瓶子的軸向壁厚分布(未包括瓶底壁厚)。拉伸桿速度的測(cè)定是在模具未放置型坯,拉伸桿直接觸及模具底部的情況下進(jìn)行的。從圖4可看出:拉伸桿速度的變化對(duì)瓶子軸向壁厚的分布有較大的影響。拉伸桿速度為0.6 m/s時(shí),當(dāng)型坯軸向拉伸比較小時(shí)開始吹脹,結(jié)果造成瓶頸及肩部部分壁厚較大,而接近瓶底的部分很??;當(dāng)拉伸桿速度增至0.85 m/s 時(shí),軸向的壁厚分布獲得較大改善,瓶頸厚度明顯減小,瓶身部分的厚度分布較為均勻,接近瓶底部分的壁厚比瓶身壁厚略為增加;當(dāng)拉伸桿速度繼續(xù)增加至1.15m/s時(shí),由于拉伸桿速度的增加,在吹脹之前型坯被軸向拉伸至較長(zhǎng)的長(zhǎng)度,瓶頸與瓶肩對(duì)應(yīng)型坯部分在吹脹前的壁厚減小,接近瓶底部分相對(duì)而言獲得更多的材料,結(jié)果造成瓶頸及瓶肩部分的壁厚進(jìn)一步減小, 而接近瓶底部分的壁厚增加;拉伸桿速度為1.35m/s時(shí)的壁厚分布曲線與拉伸桿速度為1.15m/s時(shí)的壁厚分布曲線基本重合。
2.3 吹脹延遲時(shí)間對(duì)軸向壁厚分布的影響


           圖5  不同吹脹延遲時(shí)間下拉伸吹塑的瓶子的軸向壁厚分布(p2= 1.7 MPa,V = 0.85 m/s)

  通過調(diào)整吹脹延遲時(shí)間t0 可獲得不同的拉伸吹脹時(shí)序。t0對(duì)于型坯輪廓的變化模式而言是一個(gè)起決定性作用的因素。關(guān)于型坯輪廓變化模式的詳細(xì)討論可參見文獻(xiàn)[6]。這里僅作簡(jiǎn)要介紹;當(dāng)T0=0.4s時(shí),拉伸桿尚未接觸模具底部時(shí)即施加吹脹氣體,這意味著存在一段時(shí)間,在該時(shí)間段內(nèi)型坯受到吹脹氣體和拉伸桿的共同作用,該種情況下的成型模式為模式1;t0=0.5s時(shí), 型坯輪廓的發(fā)展模式為模式2,在該種模式下,p1在型坯被拉伸接近模具底部時(shí)進(jìn)入型坯,當(dāng)拉伸桿接觸模具底部后,吹脹過程仍在繼續(xù)直至制品成型;t0增至0.6s時(shí)可觀察到模式3,即位于瓶肩的型坯部分首先被吹脹形成動(dòng)脈瘤狀球形,該膨脹部分在氣體壓力的作用下向上下兩端發(fā)展,最后成型瓶子,當(dāng)t0繼續(xù)增至0.7s時(shí),型坯的輪廓按照模式4發(fā)展,在拉伸結(jié)束到開始吹脹之間存在一段時(shí)間間隔,在模式4下成型制品的頸部材料會(huì)形成疊合。圖5給出了不同吹脹延遲時(shí)間下瓶子軸向壁厚的分布(未包括瓶底壁厚)。當(dāng)吹脹延遲時(shí)間由0.3s增至0.5s時(shí),瓶頸及瓶肩的厚度大幅減小,瓶身的壁厚變化較小,而接近瓶底部分壁厚增加;吹脹延遲時(shí)間在0.5、0.6、0.7s下成型的瓶子的軸向壁厚分布曲線的趨勢(shì)基本相同,但由于型坯輪廓發(fā)展模式的不同,造成了瓶頸與接近瓶底部分的壁厚有所不同。在模式3下成型的瓶子的軸向壁厚整體上略大于在模式2和模式4下成型的瓶子。在瓶頸和靠近瓶底部分厚度差異較為明顯,瓶身部分厚度差異較小。
 
2.4 不同型坯輪廓發(fā)展模式成因分析


                                        圖6  型坯受力示意圖

                             圖7  型坯拉伸至型坯底部未施加吹脹壓力時(shí)的外形輪廓

    圖6給出了一段長(zhǎng)為l的型坯橫向截環(huán)受力示意圖。型坯在軸向受拉伸桿作用,拉力為F;在徑向受吹脹壓力p作用,在吹脹中假定p大小不變。當(dāng)拉伸桿與吹脹壓力共同作用于型坯時(shí),型坯軸向受力為F + pπRm2(Rm為型坯內(nèi)徑最大值),軸向與徑向所受應(yīng)力公式如下:


    式中,R 為型坯內(nèi)徑;δ為型坯壁厚;σl 和σH分別為型坯所受的軸向和徑向應(yīng)力。為了討論方便,定義:


  由圖2可看出,型坯各部分所設(shè)計(jì)的初始厚度和內(nèi)徑在軸向方向是變化的,從支撐環(huán)至型坯底部型坯壁厚開始變化較大,然后變化較?。欢鴥?nèi)徑值是緩慢減小的。故在型坯軸向方向μ值是不同的。這將導(dǎo)致吹脹前由于拉伸桿作用在型坯各部分產(chǎn)生的應(yīng)力大小不同,型坯各部分的應(yīng)變不同。參見圖2可發(fā)現(xiàn),在靠近型坯支撐環(huán)部有一段壁厚為2.17mm的區(qū)域,通過計(jì)算,μ值為型坯長(zhǎng)度上的最小值,約51.69。雖然該處的溫度相對(duì)較低(參見圖9),但在拉伸桿的作用下的應(yīng)變大于型坯其余部分。這將導(dǎo)致該區(qū)域厚度的急劇減小,但內(nèi)徑值并未減小很多;所以該區(qū)域的ν值比型坯其它部分大。根據(jù)公式2,對(duì)應(yīng)的徑向應(yīng)力也大。
 
  在型坯輪廓發(fā)展模式1和2下,即延遲吹脹時(shí)間t0為0.4s或0.5s時(shí),由于t0較小,型坯接近支撐環(huán)部分的溫度下降很小,但所受的徑向應(yīng)力很大,所以在吹脹壓力作用下型坯頸部首先被吹脹, 形成輪廓發(fā)展模式1和2。在型坯輪廓發(fā)展模式3下,當(dāng)型坯被拉伸至模具底部時(shí)施加吹脹壓力。圖7a給出了型坯被拉伸至模具底部未施加吹脹壓力時(shí)的輪廓,圖7b為圖7a的軸向剖面圖。型坯內(nèi)徑最小的部分用C表示,與C 相鄰的部分分別用A、B表示。從圖7可以看到,A 和C的軸向拉伸比較大。圖8給出了圖7型坯的厚度、內(nèi)徑以及ν值的軸向分布。從圖8可以看到,C 區(qū)域的內(nèi)徑值已經(jīng)等于拉伸桿的半徑值5196 mm。這意味著C區(qū)域已經(jīng)與拉伸桿相接觸。拉伸前在型坯外表面上劃線,拉伸后測(cè)量對(duì)應(yīng)劃線的長(zhǎng)度可計(jì)算出各部分的拉伸比。結(jié)果顯示,A 區(qū)域的拉伸比為318。根據(jù)圖1顯示:本實(shí)驗(yàn)所用的PET料在85~95 ℃溫度范圍, 當(dāng)拉伸比為4.1~5.2時(shí)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象。由于在單軸拉伸試驗(yàn)中所施加的拉伸速率(0.0125m/s)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于拉伸吹脹實(shí)驗(yàn)的拉伸速率(0.8m/s),PET材料的應(yīng)變硬化所對(duì)應(yīng)的拉伸比隨拉伸速率的增大而減小[7];所以可以認(rèn)為,A區(qū)域已經(jīng)應(yīng)變硬化。這導(dǎo)致A區(qū)域雖然受到較大的徑向應(yīng)力作用,但在吹脹壓力的作用下的膨脹速度仍然較小。B區(qū)域的拉伸比僅為1.6,這意味著沒有出現(xiàn)應(yīng)變硬化;而且B區(qū)域的溫度比A區(qū)域高,所以在施加吹脹壓力后B區(qū)域首先脹大,型坯輪廓的發(fā)展模式為模式3。在模式4下,即吹脹延遲時(shí)間為0.7s時(shí),B區(qū)域的脹大行為與模式3類似。但模式3與4的情況有所不同,隨著延遲吹脹時(shí)間的增加,C區(qū)域與拉伸桿接觸,由于拉伸桿的熱傳導(dǎo)率高,導(dǎo)致該區(qū)域的溫度下降較大,即C區(qū)材料變硬,結(jié)果造成在拉伸桿與C區(qū)的氣體通道變窄,使A區(qū)的氣體壓力增加。根據(jù)公式2,ν值與氣體拉力較大將造成該區(qū)承受較大的徑向應(yīng)力。在施加吹脹壓力后該部分也脹大,但由于應(yīng)變硬化,A區(qū)的脹大速度較小。
 
    從以上分析可知:在注射拉伸吹塑工藝中,吹脹延遲時(shí)間對(duì)于型坯的輪廓發(fā)展是一個(gè)至關(guān)重要的因素。型坯輪廓的發(fā)展模式不但與型坯的幾何尺寸有關(guān),而且與型坯的軸向、徑向應(yīng)力以及溫度分布緊密聯(lián)系。


                                    圖8  圖7 試樣的厚度、內(nèi)徑及ν

                                     圖9  再加熱型坯外表面軸向溫度分布

3  結(jié)論
    通過注射拉伸吹塑實(shí)驗(yàn)分析了二次吹脹壓力、拉伸桿速度以及吹脹延遲時(shí)間對(duì)瓶子壁厚的影響。吹脹壓力的改變對(duì)制品軸向壁厚分布改變不大,拉伸桿速度與吹脹延遲時(shí)間的變化對(duì)瓶子軸向壁厚分布有重要影響。吹脹延遲時(shí)間的變化會(huì)造成型坯輪廓發(fā)展模式的改變,形成不同型坯輪廓發(fā)展模式。在文中提出了僅與型坯厚度與內(nèi)徑相關(guān)的兩個(gè)參數(shù):μ和ν,在拉伸吹脹過程中μ和ν不斷變化,導(dǎo)致了軸向與徑向應(yīng)力的變化,結(jié)合型坯的幾何尺寸,溫度分布以及材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為,分析形成不同型坯輪廓發(fā)展模式的原因,在文中提出的分析方法有助于優(yōu)化型坯設(shè)計(jì)以及加工參數(shù)。





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