水解料花
如何从源头控制气体的含量是解决料花问题的关键,这就关系到如何对相似外观的料花异常加以客观、可视化的区分和鉴定,为此国高材分析测试中心进行了相关研究,
试验材料
试验所用到的PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5均是自制的不同配方体系材料。
注塑料花形成机理
注射成型充填过程中产生的气泡(可能是水气、困气及分解气等)经熔体的前沿呈喷射流动,在流动过程中气泡由圆形被拉伸成椭圆形,并可能伴随翻卷现象,最后接触至模具的边壁;形成一连串在光照下闪闪烁烁的大大小小的泡点,被冷却固化的带有气泡的塑料定位在制品表面;白色线条状常称为银纹,白色团块状称之为料花。
结果讨论
3.1 二次元影像测量分析
利用二次元影像测量仪(下文简称为二次元)对PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5进行形貌分析;其通过二次元分析可得相应的形貌图,分别见图1和图2;
图1 PC-1、PC-2、PC-3料花的二次元形貌图
从图1可以看出三种改性PC制件表面均存在一些发亮的气泡点,部分气泡点存在交叉和部分破裂,推测是气体随着熔体向前流动,由圆形气泡逐渐被拉成椭圆状,以上过程与料花的形成机理的中气泡的形成过程的基本一致,初步实现了料花的形成机理的可视化验证。
另外从形貌图可以看出制件表面的气泡较为均匀的分布,说明气体是在熔体流动过程中均匀的被带到制件表面,可能是注塑加工过程中塑料成型阶段产生的水气导致的料花;水气的来源可能是材料未充分烘干或者是加工环境湿度较大,材料发生重新吸水导致;因此在改性PC材料加工过程中未避免因水气导致料花的产生需要充分干燥物料,且加工环境的湿度也需要进行把控。
图2.PC-4(上)、PC-5(下)料花的二次元形貌图
从图2的左图为PC-4的料花形貌图,由图可以看出表面呈现了多股熔体流动汇集的情况,且熔体中存在一些黑褐色物质和表面有发黄特征,可能是微弱的困气烧焦引起的;困气的原因可能来自一些与材料的配方体系不相容的杂质,因此在改性PC材料加工过程中需要对加工的螺杆和螺筒进行充分清机,减少杂质的残留;
从图2右图可知:PC-5的料花表面也存在典型的椭圆状气泡形貌,且和前三个制件的料花形貌相比,PC-5的料花中的气泡形貌排列杂乱,部分区域的出现多股熔体夹杂和气泡交汇的特征,形貌较为杂乱,且表面存在发黄的微弱碳化现象,可能是PC基材发生了分解;树脂发生分解的原因可能有3个方面,一方面可能是体系中本身使用了回收料,另外一方面可能是夹杂水分过多,导致PC树脂发生水解产生的降解,第三可能是配方中含有一些耐热性较差的组分,加工过程中发生分解,导致体系中小分子较多;因此改性PC材料因分解产生的料花需要充分评估真正的原因进行改善。
3.2 显微红外光谱仪分析
利用显微红外光谱仪中的显微镜对PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5进行形貌分析可得相应的形貌图,分别见图3和图4;
图3 PC-1、PC-2、PC-3料花的显微形貌图
从图3可以看出三种改性PC制件表面均存在一些椭圆形的气泡状形貌,且PC-1表面的气泡呈现彩色形貌;由于不同配方体系,料花的形貌也存在差异,但整体上与气体随着熔体流动至样品表面时,圆形气泡被拉长,与料花形成机理的模型中趋势相一致,说明显微红外光谱仪的显微形貌分析也可以较好的用于料花形成机理的可视化验证。根据图3中的形貌可以看出表面的料花较为平滑且分布较为均匀,与前面二次元分析的规律较为相似,可能是水气导致的料花;
图4 PC-4(上)、PC-5(中、下)料花的显微形貌图(注:左2为单镜头下料花形貌图,左3为6个镜头下料花的形貌拼接图)
从图4的上图可以看出表面的熔体中存在一些黑色点和灰色的点,可能熔体中夹杂异物,且表面也有发黄迹象,表面树脂基体存在微弱碳化现象,可能是困气导致;困气的原因可能是熔体前端的黑色杂质产生的;黑色杂质可能来自螺杆中的碳化物,也可能是原材料中夹杂的灰尘颗粒等;
图4的中、下为PC-5料花的单镜头下的显微形貌图和多镜头下的料花形貌拼接图,从两个图中可知:表面的熔体流动呈现多向且表面平整性较差;尤其从形貌拼接图中可以看出PC-5料花的形貌存在熔体表面形貌粗细不均现象,可能与基体分解有关;且熔体由于分解形成的气体影响了熔体的正常流动,而出现多股熔体交叉的层叠状椭圆形的料花气泡形貌,此料花形貌图也可以间接的证明料花的形成过程。
3.3 SEM-EDS分析
利用SEM-EDS对PC-1、PC-2、PC-3及PC-4和PC-5正常区域和料花位置进行元素分析,其中PC-1PC-2、PC-3和PC-5元素对比分析结果见表1,从表1数据可以看出这4个配方体系料花位置和正常位置的元素比例差别较小;
表1. 4个改性PC制件表面元素能谱分析结果
表2分别为料花位置和正常位置的能谱分析数据,通过能谱分析可得到料花位置和正常位置的元素的分析结果;从料花位置的元素组成来看,相对正常位置的成分主要是C、O、Al、Si四个元素来说,料花处多出了Na、K、Ca、Cl元素,可能是在注塑成型过程中,注塑机未清机干净或者残存其他杂质;由于PC熔体粘度较大,将杂质带出,而杂质与熔体相容性较差,夹杂的气体形成料花,夹杂的气体导致局部熔体温度过高,导致部分PC组分出现烧焦碳化现象(pc树脂分解产生小分子物质,严重情况下形成碳化物导致颜色变深),可能会进一步造成体系中气体增多,进而随着熔体流动,翻卷至制件表面形成料花现象。
表2 PC-4料花位置和正常位置表面元素能谱分析结果(%)
总结分析
通过对于5种不同配方体系的改性PC材料产生的料花形貌图与料花的原因进行对比分析,可以发现明显的规律,PC-1、PC-2、PC-3料花二次元、显微镜形貌图均出现了规律性分布的椭圆形气泡形貌,且深度较浅,与水气形成的料花过程相近;PC-4的料花二次元、显微镜形貌图中均可以看出黑色点及熔体的前端存在杂质,且表面发黄的特征说明树脂存在困气的烧焦现象,说明该类型料花为困气导致;PC-5的料花二次元、显微镜形貌图均出现多股熔体夹杂和气泡交汇的特征,形貌较为杂乱,部分熔体粗细不均,且表面存在发黄的微弱碳化现象,部分熔体藕断丝连”痕迹,与PC树脂分解的料花形成过程相一致,可以根据是上述形貌判断此类料花是由分解导致;通过以上分析将规律总结见下表3:
表3不同料花产生原因与形貌特征的关系
根据上表总结的规律,可以较好的实现改性PC材料中不同原因产生料花种类的鉴别。