CN112277235B - 一种超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法 - Google Patents

一种超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，该方法以较低的注射速度和注射压力将聚合物玻璃熔体注入表面分区控温的高温模具内，之后进行模内保温退火处理，显著地降低注射过程中熔体的剪切热和分子链的取向，保证熔体质量和低流动应力；同时，该方法在冷却定型阶段采用梯度式降温方法，防止传统的快速冷却导致制件的不同厚度区域出现收缩不均和较高的热应力。该方法既克服急冷急热注射成型方法中存在的内应力大、收缩不均和光畸变等难题，又解决传统热处理方法中去除内应力程度低、时间长等问题。本发明实现了超大尺寸聚合物玻璃的低应力、高光学、短周期和高效率成型制造，在超大尺寸、超大重量、厚壁等结构特点的透明产品制造中有不可取代的优势和广阔的应用前景。

Description

一种超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法
技术领域
本发明是一种超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，属于玻璃成型制造技术领域。
背景技术
超大尺寸聚合物玻璃的应用领域越来越广泛，从传统的汽车玻璃、普通火车玻璃，逐渐扩展到飞机、高速列车等先进运载系统的风挡玻璃，再到深海探测潜水器的超大厚度观察视窗玻璃等。注射成型技术能一次成型外形复杂、尺寸精确的制品，且成型过程自动化程度高，在聚合物玻璃成型加工中有着广泛应用，但多局限于中、小型尺寸的玻璃制件，如汽车玻璃、导光板、透镜等。常规注射成型技术制造超大尺寸、高表面质量、高光学的厚壁聚合物零部件时，由于材料熔体与成型模具存在很大的温度梯度，在产品成型中极易产生不均匀收缩、翘曲、流痕、真空泡等外观缺陷，同时会导致残余应力大和力学性能的各向异性等缺点，无法成型出高质量的制件。为了获得良好的表面质量和缩短成型周期，厚壁聚合物制件的成型方法多采用急冷急热的注射成型工艺。如专利CN 102029695 A公开了一种模具急冷急热高光成型工艺，通过160～170℃高温蒸汽和8～12℃的冰水之间快速切换，提高了产品外观质量，利用冰水快速降温缩短成型周期。专利CN 108068287 A公开了一种LED用PC材料成型厚壁件光导注塑工艺，采用低料温、高模温注射和低模温冷却工艺，避免制件发黄，提高透光率和产品质量。但此类专利方法中的急速冷却过程致使厚壁制件产生收缩不均和因此带来的热应力较为严重，导致此类透明产品在使用过程中，常常出现银纹甚至裂纹开裂问题，带来一定的安全隐患和巨大的经济损失。
为减小或消除注射成型制件的内应力，通常采用改进成型方法或后期退火处理。注射压缩成型和多次注射成型作为新型注射成型技术，在光学制件尤其是厚壁玻璃制件的成型制造中发挥了不可替代的作用。前者将压缩过程取代传统的保压过程，有效降低了产品的残余应力，后者依靠多层注射的熔体来释放掉之前预制型坯的部分应力，同样可达到降低产品的整体残余应力的效果。专利CN 01816518.4和EP 0144622进行了厚壁光学元件的注射压缩成型，在保证产品表面质量的同时极大地降低了残余应力。专利CN 107571465A和专利US 20140332991A1利用同质多次注射的方法，成功实现了低应力厚壁光学制件的制造。但此两种成型方法均难以降低熔体充填后快速冷却不均匀收缩形成的热应力，且此类专利对注射成型设备和成型模具要求较高，投入和维护成本较高。专利CN106832377A公开了一种聚碳酸酯光学球罩的制备方法，通过长时间热处理降低制件的内应力。大量的重复性试验表明，通过后期退火降低制件的内应力，即使延长退火时间，也仅能依靠分子链松弛减小一部分取向应力，对于热应力的去除效果有限，因为产品脱模冷却后，其分子链已彻底冻结，即使再次升温退火，也不能让分子链发生完全松弛。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，其目的是实现既能最大程度的降低制件的内应力，又能获得高光学性、高表面质量和高外形精度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所述超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法所针对的超大尺寸聚合物玻璃的壁厚为10～30mm，流长比为150∶1～300∶1，该方法包括以下步骤：
A、注射成型模具表面分区加热：
将注射成型模具表面按一定的厚度区间值划分区域，并实现对每个区域的模具表面的独立加热升温，每个区域的模具表面的加热温度均处于聚合物玻璃的玻璃化温度Tg到熔融温度范围内；
该项技术措施既能对成型制件的不同厚度区域进行针对性的温度控制，防止因厚度不同导致充填过程中熔体冷却快慢不同、出现流动受阻现象，又能对成型制件的功能需求不同区域进行温度调控，实现产品各区域功能目标化控制；
B、低速充填：
将塑化熔融的聚合物玻璃以聚合物玻璃总质量1/200～1/100每秒的注射速度一次性注入注射成型模具内；
在实施时，该项技术措施还配合较低注射压力，注射压力为5～20MPa，约为该聚合物玻璃采用常规注射成型时注射压力的1/10～1/5；
该项技术措施通过高模温低速、低压注射充填，有利于降低熔体充填时分子链的取向，模具温度高，可避免与模具壁接触的熔体快速冻结，分子链能够实现充分松弛，最大程度降低取向应力；同时，可以防止数十千克超大重量熔体一次性注射充填过程中出现剪切升温和降解黄化现象，保证了熔体的质量；
C、模内原位退火：
注入完成后，继续保持注射成型模具表面温度10～30min；
该项技术措施可让聚合物玻璃材料在模具型腔内一直处于高弹态，分子链进行充分的松弛解取向，进一步减小充填过程中形成的取向应力。同时，熔体进行缓慢均匀冷却，避免因冷却收缩不均形成较高的热应力，此步骤中短时间的模内退火即可达到甚至优于传统的成型后模外退火的效果，缩短产品制造周期，提高效率；
D、梯度式降温：
停止对模具表面的加热，以10～20℃的梯度冷却至玻璃化温度Tg，当温度低于玻璃化温度Tg后，以20～60℃的梯度冷却至玻璃化温度Tg以下20～80℃，以上冷却过程中，每冷却至一个温度台阶并在该温度下保持5～10min后，再进行下一个温度梯度的冷却，完成梯度式降温后，自然冷却定型，开模并取出所制备的超大尺寸聚合物玻璃制件。
该项技术措施的分多阶段梯度式降温可有效防止聚合物玻璃快速降温引起的收缩不均，大幅度的减少热应力形成，此步骤对制件内应力的减小和控制尤为重要。
在一种实施中，步骤A中所述的厚度区间值为4mm。
在一种实施中，所述的聚合物玻璃材料为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。
当聚合物玻璃材料为聚甲基丙烯酸甲酯时，步骤A中的每个区域的模具表面的加热温度为120～170℃。
当聚合物玻璃材料为聚苯乙烯时，步骤A中的每个区域的模具表面的加热温度为90～140℃。
注射成型模具内部加工有管路以联通冷却介质。
在一种实施中，步骤A中的加热升温方式为电加热丝、高温油、高温高压蒸汽或高温高压水。进一步优先为电加热丝的加热方式。
在一种实施中，注射成型模具内部加工有管路以联通冷却介质，并能够实现不同温度冷却介质的快速切换。
本发明具有的优点和有益效果：
1、利用注射成型技术，实现了超大尺寸、厚壁聚合物玻璃的成型制造，获得的聚合物玻璃不仅应力水平极低，而且分布均匀，其应力水平与浇注成型的板材水平相当。与浇注成型相比，本发明工艺流程简单、耗时短、成本低。
2、依据聚合物玻璃区域厚度或功能需求不同将对应的模具表面进行分区域划分，可以实现各区域模具表面温度的全过程动态调控，优化聚合物玻璃各区域的熔体流动状态、调节各区域熔体的冷却收缩速度，对制件各区域进行精准的形性控制。
3、以极低的注射速度和注射压力将聚合物玻璃熔体注射充满高温的模具型腔内，可显著地降低注射过程中聚合物玻璃分子链的取向，减小取向应力；同时，可以防止数十千克超大重量熔体一次性注射充填过程中出现剪切升温和降解黄化现象，保证了熔体的质量。
4、熔体在高模温型腔内原位退火和分梯度式缓慢冷却，使聚合物玻璃整体均匀收缩，大幅度地减少热应力的形成。短时间的模内退火即可达到甚至优于传统的成型后模外退火降低内应力的效果。
5、本发明制造的超大尺寸聚合物玻璃具有优异的光学性能、低应力和高表面质量等特点，透光率≥83.5％，雾度≤0.12％，光畸变≤1/15，双折射为100～180nm，无明显的气泡、真空泡、水波纹、流痕、黑点、发黄等缺陷。
6、本发明采用普通的注射成型机和模具即可实现聚合物玻璃的低应力成型制造，节省了脱模后制件长时间的热处理工序，提高效率；在超大尺寸、超大重量、厚壁等结构特点的透明产品制造中有不可取代的优势和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明成型工艺路线图
图2是本发明曲面制件模具表面分区示意图
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步阐述，其中实施例具有描述特性，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
以长×宽×厚＝2500×1200×20mm的超大尺寸、厚壁、等厚度聚甲基丙烯酸甲酯光学平板为例，具体的成型的步骤如下：
步骤一、模具表面分区加热：聚合物玻璃为等厚度平板，整个模具的型腔间隙相同，将整个模具表面划分为同一个区域，采用电加热丝的方式对整个模具表面进行升温，模具表面的温度加热至150℃左右，高于聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化温度；(附图1中步骤A)
步骤二、低速、低压充填：将245℃下塑化熔融的聚甲基丙烯酸甲酯熔体以每秒1/150注射量的注射速度和15MPa；(附图1中步骤B)
步骤三、模内原位退火：保持模具表面温度150℃左右不变，让聚甲基丙烯酸甲酯在模具内保温10min；(附图1中步骤C)
步骤四、梯度式降温：停止模具表面电加热丝加热，分梯度进行聚甲基丙烯酸甲酯慢速降温。打开模具上安装的快速切换阀，向模具管路内通入温度为130℃左右的高温高压水，待模具温度降至130℃左右且稳定后(附图1中步骤D的第一梯度降温)；旋转模具上的快速切换阀，向模具管路内通入温度为110℃的高温高压水，待模具温度降至110℃左右且稳定后(附图1中步骤D的第N梯度降温)；再旋转模具上的快速切换阀，向模具管路内通入温度为80℃的高温水，待模具温度降至80℃左右且稳定后，再维持5min(附图1中步骤D的第N+1梯度降温)，使模具内聚甲基丙烯酸甲酯平板充分冷却定型，开模取出制件。
实施例2
以厚14～30mm、表面积为1m2左右的超大尺寸、变厚度聚碳酸酯曲面光学制件为例，具体的成型的步骤如下：
步骤一、模具表面分区加热：聚合物玻璃为14～30mm变厚度平板，整个模具的型腔间隙不同，将整个模具表面划分为4个区域(附图2)，Ⅰ区为14～18mm，Ⅱ区为18～22mm，Ⅲ区为22～26mm，Ⅳ区为26～30mm。采用电加热丝的方式对4个区域的模具表面进行独立加热升温，Ⅰ区模具表面的温度加热至160℃，Ⅱ区模具表面的温度加热至170℃，Ⅲ区模具表面的温度加热至180℃，Ⅳ区模具表面的温度加热至190℃，高于聚碳酸酯的玻璃化温度；(附图1中步骤A)
步骤二、低速、低压充填：将290℃下塑化熔融的聚碳酸酯熔体以每秒1/100注射量的注射速度和10MPa的注射压力一次性注入已加热升温的成型模具内；(附图1中步骤B)
步骤三、模内原位退火：保持各区域模具表面温度160～190℃不变，让聚碳酸酯在模具内保温30min；(附图1中步骤C)
步骤四、梯度式降温：停止模具表面电加热丝加热，分梯度进行聚碳酸酯慢速降温。打开模具上安装的快速切换阀，向Ⅰ区模具管路内通入温度为150℃的高温油，向Ⅱ区模具管路内通入温度为160℃的高温油，向Ⅲ区模具管路内通入温度为170℃的高温油，向Ⅳ区模具管路内通入温度为170℃的高温油，待各区域模具温度降至目标温度且稳定后(附图1中步骤D的第一梯度降温)；旋转模具上的快速切换阀，向Ⅰ区和Ⅱ区模具管路内通入温度为140℃的高温油，向Ⅲ区和Ⅳ区模具管路内通入温度为150℃的高温油，待各区域模具温度降至目标温度且稳定后(附图1中步骤D的第二梯度降温)；旋转模具上的快速切换阀，向Ⅰ区和Ⅱ区模具管路内通入温度为120℃的高温油，向Ⅲ区和Ⅳ区模具管路内通入温度为130℃的高温油，待各区域模具温度降至目标温度且稳定后(附图1中步骤D的第N梯度降温)；再旋转模具上的快速切换阀，向Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区模具管路内通入温度为100℃的高温油，待各区域模具温度降至目标温度且稳定后(附图1中步骤D的第N+1梯度降温)，再维持6min，使模具内聚碳酸酯曲面制件充分冷却定型，开模取出制件。
对本发明上述实施例制造的超大尺寸聚甲基丙烯酸甲酯光学平板和聚碳酸酯曲面制件进行尺寸、光学、内应力、外观检测，结果如下：
Figure BDA0002689142430000071
从表中可以看出，采用本发明的一种超大尺寸聚合物玻璃成型制造方法，能够获得外观质量优异、光学性能优良、厚度收缩均匀的光学平板或曲面制件，本发明采用普通的注射成型机和模具即可实现超大尺寸厚壁光学制件的低应力成型制造，制造的光学平板和曲面制件的应力水平低且应力分布均匀，同时缩短制件热处理时间，提高效率；尤其是在超大尺寸、超大重量、厚壁等结构特点的透明产品制造中有不可取代的优势和广阔的应用前景。

Claims (8)

1.一种超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，其特征在于：该方法所针对的超大尺寸聚合物玻璃的壁厚为10～30mm，流长比为150∶1～300∶1，该方法包括以下步骤：
A、注射成型模具表面分区加热：
将注射成型模具表面按一定的厚度区间值划分区域，并实现对每个区域的模具表面的独立加热升温，每个区域的模具表面的加热温度均处于聚合物玻璃的玻璃化温度Tg到熔融温度范围内；
B、低速充填：
将塑化熔融的聚合物玻璃以聚合物玻璃总质量1/200～1/100每秒的注射速度一次性注入注射成型模具内，注射压力为5～20MPa；
C、模内原位退火：
注入完成后，继续保持注射成型模具表面温度10～30min；
D、梯度式降温：
停止对模具表面的加热，以10～20℃的梯度冷却至玻璃化温度Tg，当温度低于玻璃化温度Tg后，以20～60℃的梯度冷却至玻璃化温度Tg以下20～80℃，以上冷却过程中，每冷却至一个温度台阶并在该温度下保持5～10min后，再进行下一个温度梯度的冷却，完成梯度式降温后，自然冷却定型，开模并取出所制备的超大尺寸聚合物玻璃制件。
2.根据权利要求1所述的超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，其特征在于：步骤A中所述的厚度区间值为4mm。
3.根据权利要求1所述的超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，其特征在于：所述的聚合物玻璃材料为聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。
4.根据权利要求1所述的超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，其特征在于：步骤A中的加热升温方式为电加热丝、高温油、高温高压蒸汽或高温高压水。
5.根据权利要求1或3所述的超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，其特征在于：聚合物玻璃材料为聚碳酸酯时，步骤A中的每个区域的模具表面的加热温度为150～200℃。
6.根据权利要求1或3所述的超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，其特征在于：聚合物玻璃材料为聚甲基丙烯酸甲酯时，步骤A中的每个区域的模具表面的加热温度为120～170℃。
7.根据权利要求1或3所述的超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，其特征在于：聚合物玻璃材料为聚苯乙烯时，步骤A中的每个区域的模具表面的加热温度为90～140℃。
8.根据权利要求1所述的超大尺寸聚合物玻璃的注射成型方法，其特征在于：注射成型模具内部加工有管路以联通冷却介质，且模具安装有可快速切换不同温度冷却介质的机构。
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