使滚塑应用中的收缩和翘曲最小化的方法

摘要

本发明公开了对滚塑应用中发生的三维收缩和翘曲进行测绘和控制的方法。

说明书

本发明公开了用于对滚塑应用中发生的三维变形进行预测并由此对其进行控制的方法。

滚塑通常用于需要复杂且精确的几何结构的应用中。因此希望将收缩和翘曲最大程度地减小或者至少知道其最有可能在哪里发生以及如何发生。

通常使用二维方法来研究翘曲和收缩。

翘曲以所研究的平面水平面和固定标记之间的垂直距离来度量。如果所研究的表面具有复杂的形状，这当然不是精确的。

收缩是通过将已知尺寸的格栅插入模制部件中测量的，但是由于格栅部分地阻碍了收缩过程或者至少与收缩过程相互作用，因此这样的测量也是不精确的。

最后但是并非最不重要的是，在二维体系中测量的变形远小于所得三维变形。

附图说明

图1表示在多层模制部件的几个部分中温度(单位：℃)随时间(单位：分钟)的变化。

图2是翘曲发展的示意图。

图3表示模具中滚塑部件的设置。

图4表示7.5 L滚塑瓶的收缩的三维绘图，所述收缩通过滚塑部件和模具之间的间距而度量，其中已经进行了设置以减小模具和模制部件之间的距离平均值。

图5表示对于树脂R1～R8而言的相对于模具容积的总体变形，单位为％。

图6表示随树脂类型和峰值内部空气温度而变化的球晶尺寸(单位：μm)。

图7表示对于不同树脂、对于不同壁厚和对于不同烘箱温度，滚塑部件的体积增加(单位：升)。

图8表示具有4.5mm壁厚的10L瓶使用200,000个测量点测得的外表面尺寸在浸泡前后的变化。外表面尺寸的变化的单位为mm。

已经在贝尔法斯特皇后大学广泛地研究了翘曲和收缩。

在固态下，聚合物例如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚偏二氟乙烯特征在于包括无序的无定形区域和高度有序的结晶区域的半结晶结构。由于固态中有序程度比液态中高，因此当聚合物从液态转为固态时其密度增加。

结晶度水平由聚合物的化学结构所决定并且因此由其制备方法所决定。例如，已经观察到使用双-四氢茚基催化剂体系制备的聚乙烯的球晶尺寸比使用齐格勒-纳塔催化剂体系制备的聚乙烯的球晶尺寸小。

在滚塑应用中发生的收缩和翘曲与材料的结晶度有关，而材料的结晶度自身又与其热历史有关。

观察到快速冷却与大量无规或无定形结构的存在、低的收缩和良好的冲击性有关，而缓慢冷却与呈现出显著收缩和差的冲击性的高结晶材料有关。

还观察到，滚塑模具内的热交换不是均匀的，如图1中所示。模具的各个部分中出现的冷却速率的差异在冷却着的固体内产生张力，从而导致如图2中所示的翘曲。

因此，滚塑部件中发生的变形是受到不同因素影响的各种效应的综合迭加。

如果无法对变形进行精确测量，则无法控制或减小变形的大小。

因此，需要开发精确测量滚塑部件中发生的三维变形的方法和了解造成所述变形的滚塑参数。

本发明的目的是开发测量滚塑制品的三维变形的方法。

本发明的目的还在于确定造成滚塑制品中观测到的变形的参数。

本发明的另一目的是开发使滚塑制品的变形最小化的方法。

本发明至少部分实现了这些目的中的任意一个。

因此，本发明公开了使滚塑部件的收缩和翘曲最小化的方法，其包括如下步骤：

a)通过光学数字化对滚塑部件的外表面进行三维分析；

b)通过Rx数字化对滚塑部件的外表面和内表面进行三维分析；

c)通过光学数字化对模具的内表面进行三维分析；

d)通过Rx数字化对模具的内表面和外表面进行三维分析；

e)将模制部件嵌置(key)到模具中；

f)逐点测绘出模具和模制部件之间的体积图；

g)使用不同树脂产生一组图；

h)使用不同的烘箱温度产生一组图；

i)使用不同的冷却速率产生一组图；

j)选择步骤g)和/或h)和/或i)中给出最佳平衡变形的参数。

Rx数字化是用于医学领域的计算机断层照相法(computed tomography)，其中断层照相法通过剖面进行成像。数字几何处理用于从环绕单一旋转轴所拍摄的大量二维X-射线图像产生物体内部的三维图像。这种方法主要用于医学中，但是也用于非破坏性材料测试。

可使用如下几种技术将模制部件嵌置到模具中：

-将模具的重心嵌置到模制部件的重心。

-将模制部件的固定点嵌置到模具。

-使模具和模制部件之间的距离的平均值最小化。

优选使用最后一种方法。典型的设置可参见图3。

滚塑部件和模具之间的间距的三维绘图可例如参见图4。

实施例

对若干用于制备滚塑制品的树脂进行测试。对于所有树脂而言，模具、烘箱温度和冷却速率是相同的。

树脂如下：

R1是由Total Petrochemicals以名称M3581 UV出售的茂金属制造的聚乙烯，其具有0.935g/cm³的密度和8dg/min的熔体流动指数MI2。密度根据标准测试ASTM 1505的方法在23℃的温度下测量，和熔体指数MI2根据标准测试ASTM D 1238的方法在190℃的温度和2.16kg的负载下测量。

R2是与红色颜料一起挤出的树脂R1。

R3是与白色颜料一起挤出的树脂R1。

R4是树脂R1和黑色颜料的干燥共混物。

R5是树脂R1和绿色颜料的干燥共混物。

R6是由Arkema以名称RDG232出售的聚酰胺。

R7是茂金属制造的无规的丙烯共聚物，其具有15dg/min的熔体指数和2重量％的乙烯含量。所述熔体指数根据标准测试ASTM D 1238的方法在2.16kg的负载和230℃的温度下测量。

R8是由Arkema以名称3200G出售的PVDF。

R9是由Total Petrochemicals以名称M4041 UV出售的茂金属制造的聚乙烯，并具有0.940g/cm³的密度和4dg/min的熔体流动指数MI2。

R10是使用齐格勒-纳塔催化剂体系制造的聚乙烯，其具有0.940g/cm³的密度和4dg/min的熔体流动指数MI2。

R11是由Borealis以名称RM8343出售的茂金属制造的聚乙烯，其具有0.934g/cm³的密度和6dg/min的熔体流动指数MI2。

作为收缩和翘曲的组合的总体变形以相对于模具内部容积的％表示。对于树脂R1～R8，在图5中示例了所述变形。可以看出，树脂的性质、添加剂的性质和添加的方法在模制部件的总体性能中发挥作用。

在接下来的实例中，对结晶程度(以球晶尺寸表示)随树脂的性质和烘箱温度的变化进行研究。结果示于图6中。

图6的第一排表示在各种峰值内部空气温度(PIAT)下将树脂类型从第二代茂金属树脂(树脂R1或R9)变化到第一代茂金属树脂(树脂R11)时球晶尺寸的总体变化。总体变化为增加约30μm。

第二排表示对于177.3℃的PIAT当将树脂类型从第二代茂金属树脂(树脂R1或R9)变化到第一代茂金属树脂(树脂R11)时球晶尺寸的变化。该变化为增加约19μm。

第三排表示对于254.8℃的PIAT当将树脂类型从第二代茂金属树脂(树脂R1或R9)变化到第一代茂金属树脂(树脂R11)时球晶尺寸的变化。该变化为增加约42μm。

第四排表示对于所有类型的树脂当将PIAT从177.3℃增加到254.8℃时球晶尺寸的总体变化。该变化为增加约9μm。

第五排表示对于树脂R1当将PIAT从177.3℃增加到254.8℃时球晶尺寸的变化。该变化为增加约4μm。

第六排表示对于树脂R9当将PIAT从177.3℃增加到254.8℃时球晶尺寸的变化。该变化为增加约3μm。

第七排表示对于齐格勒-纳塔聚乙烯当将PIAT从177.3℃增加到254.8℃时球晶尺寸的变化。该变化为增加约2μm。

第八排表示对于树脂R11当将PIAT从177.3℃增加到254.8℃时球晶尺寸的变化。该变化为增加约26μm。

因此，可以断定影响球晶尺寸的主要因素是树脂的性质。使用“第二代”茂金属催化剂体系例如双-四氢茚基制备的树脂R1和R9通常具有相对于PIAT非常稳定的球晶尺寸。使用“第一代”茂金属催化剂体系例如未桥接的双环戊二烯基制备的树脂R11对于PIAT非常敏感。

还研究了几种模具厚度、烘箱温度和冷却速率下模制部件的总体积。如果滚塑部件的总体积增加，则意味着收缩下降。所述样品为7.5L的滚塑瓶。

观察到，随着模具厚度的增加和烘箱温度的增加，收缩下降，如图7中所示。

第一排表示从树脂R9变化到树脂R1时，模制部件的体积增加(单位：L)。

第二排表示模制部件的壁厚(WT)从3mm增加到6mm时体积的增加。

第三排表示PIAT从177.3℃增加到254.8℃时模制部件的体积的增加。

在另一实施例中，使用具有0.934g/cc的密度和2.7dg/min的熔体流动指数MI2的树脂M3423通过滚塑制备10L瓶。它们具有4.5或6.0mm的壁厚。这些瓶装有纯的生物柴油或30％的生物柴油并在70℃的温度下储存6星期。通过断层照相法使用200,000个测量点测量浸泡前后的壁厚和外部表面尺寸。令人惊讶地观察到，虽然瓶壁中吸收了一些柴油，但是浸泡后总体壁厚下降。平均壁厚结果(单位mm)总结于表I中。

表I

  30％生物柴油浸泡前  30％生物柴油浸泡后  纯生物柴油浸泡前  纯生物柴油浸泡后  4.342  4.328  4.359  4.326  5.968  5.968  5.983  5.944

外部表面尺寸的结果示于图8中。在该图中，可以看出浸泡后瓶的外部表面尺寸增加。