PET塑料注拉吹加工制品壁厚分布的故障分析

注射拉伸吹塑是一类在聚合物的高弹态下通过机械方法轴向拉伸型坯、用压缩空气径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与两步法。在两步法中先采用注射法成型型坯，并使之冷却至室温，成为半成品，然后把型坯送入再加热拉伸吹塑机械中，成型为制品。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料在高弹态下经拉伸取向后，材料的机械性能、阻渗性能、透明性与耐溶剂性得到很大提高，在注拉吹工艺中PET材料是使用量 大的材料。前人对PET注拉吹拉伸吹胀过程的研究主要侧重在模拟方面，但是模拟结果与实验结果存在一定的差异。本文主要通过实验研究两步法PET注射拉伸吹塑中二次吹胀压力、拉伸杆速度以及吹胀延迟时间对PET制品壁厚的影响，分析由于吹胀延迟时间的改变而形成不同型坯轮廓发展模式的原因。
 
1 实验部分
 
1.1 实验设备
    两步法标准型拉伸吹塑机：WL-A03系列，佛山伟力塑料机械公司；
    红外测温仪：ST6L，美国Raytek公司；
    高温电子拉力机：美国德宝公司。
 
1.2 型坯与制品
    型坯质量35g，长140 mm，颈部及底部的厚度分别为2118mm和2170mm。型坯所用的材料为远纺工业（上海）公司生产的工业级PET（CB-602），特性粘度为（0.80&pmn;0.02）dL/ g，单轴拉伸实验的PET材料应力-应变曲线见图1。制品为一680mL长颈瓶子。型坯与瓶子的几何尺寸参见图2。

                             图1  PET单轴拉伸应力-应变曲线（拉伸速率12.5 mm/s）

                                         图2 　型坯和制品的几何尺寸
1.3 实验方法
    型坯首先在远红外旋转式加热装置中被加热至高弹态，使用红外测温仪测量型坯轴向温度分布，然后将加热后的型坯放入模具进行拉伸吹胀。分两步施加吹胀压力，首先施加0.8MPa的气压（p1），低压气体的作用时间约为0.1s，这一步骤称为一次吹胀；然后施加高压气体（p2） 将型坯彻底吹胀并定型，该步称为二次吹胀。从拉伸杆动作至施加一次吹胀的这一段时间称为吹胀延迟时间（t0）。在实验过程中改变的加工参数为：二次吹胀压力，拉伸杆速度及吹胀延迟时间。实验中采用的工艺参数可参见表1，使用精度为0.01mm的数显游标卡尺测量瓶子的壁厚。
表1  拉伸吹塑的工艺参数
工艺参数 数据
拉伸延迟时间/s
吹胀延迟时间（t0）/ s
一次吹胀压力（p1）/Mpa
二次吹胀压力（p2）/Mpa
一次吹胀时间/s
二次吹胀时间/s
延迟开模时间/s
拉伸杆速度（V）（空载）/ 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

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

2.2 拉伸杆速度对轴向壁厚分布的影响

                  图4  不同拉伸杆速度下拉伸吹塑的瓶子的轴向壁厚分布（t0= 0.4s，p2= 1.7MPa）

    图4给出了不同拉伸杆速度下瓶子的轴向壁厚分布（未包括瓶底壁厚）。拉伸杆速度的测定是在模具未放置型坯，拉伸杆直接触及模具底部的情况下进行的。从图4可看出：拉伸杆速度的变化对瓶子轴向壁厚的分布有较大的影响。拉伸杆速度为0.6 m/s时，当型坯轴向拉伸比较小时开始吹胀，结果造成瓶颈及肩部部分壁厚较大，而接近瓶底的部分很薄；当拉伸杆速度增至0.85 m/s 时，轴向的壁厚分布获得较大改善，瓶颈厚度明显减小，瓶身部分的厚度分布较为均匀，接近瓶底部分的壁厚比瓶身壁厚略为增加；当拉伸杆速度继续增加至1.15m/s时，由于拉伸杆速度的增加，在吹胀之前型坯被轴向拉伸至较长的长度，瓶颈与瓶肩对应型坯部分在吹胀前的壁厚减小，接近瓶底部分相对而言获得更多的材料，结果造成瓶颈及瓶肩部分的壁厚进一步减小， 而接近瓶底部分的壁厚增加；拉伸杆速度为1.35m/s时的壁厚分布曲线与拉伸杆速度为1.15m/s时的壁厚分布曲线基本重合。
2.3 吹胀延迟时间对轴向壁厚分布的影响

           图5  不同吹胀延迟时间下拉伸吹塑的瓶子的轴向壁厚分布（p2= 1.7 MPa，V = 0.85 m/s）

　　通过调整吹胀延迟时间t0 可获得不同的拉伸吹胀时序。t0对于型坯轮廓的变化模式而言是一个起决定性作用的因素。关于型坯轮廓变化模式的详细讨论可参见文献[6]。这里仅作简要介绍；当T0=0.4s时，拉伸杆尚未接触模具底部时即施加吹胀气体，这意味着存在一段时间，在该时间段内型坯受到吹胀气体和拉伸杆的共同作用，该种情况下的成型模式为模式1；t0=0.5s时， 型坯轮廓的发展模式为模式2，在该种模式下，p1在型坯被拉伸接近模具底部时进入型坯，当拉伸杆接触模具底部后，吹胀过程仍在继续直至制品成型；t0增至0.6s时可观察到模式3，即位于瓶肩的型坯部分首先被吹胀形成动脉瘤状球形，该膨胀部分在气体压力的作用下向上下两端发展， 成型瓶子，当t0继续增至0.7s时，型坯的轮廓按照模式4发展，在拉伸结束到开始吹胀之间存在一段时间间隔，在模式4下成型制品的颈部材料会形成叠合。图5给出了不同吹胀延迟时间下瓶子轴向壁厚的分布（未包括瓶底壁厚）。当吹胀延迟时间由0.3s增至0.5s时，瓶颈及瓶肩的厚度大幅减小，瓶身的壁厚变化较小，而接近瓶底部分壁厚增加；吹胀延迟时间在0.5、0.6、0.7s下成型的瓶子的轴向壁厚分布曲线的趋势基本相同，但由于型坯轮廓发展模式的不同，造成了瓶颈与接近瓶底部分的<