聚苯乙烯宠物试剂卡注塑成型质量的提升方法.pdf

2 0 2 3,3 5(4)MO D E R NP L A S T I C SP R O C E S S I N GAN DA P P L I C A T I ON S智能制造与先进成型智能制造与先进成型收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 2;修改稿收到日期:2 0 2 3-0 3-2 7。作者简介:宋满仓(1 9 6 4),博士,副教授,主要从事模具设计与制造技术及放电加工工艺的研究。E-m a i l:m c s o n gd l u t.e d u.c n。*通信联系人,刘军山,博士,研究员。E-m a i l:l i u j s d l u t.e d u.c n。基金项目:大连市科技创新基金项目(2 0 2 0 J J 2 5 C Y 0 1 8)。聚苯乙烯宠物试剂卡注塑成型质量的提升方法宋满仓 吴越 刘军山*(大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连,1 1 6 0 2 4)摘要:以高抗冲聚苯乙烯(H I P S)和碳酸钙(C a C O3)为原料,通过注塑成型试验,探究不同注塑工艺参数对宠物试剂卡弯曲刚度的影响,优化注塑工艺参数,并系统地研究了试剂卡制备过程中不同C a C O3含量对试剂卡表面水接触角、弯曲刚度、微观形貌和相对结晶度的影响。结果表明:注射压力、熔体温度和保压压力对试剂卡弯曲刚度影响较大,而注射速度对试剂卡弯曲刚度影响较小。随着C a C O3含量升高,试剂卡表面水接触角先减小后增大,弯曲刚度呈现先升高后下降的趋势,相对结晶度呈现上升趋势。关键词:高抗冲聚苯乙烯 注塑工艺参数 碳酸钙 弯曲刚度 结晶度D O I:1 0.1 9 6 9 0/j.i s s n 1 0 0 4-3 0 5 5.2 0 2 3 0 0 2 4M e t h o d s f o r I m p r o v i n g t h e I n j e c t i o nM o l d i n gQ u a l i t yo fP o l y s t y r e n eP e tR e a g e n tC a r dS o n gM a n c a n g WuY u e L i uJ u n s h a n(C o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,D a l i a n,L i a o n i n g,1 1 6 0 2 4)A b s t r a c t:H i g hi m p a c tp o l y s t y r e n e(H I P S)a n dc a l c i u mc a r b o n a t e(C a C O3)w e r eu s e da sr a w m a t e r i a l st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fd i f f e r e n ti n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h eb e n d i n gs t i f f n e s so fp e tr e a g e n tc a r dt h r o u g hi n j e c t i o n m o l d i n ge x p e r i m e n t sa n d o p t i m i z ei n j e c t i o n m o l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e r s.A n ds y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h ee f f e c t so fC a C O3c o n t e n to n w a t e rc o n t a c ta n g l e,b e n d i n gs t i f f n e s s,m i c r o s t r u c t u r ea n dr e l a t i v ec r y s t a l l i n i t y o ft h er e a g e n tc a r d d u r i n gt h ep r e p a r a t i o np r o c e s s.T h er e s u l t ss h o wt h a ti n j e c t i o np r e s s u r e,t e m p e r a t u r eo fm e l ta n dr e t a i n i n gp r e s s u r eh a v eg r e a t i n f l u e n c eo nt h eb e n d i n gs t i f f n e s so f t h er e a g e n tc a r d.T h ee f f e c to ft h e i n j e c t i o ns p e e do n t h eb e n d i n gs t i f f n e s s i s s m a l l.W i t h t h e i n c r e a s eo fC a C O3c o n t e n t,t h ew a t e rc o n t a c ta n g l eo ft h es u r f a c ef i r s t l yd e c r e a s e sa n dt h e ni n c r e a s e s,t h eb e n d i n gs t i f f n e s s i n c r e a s e s f i r s t a n dt h e nd e c r e a s e s,a n dt h er e l a t i v ec r y s t a l l i n i t y i n c r e a s e s.K e yw o r d s:h i g h i m p a c tp o l y s t y r e n e;i n j e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r;c a l c i u mc a r b o n a t e;b e n d i n gs t i f f n e s s;c r y s t a l l i n i t y 聚苯乙烯(P S)通过疏水作用、静电吸附等物理作用方式,对蛋白质具有较好的吸附作用,因此,在医疗检测方面有着巨大的应用潜力1-2,但P S较脆,制成的试剂卡在裁剪过程中易发生断裂和崩碎,而高抗冲聚苯乙烯(H I P S)具有良好的韧性与加工性能。采用H I P S注塑成型宠物试剂卡作为宠物病毒检测的基板,发现试剂卡在裁剪过程中虽742 0 2 3年8月2 0 2 3,3 5(4)MO D E R NP L A S T I C SP R O C E S S I N GAN DA P P L I C A T I ON S具有较好的裁剪性能,但弯曲刚度较差,在受到外力作用时会产生较大的变形,影响试剂卡表面的蛋白质活性,难以满足实际工作中的使用需求。相关研究表明,通过改变注塑工艺参数能够有效改善材料的力学性能。刘强等3探究了注塑工艺参数对管材专用均聚聚丙烯(P P H)刚韧性能的影响。结果表明:熔体温度是影响P P H刚韧性能的主要因素;保压时间过低时,P P H的刚韧性能下降。此外,也有学者4探究无机颗粒的添加对制品性能的影响。骆振福等5探究不同品种碳酸钙(C a C O3)对复合材料力学性能的影响,通过研究发现,纳米钙和包覆钙的填充效果最好,分别使聚氯乙烯(P V C)的拉伸强度增加1 9%和1 7%,冲击强度增加3倍左右。以下通过注塑成型试验优化注塑工艺参数,在此基础上探究添加C a C O3对H I P S宠物试剂卡表面水接触角、弯曲刚度、微观形貌和结晶度的影响,获得符合使用要求的试剂卡。1 试验部分1.1 主要原料及仪器设备试验对象是总体外形尺寸为1 0 4.0 0 mm5 5.0 0 mm1.1 0 mm的薄壁多齿 梳状结构 的H I P S宠物试剂卡,其结构如图1所示。图1 宠物试剂卡形状及尺寸(单位:m m)H I P S,P H-8 8,台湾奇美实业股份有限公司;C a C O3,鑫铖矿业有限公司;分散剂,E B S-F,东莞市远赢塑胶原料经营部。注塑机,S E 1 0 0 E V-C 3 6 0,日本住友重机械工业株式会社;数显电热鼓风干燥箱,1 0 1 A-2,上海浦 东 荣 丰 科 学 仪 器 有 限 公 司;高 速 混 料 机,Y G-3K G,深圳市进杰工业设备有限公司;电子天平,T J 3 K,常熟市双杰测试仪器厂;电子数显百分表,精度0.0 1mm,哈尔滨量具刃具集团有限责任公司;接触角测量仪,O C A 2 5,德国D a t a p h y s i c s公司;X射线衍射仪(X R D),D 8A d v a n c e,德国布鲁克公司;扫描电子显 微镜(S EM),S U 5 0 0 0,日立(中国)有限公司。1.2 样品制备1.2.1 不同注塑工艺参数的样品制备称取H I P S放入鼓风干燥箱中,在8 0 下烘干2h,随后进行注塑成型。试验选取了注射压力、注射速度、熔体温度和保压压力等4个注塑工艺参数作为研究对象,基于单因素试验法,共设计了1 7个单因素试验组。试验基本参数:模具温度4 0,熔体温度2 2 0,注射压力9 0M P a,保压压力5 0M P a,注射速度6 0mm/s。1.2.2 不同C a C O3含量的样品制备通过上述试验得到最佳的注塑工艺参数,在以上优化的注塑工艺参数基础上探究C a C O3含量对试剂卡性能的影响。将H I P S、C a C O3和分散剂高速搅拌2 0m i n,在8 0下烘干3h,得到C a C O3质量分数为0,3%,6%,9%,1 2%和1 5%的混合料,随后进行注塑成型,得到的 样 品 分 别 记 为H I P S,H I P S/3%C a C O3,H I P S/6%C a C O3,H I P S/9%C a C O3,H I P S/1 2%C a C O3,H I P S/1 5%C a C O3。1.3 性能测试弯曲刚度测试:将试剂卡一端置于夹具上夹紧,使得试剂卡处于水平状态,在试剂卡末端施加5 0g砝码,利用数显百分表测量试剂卡的挠度值(),从而得到其弯曲刚度(E I)6,其计算式见式(1)。E I=-F l3/3(1)式(1)中:F为施加在试剂卡末端的力;l为试剂卡自由端的长度。接触角测试:将4L水滴在试剂卡上。用切线法测量试剂卡表面接触角。S EM分析:利用液氮对样品低温脆断,并断面喷金,观察断面形貌。X R D分析:在5 5 0 扫描,扫描速率4/m i n。2 结果与讨论2.1 不同注塑 工 艺 参 数 对 试 剂 卡 弯 曲 刚 度 的影响图2为不同注塑工艺参数对试剂卡弯曲刚度的影响。84 宋满仓等.聚苯乙烯宠物试剂卡注塑成型质量的提升方法智能制造与先进成型图2 不同注塑工艺参数对试剂卡弯曲刚度的影响从图2可知:随着注射压力升高,试剂卡弯曲刚度不断提高。随着熔体温度升高,试剂卡弯曲刚度提高。随着保压压力升高,试剂卡的弯曲刚度先变大后趋于平缓,即当处于最佳保压压力时,试剂卡弯曲刚度较大,继续增大保压压力对弯曲刚度影响不大。随着注射速度增大,试剂卡的弯曲刚度变化不太明显。2.2 不同C a C O3含量对试剂卡性能的影响2.2.1 表面水接触角分析图3为C a C O3含量对试剂卡表面水接触角的影响。从图3可以看出:不加入C a C O3的试剂卡表面水 接 触 角 为1 1 0.3,即 为 疏 水 表 面。随 着C a C O3含量升高,试剂卡的表面的水接触角先减小后增大(1 0 2.3 1 1 1.6)。图3 C a C O3含量对试剂卡表面水接触角的影响2.2.2 弯曲刚度分析图4为C a C O3含量对试剂卡弯曲刚度的影响。图4 C a C O3含量对试剂卡弯曲刚度的影响从图4可以看出:随着C a C O3含量升高,试剂卡弯曲刚度呈现先升高后降低的趋势,C a C O3质量分数为1 2%时,试剂卡弯曲刚度最高。2.2.3 S EM分析图5为不同C a C O3含量试剂卡的S EM分析。图5 不同C a C O3含量试剂卡的S E M分析942 0 2 3年8月2 0 2 3,3 5(4)MO D E R NP L A S T I C SP R O C E S S I N GAN DA P P L I C A T I ON S 从图5可以看出:未加入C a C O3的试剂卡断面较为平整。随着C a C O3含量升高,试剂卡断面细纹增多。且C a C O3含量过高时,其在基体中会出现分散不均的情况。2.2.4 X R D分析图6是不同C a C O3含量试剂卡的X R D分析。从图6可以看出:2 0.9 0 处是H I P S的非晶衍射角(2),2 3.0 6,2 9.4 1,3 5.9 8,3 9.4 2,4 3.1 7,4 7.5 3 和4 8.5 2 处出现的特征峰恰好与C a C O3晶体衍射峰一致。随着C a C O3含量的增加,复合材料在2 0.9 0 处的非晶衍射峰明显减弱。图6 不同C a C O3含量试剂卡的X R D分析表1为C a C O3含量对试剂卡相对结晶度的影响。表1 C a C O3含量对试剂卡相对结晶度的影响样品相对结晶度/%H I P S0.3H I P S/3%C a C O37.3H I P S/6%C a C O32 1.4H I P S/9%C a C O32 5.1H I P S/1 2%C a C O32 3.1H I P S/1 5%C a C O33 5.6 从表1可以看出:随着C a C O3含量升高,试剂卡相对结晶度呈现上升趋势。3 结论 a)随着注射压力和熔体温度的升高,试剂卡的弯曲刚度不断提高。随着保压压力升高,试剂卡的弯曲刚度先变大后趋于平缓。随着注射速度升高,试剂卡的弯曲刚度变化不太明显。b)随着C a C O3含量升高,试剂卡表面的水接触角先减小后增大(1 0 2.3 1 1 1.6),试剂卡弯曲刚度呈现先升高后降低的趋势,C a C O3质量分数 为1 2%时,试 剂 卡 弯 曲 刚 度 最 高。随 着C a C O3含量升 高,试 剂 卡 相 对 结 晶 度 呈 现 上 升趋势。参 考 文 献1 KU S N E Z OW W,HOHE I S E L J D.S o l i d s u p p o r t s f o rm i c r o a r r a y i mm u n o a s s a y sJ.J o u r n a l o f M o l e c u l a rR e c o g n i t i o n,2 0 0 3,1 6(4):1 6 5-1 7 6.2 GO D D A R D J M,HO T C HK I S S J H.P o l y m e r s u r f a c em o d i f i c a t i o nf o r t h ea t t a c h m e n to fb i o a c t i v ec o m p o u n d sJ.P r o g r e s s i nP o l y m e rS c i e n c e,2 0 0 7,3 2(7):6 9 8-7 2 5.3 刘强,王霞,宋赛楠,等.注塑成型工艺对管材专用P P H刚韧性能的影响J.合成树脂及塑料,2 0 1 9,3 6(4):3 8-4 0.4 沈旭渠,刘鹏辉,陈锐彬.不同填充物改性阻燃聚丙烯的研究J.现代塑料加工应用,2 0 2 2,3 4(5):9-1 1,1 9.5 骆振福,任晓玲,乔军,等.不同品种碳酸钙填充P V C性能的研究J.中国矿业大学学报,2 0 1 2,4 1(1):6 9-7 3.6 巩鑫龙.架空线弯曲刚度的实验研究D.北京:华北电力大学,2 0 1 3.广 告 信 息封2 中国石化扬子石油化工有限公司 广0 1 山西省化工研究所(有限公司)塑料助剂塑料专用料新品(彩色)(黑白)封3 现代塑料加工应用 宣传页(彩色)广0 2 征稿简则(黑白)05