近年来，随着制造业轻量化进程的加快，注塑成型制品以其质轻、成型形状复杂多样化、耗材少、生产率高等优异特性被广泛应用于航空航天、汽车电子等领域。但是复杂多样的注塑制品多采用扇形浇口或者多浇口，使得制品表面出现熔接痕，严重影响制品的力学性能和表观质量，导致注塑成型工艺难以应用在质量要求更高的领域[1-3]。因此，需避免大尺寸注塑制品表面出现熔接痕现象。Lu等[4]在传统注塑成型工艺基础上融入超声振荡，结果表明对于聚苯乙烯(PS)，超声振荡的存在可以提高在不同熔体温度下PS的熔接强度。李又兵等[5]考虑到大尺寸制品成型复杂，结合多浇口优势，采用顺序注射工艺方法改善制品的熔接痕，结果表明熔体可有顺序的快速填充型腔，大幅度减少制品表面的熔接痕。Koponen等[6]从改良型芯结构的角度出发，采用不同的型芯结构注塑成型制品，得到最优的型芯结构，得到具有较好表面质量的注塑制品。本实验通过在模具表面涂覆隔热涂层，选用最易受熔接痕性能影响的玻纤增强聚丙烯材料，探究不同厚度隔热涂层对制品熔接痕的深度和拉伸性能的影响，为改善玻纤增强聚丙烯注塑制品表面熔接痕性能提供理论支持。1实验部分1.1主要原料玻纤增强聚丙烯，PF7251，茂名石化有限公司；聚四氟乙烯，M111，苏州仁孚塑胶有限公司。1.2仪器与设备注射机，MA1600，海天塑机集团有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，HITACHI-S4700，日立有限公司；万能试验机，XWW，承德市金建检测仪器有限公司。1.3样品制备基于熔接痕形成过程，结合有机隔热材料的性能，选择聚四氟乙烯作为模具隔热涂层材料，选择制备75、100、125、150、175 μm五种厚度涂层，特设置无涂层作为对照组。图1为注塑制品的方形薄片，塑件总尺寸为50 mm×52 mm×1 mm，采取双扇形浇口进浇，熔体在中心线处相遇易产生熔接痕。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F001图1注塑成型制品模型Fig.1Injection molded product model1.4注塑制品的模流分析本实验研究的方形薄片的成型材料为玻纤增强聚丙烯。表1为在Moldflow材料库中显示的材料性质。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.T001表1GFRPP Noryl PPX 630的物理性质Tab.1The physical properties of GFRPP Noryl PPX 630材料属性数值密度/(g·cm-3)0.99熔体流动速率/[g·(10min)-1]2.6顶出温度/℃38~65最大剪切力/MPa0.45熔体推荐温度/℃280模具推荐温度/℃53图2为网格划分图片。采用四面体网格进行划分，制件拐角处需进行网格细化，网格单元尺寸设置为2 mm，网格纵横比为1.16，匹配率为99.6%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F002图2网格划分图Fig.2Grid diagram2结果与讨论2.1隔热涂层对注塑制品熔接痕表面性能的影响图3为表面V型槽示意图。表面V型槽主要对熔接痕强度产生两方面的影响。一方面表现为制品在承受外界压力时，表面V型槽区域容易受到应力集中作用，导致制品极易受到破坏，寿命大大降低；另一方面表现为制品表面V型槽区域的黏结性能更差，在受到外界压力时，极易成为破坏点。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F003图3表面V型槽形成示意图Fig.3Schematic diagram of surface V-groove formation图4为不同厚度涂层下注塑制品表面V型槽深度SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F004图4不同涂层厚度下注塑制品表面V型槽深度SEM照片Fig.4SEM pictures of the depth of V-groove on the surface of injection molded products under different coating thicknesses图5为在5个不同涂层厚度下薄片表面V型槽深度。从图5可以看出，随着涂层厚度的增加，表面V型槽的深度随之降低，在涂层厚度为125 μm时，表面V型槽的深度下降到16.93 μm，相比于无涂层的76.68 μm，下降了77.9%。当应用的涂层厚度继续增加时，表面V型槽深度下降幅度减缓。表明制品在表面V型槽区域受力横截面积在随之增大。变化的主要原因是随着涂层厚度增加，涂层对熔体的延滞传热影响程度进一步加深，从而使得在充填过程中，熔体与外界的热交换能力受到抑制，黏度上升幅度进一步减小，导致双浇口制品在熔体交汇处融合效果更好，降低了表面V型槽的深度。由此可知，随着涂层厚度的增加，熔接痕处的制品厚度变大，增大了制品在受到拉力时的受力横截面积，因而制品的熔接痕性能将随着涂层厚度的增加进一步增大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F005图5不同厚度涂层下薄片熔接痕深度的变化趋势Fig.5Variation trend of weld line depth of sheets under different thickness of coating2.2隔热涂层对注塑制品熔接痕处纤维结构的影响图6为不同厚度涂层下注塑成型制品的熔接痕断口形貌SEM照片。从图6可以看出，在隔热涂层作用下，断口横截面处纤维向外裸露较多，但断面处基本没有空洞或者凸起，断面形貌总体呈现的较为规整。随着涂层厚度的增加，纤维取向程度随之提高，当涂层厚度为125 μm时，纤维取向程度最高，取向方向趋于一致。而75 μm下制品熔接痕处的纤维取向程度虽然一定程度上提高，但仍较为杂乱。变化的主要原因是熔体填充过程中，交汇处的熔体使得填充后期的熔体融合受阻，使得熔体前端的纤维取向不受影响，而填充后期的熔体纤维受到较大的熔体压力，取向杂乱无章。而随着涂层厚度的增加，熔体在一定时间内仍保持较高的温度，与外界的热量交换效率也大幅度降低，因而熔体受到的剪切作用也大幅度降低，导致熔体纤维在流动过程中主要受到拉伸作用，最终使得制品在熔接痕处的纤维取向一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F006图6不同厚度涂层下玻纤增强制品熔接痕断面SEM照片Fig.6SEM pictures of weld lines of glass fiber reinforced products under different thickness coatings图7为不同厚度涂层下玻纤增强注塑制品拉伸断面SEM照片。从图7可以看出，在制品的断面扫描图中出现了凸起结构，主要是因为制品在熔体交汇处受到拉力断裂。传统注塑成型工艺成型的玻纤制品在断面处只出现少量且尺寸较小的凸起结构。但随着涂层厚度的增加，在熔体交汇处断面处出现越来越多的凸起结构，其尺寸也越来越大。这是因为随着涂层厚度的增加，涂层的隔热效果增强，熔体的温度下降速率减小，提高了熔体流动能力，导致PP熔体高分子链与玻纤之间在交汇处可以充分扩散缠结，减少了由于纤维难以与基体相容而产生的孔洞，增强了界面缠结作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F007图7不同厚度涂层下玻纤增强注塑制品拉伸断面SEM照片Fig.7SEM pictures of the tensile section of glass fiber reinforced injection molded products under different thickness coatings2.3隔热涂层对注塑制品熔接痕强度影响图8为玻纤增强注塑制品拉伸性能。从图8可以看出，常规注塑成型玻纤增强制品所受拉力值为163.47 N，通过涂覆100 μm厚隔热涂层，玻纤增强制品所受拉力值为283.79 N，随着涂层厚度的增加，制品所受最大压力也随之增大，当涂层厚度为125 μm时，所受最大拉力达到295.64 N，熔接痕的拉伸性能增加了80.9%。由此可知，通过在模具型腔表面涂覆隔热涂层，玻纤增强注塑成型制品的拉伸性能得到显著增强，并且与涂层厚度成正相关。与未涂覆隔热涂层制品熔接痕拉力相比，涂覆75 μm隔热涂层可明显提高其拉力，但随着涂层厚度的增加，制品的拉力升高幅度有所放缓。这主要是由于不同厚度涂层下成型的玻纤增强制品的熔接痕形态结构不同所致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F008图8不同厚度涂层下制品拉伸强度Fig.8The tensile strength of products under different thickness coatings2.4隔热涂层对注塑制品的熔接痕的改善机理图9~图11为不同注塑成型注塑制品熔接痕长度、纤维取向张量以及平均纤维取向的模流分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F009图9注塑制品熔接痕长度变化Fig.9Change of weld line length of injection molded products10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F010图10注塑制品纤维取向张量Fig.10Fiber orientation tensor of injection molded products10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.02.007.F011图11注塑制品平均纤维取向Fig.11Average fiber orientation of injection molded products从图9可以看出，与常规注塑成型制品相比，涂覆125 μm厚度隔热涂层可明显改善熔接痕表观性能，由云图熔接线颜色可知，通过涂覆125 μm隔热涂层可明显改善熔接痕的深度；同时，常规注塑成型制品熔接痕长度为18.94 mm，125 μm下制品熔接痕长度为5.68 mm，减少70%。从图10和图11可以看出，相比于常规注塑成型制品，125 μm下注塑制品熔接痕处纤维取向张量分布黄色区域增大，平均纤维取向颜色加深，说明熔接痕处纤维取向趋于一致程度更深，分子缠绕程度加深。主要是因为熔体在填充型腔时，隔热涂层对熔体表层的滞热效果尤为明显，保证了料流在相遇后能够很好地向两侧壁流动，避免了熔体内纤维过早的固化在熔体表层，分子缠绕的程度过小，可以很好地完成表面V型槽区域的填充，纤维取向趋于一致。表面V型槽的消除可避免制件加速疲劳损坏，可以有效延长使用寿命，增强熔接痕强度；而在熔接痕处纤维分子界面缠绕程度加深，纤维取向趋于一致，可以明显增强熔接痕强度。3结论(1)熔接痕深度随着涂层厚度的增加而降低，增强了熔接痕处受力横截面积，增强了熔接痕处的拉伸强度。(2)随着涂层厚度的增加，制品内的玻纤在熔体交汇处取向逐渐趋于一致，界面缠结程度逐步增强，熔接痕的结合强度因而也随之增加。(3)通过涂覆涂层，制品熔接痕的拉伸强度得到大幅提高。但随着涂层厚度增加，拉伸强度的增幅放缓，当涂层为125 μm时，制品熔接痕的拉力为295.64 N。