《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Optimizing Injection Molding Parameters for Enhanced Properties in Glass Fiber-Reinforced Polypropylene
编辑推荐：
纤维增强聚合物基复合材料的力学性能在很大程度上受其组分（包括基体和纤维）特性的影响。在注射成型过程中，热变化和压力变化等各类工艺参数对成型制件的最终性能起着关键作用。本研究探讨了控制玻璃纤维增强聚丙烯（PPGF）板材凝固的关键工艺参数（包括注射温度和保压压力）
纤维增强聚合物基复合材料的力学性能在很大程度上受其组分（包括基体和纤维）特性的影响。在注射成型过程中，热变化和压力变化等各类工艺参数对成型制件的最终性能起着关键作用。本研究探讨了控制玻璃纤维增强聚丙烯（PPGF）板材凝固的关键工艺参数（包括注射温度和保压压力）对翘曲变形、硬度、拉伸强度和弯曲性能的影响。据研究人员所知，目前关于通过改变纤维增强聚合物注射成型工艺参数所引发弯曲性能变化的相关表征研究仍然有限。通过统计学分析，研究人员将增强材料与未增强材料的性能进行对比，评估了工艺参数与纤维对复合材料力学性能贡献之间的关系。虽然添加纤维往往会增加翘曲变形，但优化组合的工艺参数可显著降低翘曲变形，同时提升拉伸模量和弯曲模量等力学性能。这些发现为优化注射成型条件以最小化翘曲变形并改善力学性能提供了有价值的见解。
注射成型是实现复杂形状高精度、高效率大批量生产的核心制造工艺，在汽车、航空航天和消费品等领域应用广泛。为进一步提升塑料力学性能以满足高强度服役条件，常将玻璃纤维、碳纤维或纳米颗粒引入聚合物基体形成复合材料。然而注射成型过程中热梯度、压力波动和流动动力学的复杂耦合会导致结构变化，纤维与基体冷却速率差异易引发形状畸变、残余应力和翘曲。既有研究或侧重预测翘曲但无法同时改善弯曲/拉伸性能，或仅关注纤维含量和类型而不改变工艺参数，或只评估单一力学性能（如轴向压缩），针对工艺参数引起的结构变化如何影响弯曲性能的实验研究尤为稀缺。为此，研究人员以含30 wt.%玻璃纤维的聚丙烯（PPGF，POLIFORTE，POLNAC供货，熔体流动速率7.5 g/10 min）和未增强聚丙烯（PP，Politene供货，熔体流动速率4.297 g/10 min）为对象，两者熔体流动速率相近，便于对比。采用全因子实验设计，选取注射温度（\(T_{inj}\)）和保压压力（\(P_p\)）为两个因素，各设高、低两个水平，形成四种工艺参数组合：A（220 °C/52 MPa）、B（220 °C/65 MPa）、C（260 °C/52 MPa）、D（260 °C/65 MPa）。使用Battenfeld TM 1000/525注射机（锁模力100吨）成型140 mm × 132 mm × 3.2 mm板材，恒定喷嘴压力65 MPa、注射时间1.65 s、保压时间6 s、冷却时间30 s，模具预热至48 °C。针对纤维取向引起的各向异性，制取0°、45°、90°三种方向的拉伸、弯曲和翘曲试样，每种组合和方向重复三次，共9次注射。依据ASTM D638进行拉伸测试，ASTM D790进行三点弯曲测试，ASTM D2240测量Shore D硬度，翘曲通过三坐标测量机和MATLAB曲率识别获得，并采用光学显微镜观察皮芯形态。通过方差分析（ANOVA）和主效应图评估工艺参数和取向对性能的影响。
研究结果部分：
**质量变化**：添加短玻璃纤维使试样质量增加5.17%–19.27%；较高注射温度（组合C和D）降低熔体黏度，使纤维含量略增。
**翘曲变形（板材）**：玻璃纤维的添加在所有情况下均显著增加板材翘曲。最优组合为C（260 °C/52 MPa），最差为B（220 °C/65 MPa）。通过提高注射温度并保持低保压压力，板材翘曲可降低71.12%；未增强PP在相同参数变化下翘曲降低69.6%。
**翘曲变形（试样）**：最优组合仍为C，最差为B。高注射温度和低保压压力使三个方向试样的翘曲平均降低13.59%；对未增强PP，相同参数变化反而使翘曲增加5.82%。提高保压压力因增加取向外层厚度而增大翘曲；翘曲从0°到45°略增，在90°显著降低，与文献一致。
**硬度**：添加玻璃纤维使硬度在所有组合下均提高（平均增加9.13%）。ANOVA显示所选因素对Shore D硬度均无显著影响。降低注射温度和保压压力可使PPGF硬度平均提高0.6%（未增强PP为0.35%）。
**极限拉伸强度（\(UTS\)）**：添加纤维使所有组合的\(UTS\)提高（平均提高87.6%）。取向对\(UTS\)有显著影响。最优组合为C，最差为B。提高\(T_{inj}\)增加\(UTS\)，但效果有限；提高\(P_p\)降低\(UTS\)，过高保压压力可能导致纤维断裂。\(UTS\)随取向角度增大而急剧下降，表明0°方向纤维承载能力最高。PPGF在最优参数下\(UTS\)平均改善6.34%，而PP相同变化降低5.12%。
**割线模量（\(E_{sec}\)）**：添加纤维使\(E_{sec}\)大幅提升（平均增加183.4%）。\(T_{inj}\)和\(P_p\)均显著影响\(E_{sec}\)。提高二者均可增加\(E_{sec}\)，因高保压压力减小随机取向芯层厚度、增加取向剪切层厚度；高注射温度降低模温-熔体温差也有类似作用。\(E_{sec}\)受取向影响不显著。最优组合为D，最差为A，平均改善65.49%；PP相同变化为?5.01%。
**断裂伸长率（\(\varepsilon_{UTS}\)）**：添加纤维降低材料延性，0°方向变化最小，45°和90°显著降低。提高\(T_{inj}\)和\(P_p\)降低\(\varepsilon_{UTS}\)，因材料模量增大。最优组合为A，最差为D，平均改善51.43%；PP最佳组合下降2.13%。纤维的加入使延性降低34.5%。
**弯曲强度**：添加纤维提高三个方向的弯曲强度（平均增加88.93%）。\(T_{inj}\)和取向显著影响弯曲强度。提高\(T_{inj}\)改善纤维分布、减少纤维断裂，从而提高弯曲强度；保压压力影响较小。弯曲强度随取向角度增大而显著下降，说明平行于载荷的纤维贡献最大。最优组合为D，最差为A，平均改善3.78%；PP相同变化降低3.98%。
**弯曲模量**：基体的弯曲模量受工艺参数影响大于复合材料。取向显著影响弯曲模量，且随取向角度增大而急剧下降。最优组合为C，最差为B，平均改善6.14%；PP相同变化降低3.86%。添加纤维使弯曲模量增加110.92%。
**弯曲应变（\(\varepsilon_{f}\)）**：添加纤维降低所有组合的延性。\(T_{inj}\)和取向显著影响\(\varepsilon_{f}\)，\(P_p\)无显著影响。提高\(T_{inj}\)和\(P_p\)增大最大弯曲应变，纤维分布改善使材料在不降低强度的情况下获得更高伸长能力。最优组合为D，最差为A，平均改善9.84%；PP相同变化增加11.88%。添加纤维使弯曲应变降低40.71%。
**显微组织**：光学显微照片证实了典型的皮芯形态。在所有参数组合下，0°方向试样表层纤维沿流动方向取向，芯层纤维垂直流动；90°方向则皮芯取向反转。该结果与文献报道的皮芯结构一致。
**讨论与结论**：组合C（260 °C/52 MPa）使翘曲降低最显著；硬度随工艺参数变化极小，高温低保压可提高0.186%。组合D（260 °C/65 MPa）在显著降低翘曲的同时，使\(E_{sec}\)提高65.494%、\(UTS\)和伸长率分别仅降低1.060%和33.961%，同时弯曲强度和弯曲应变分别提高3.802%和9.84%，仅弯曲模量降低?2.738%。研究表明，选择最优工艺参数组合可使翘曲降低71.955%；与未增强PP不同，高注射温度通过使纤维在流动中更均匀分布减少翘曲。保压压力通过影响取向剪切层厚度对翘曲有轻微影响。平衡取向剪切层增厚与纤维均匀分布可同时实现低翘曲和高模量。添加纤维可使PP的拉伸和弯曲性能值近乎翻倍，但显著增加翘曲；而最优参数可将翘曲降至1 mm以下，同时保持优异的力学性能。本研究为注射成型工艺参数优化提供了系统框架，通过改善纤维分布和形态优化实现降翘曲与增性能的协同。局限性在于模温和注射速度未被列为实验设计中的受控因素，其单独及交互效应有待未来研究表征。
