稀土磁性塑料注射成型技术研究.pdf

第 3 3卷第 4期 2 0 0 5年 4月 塑料工业 C HI N A P LA s T I C S I ND US T RY 稀土磁性塑料注射成型技术研究 宋大余 ，刘 颖 ，叶金文 ，涂铭 旌 四川大学材料科学与工程学院 ，四川 成都 6 1 0 0 6 4 摘要 应用 H A A K E转矩流变仪 ，研究 了尼龙 6质量分数为 7 ％时 ，稀土磁性塑料的加工工艺性能。结果表明 稀 土磁性塑料喂料体系的润滑剂能有效地降低喂料熔体流动粘度 ，改善加工条件；而偶联剂会恶化其加工性能 ；磁粉的 粒径分布对原料的粘度和加工工艺有明显的影响 ，3 5～6 5 IT I 的磁粉粒度有利于成型加工 ；制得 了较好综合性能的稀 土钕铁硼塑料磁体。 关键词 功能高分子材料 ；磁性材料 ；注射成型；加工性能 中图分类号T M2 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5。5 7 7 0 2 0 0 5 0 4 0 0 2 3 0 3 S t u d y o n I n j e c t i o n Mo l d i n g o f R a r e - E a r t h P l a s t i c Ma g n e t s S O N G D a y u，L I U Y i n g ，Y E J i n w e n ，T U Mi n g j i n g C o U e g e o f M a t e r i a l S e i ． a n d E n g ． ，S i c h u a n U n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 6 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p r o c e s s a b i l i t y o f r a r e e a r t h ma g n e t i c ma t e ri a l s t l l 7 w t ％ P A6 wa s s t u d i e d b y u s i n g HAAK E t o r q u e r h e o me t e r ． T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e u s e o f t h e l u b ri c a n t f o r t h e l o a d i n g s y s t e m c o u l d d e c r e a s e t h e v i s cos i t y a n d i mp r o v e t h e mo l d i n g c o n d i t i o n s e ff e c t i v e l y，w h e r e a s t h e u s e o f c o u p l i n g a g e n t f u n c t i o n e d i n r e v e r s e ． Th e d i s t il b u t i o n o f p o w d e r s i z e s o b v i o u s l y a ff e c t e d t h e b l e n d s v i s c o s i t y a n d p r o c e s s a b i l i t y ， t h e o p t i mu m s i z e p a rt i c l e d i a me t e r W as 3 5 6 5 ／ 1 m； Nd F e B p l ast i c ma gn e t s w i t h b e t t e r c o mp r e h e n s i v e p r o p e rt i e s w e r e ma n u f a c t u r e d． Ke y wo r d s F u n c t i o n a l P o l y m e r ；Ma gne t i c Ma t e ri a l s ；I n j e c t i o n Mo l d i n g ；P r o c e s s a b i l i t y 稀土磁性塑料主要为稀土永磁合金粉末和塑料 如尼龙或聚苯硫醚等高分子材料 共混而成母料、 再采用一定的成型加工方法 如注射、挤 出工艺等 制成要求轮廓的磁体或磁性元件的一大类新型高分子 功能材料。该类磁体或磁性元件的永磁特性主要取决 于稀土磁体粉末的磁特性 ；力学性能主要决定于所使 用的塑料种类。稀土磁性塑料产品广泛用于电子计算 机外部设备 以及其它电磁装置用的主轴电机、步进电 机等⋯。通常 ，按制造工艺将粘结磁体分成 4类 压 制成型粘结磁体、注射成型粘结磁体、挤 出成型粘结 磁体和压延成型粘结磁体- 2 J 。目前 ，压制成型稀土磁 性塑料已基本产业化，注射、挤出等成型方式则还处 于研发阶段。稀土磁性塑料的注射成型技术是生产外 形复杂、尺寸精确、带嵌件等磁体的净成型加工技 术 ，具有生产效率高，易于整件成型等优点E 2 ] ，集合 了粉末冶金和高分子材料成型技术的综合优势 ，是磁 性塑料成型加工的发展趋势。 稀土磁性塑料注射成型的难点在于其磁性粉末、 塑料以及添加剂体系加工时超高的粘度和极差的流动 性。由于磁性塑料作磁体时磁性能要求高 ；因此塑料 粘结剂的用量必须很低 7 ％ 一1 0 ％ ；且磁性粉 末一般成片状 ，硬度极高，成型时的流动性极差 ，对 注射成型加工机械、成型模具有着 比较特殊的要求。 目前，国内外对有关稀土磁性塑料的磁性能和机械性 能的研究较多 ，而对成型时的流动性和加工工艺性的 研究鲜有涉及 3。本文应用转矩流变仪测试 ，尼龙 6 P A 6 质量分数为 7 ％ 包括添加剂的稀土磁性塑 料的加工工艺参数，分析了影响稀土磁性塑料 钕铁 硼喂料粘度和加工性能的因素 ，以便为稀土磁性塑 料的注射成型工艺条件的确定 、成型模具的设计、成 型机械的设计和生产质量的控制提供依据。 1 实验部分 实验用粘结剂为尼龙 6 ，磁粉为快淬钕铁硼，添 加剂包括 K H 5 5 0硅烷偶联剂以及润滑剂。 按表 l 配方配料 ，应用密炼机混料 1 0 m i n ，自然 凉干后 ，双螺杆挤出机共混造粒 ，切粒测试。双螺杆 挤出机混炼时的挤出工艺参数如表 2 所示。 使用 H A A K E转矩流变仪混合器进行塑化、混合 作者简介 宋大余 ，男 ，博士生 ，主要研究方 向为稀土粘结磁性材料 的成型工艺及成型设备 。s a u l 5 6 6 1 6 3 ． c 0 m 塑 料 工业 2 0 0 5焦 实验。待设备预热一段时间后 ，加入 A 、c 、D 、E ； 换用 H A A K E转矩流变仪挤 出器 ，模拟 实际加工过 程 ，测试各成型工艺参数 ，并比较成型加工性。 使用 H A A K E转矩流变仪锥形双螺杆挤 出器模拟 稀土磁性塑料加工过程。锥形双螺杆挤出器长度 3 3 1 11 1 n l ；大端直径 3 1 m m，小端直径 l 9 m m；实验时 各段温度为加料段 2 1 0℃、压缩段 2 3 0℃、熔融段 2 5 0 cI 、计量段 2 5 0 cI ；螺杆转速 3 0 r ／ m i n ；挤出 口 模 为 4 m i l l 3 m mo 表 1 实验用各组分的配 比表 T a b 1 C o mp o s i t i o n r a t i o o f n e o d y mi u m 序号 磁粉 偶联剂质润滑剂质 粒径／ 且 质量分数／ ％ 量分数／ ％ 量分数／ ％ 塑料 粘结 剂 质量分数／ ％ 原粉 9 3 2 o o一4 0 0 9 3 小 于 2 0 0 9 3 小 于 2 0 0 9 3 小 于 2 o o 9 3 2 0 04 0 0 9 3 O． 8 O． 2 O O O O． 8 O O． 2 7． 0 7 ． O 7 ． O 6． 2 6． 2 7 ． 6 表 2 双螺杆挤 出机共混时的挤 出工艺参数 T a b 2 Mi x i n g p a r a me t e r s o f t wi n s c r e w e x t r u d e r 用 H A A K E转矩流变仪锥形双螺杆挤出器进行流 动 陛能测试 ；使用磁场专用注射机注射成磁体 ，进行 磁性能和机械性能测试，并对磁体作扫描电镜图。注 射机的注射压力为 1 8 0 M P a ，注射温度从喷嘴到料斗 依次 为 2 7 5 c I 、2 8 0 c I 、2 6 0℃、2 5 0 c I 、2 4 0 c I 。 2结果与讨论 2 ． 1 双螺杆挤出机对稀土磁性塑料的共混塑化效果 图 1 C、D、E三组料 H A K E转矩流变仪测得的 转矩 一时间 t 关 系 F i g 1 Re l a t i o n s h i p b e tw e e n t o r q u e a n d t i me f o r C、 D、 E g r o u p s o f Nd F e B a t 2 5 0 C 图 l 为温度在 2 5 0 c I 时，c 、D 、E三组稀土磁性 塑料通过 H A A K E转矩流变仪的密炼器进行塑化 、混 炼实验测得的转矩 一时间曲线。由图 1 可看出，三种 物料的转矩从加料到平衡 的时间很短，不 到 1 m i n ， 表明经双螺杆挤 出机混料后 D稀土磁性塑料再加热 熔化并混合均匀的周期很短 ，双螺杆挤出机对稀土磁 性塑料的共混效果很理想。 由于磁性粉末的装载量特高 ，稀土磁性塑料的流 动性很差 ；且磁性混合料的传热系数远远高 于纯尼 龙 ；再加之稀土磁性塑料与加工成型设备的摩擦生热 快 ，因此稀土磁性塑料体系加工时的热量在较短的时 间内急剧增多，温度升高。但过高的温度容易造成钕 铁硼磁粉氧化失效。稀土钕铁硼磁性塑料在成型加工 过程中遇到的一个难题就是因磁粉氧化而导致产品最 终磁性能的下降 ，这要求喂料加工时在设备内的停留 时间应尽可能短 ；因而，对共混设备的共混效果以及 共混时间等提出了较高的要求。 当前在工业钕铁硼磁性塑料产品的研发以及生产 中，母料的制备有 3 种设备双辊密炼机 、单螺杆挤 出机、双螺杆挤出机。双螺杆挤 出机的混料原理是两 根同向旋转的螺杆带动磁性粉料向料筒前端输运 ，物 料在输运过程中被混合、熔化并得到均匀塑化。由于 双螺杆挤出机有较好的混合和均化功能 ，物料在料筒 内停 留时间较短 ；加之双螺杆挤出机又有很好的自洁 性能，几乎没有料滞。所以对于稀土磁性塑料这种特 高粉末装载量、特高粘度的物料 ，双螺杆挤出机的混 炼效果更佳【 3 J 。 2 ． 2 稀土磁性塑料在不同添加剂体 系和磁性粉末形 态时的加工工 艺性 比较 时间／ 0 图 2 C、D、E三组料 HA K E转矩流变仪测得 的 扭时积 聊一时间 t 关系 Fig 2 R e l a t i o n s h i p b e twe e n“ r r Q a n d t i m e f o r C 、D、E g r o u p s of Nd F e B a t 2 5 0 C 平衡转矩 反 映物料在加工过程中的粘度大 小，平衡扭时积 r r Q反映物料在加工时的功耗高低。 图 2是温度 2 5 0 c I 时 c 、D 、E三组混炼后 的稀土磁 性塑料的平衡扭时积 一时间曲线。综合图 l 、2可知 E组料的平衡转矩 最大，平衡扭时积 哪攀升最 目 墩毒 毒 2 6 塑料工业 2 0 0 5定 明显的影响。适度的磁粉粒度分布范围有利于改善体 系的流动性能，在测试的粒度分布内，3 5 6 5 m的 粒度最有利于加工。 3 对 比稀土磁性塑料母料的制备设备 ，双螺杆 挤出机的无论是从共混效果上还是从减少磁粉的氧化 行为上都是最佳的共混设备。 4 由国产的快淬钕铁硼磁粉与国产尼龙 6共混 后注射得到的磁体性能为剩磁 0 ． 5 1 5 T ，内凛矫顽力 7 3 0 k A ／ m、磁感矫顽力 3 2 1 k A ／ m、磁能积 4 0 k J ／ m 3 、 密度达 5 ． 3 3 g ／ c m 3 、压缩强度 1 4 5 ． 7 MP a ，其性能与 日本的 M a t e 公司的 R N I 一5 0产品性能相 当，为稀土 磁性塑料的国产化提供了一定的技术根据。 参 考 文 献 1 C r o a t J J ． J Ap p l P h y s ， 1 9 9 7，8 1 4 8 0 6 2 Or me r o d J ． J Ap p l P h y s ， 1 9 9 7，8 1 4 8 1 7 3 张晋茂 ． 塑料机械设计 ． 北京 轻工业 出版社 ，1 9 9 0 ． 1 8 0 4 高红云 ．江西化工 ，2 0 0 3 ， 2 3 2 5 刘胜平 ． 复合材料学报 ，1 9 9 7 ， 8 5 1 本文于 2 0 0 41 22 9收到 绿色高效回收聚苯 乙烯泡沫塑料 彻底治理 “ 白色污染” 由于聚苯乙烯泡沫塑料具有较 高的抗冲韧性能，及卓越 的超轻质材料性能，因此被广泛应用在各个行业的包装领 域。 据有关 报道 随着 我 国电器 、电子、汽车 、装 饰 、灯 具 、快餐、保鲜、保温 、包装等行业 的迅速发展 ，聚苯乙烯 消费量将大幅度增加。长期 以来，我 国聚苯乙烯产不足需 ， 有较大缺口。虽然近年来产量有了较大增加，但需求增长更 快 ，因此每年仍需大量进 口，并呈逐年增加趋势。 清华大学环境科学与工程系固体废弃物研究所所长聂永 丰博导谈到这个问题时举了一个有趣 的例子。美国的麦 当劳 最开始是用纸包装 ，于是他们做广告说今天有 多少份麦 当劳 卖出，而一些环保人士则反驳道今天 又有 多少颗树木倒下。 后来麦当劳换 了发泡塑料包装 ，他们 又做广告 ，而此 时环保 人士又称今 天有多少地方被 “ 白色污染” 。后来 ，麦 当劳只 好两者兼用，但问题依然存在。 聂所长认为 ，用纸质餐具代替发泡餐具会对森林资源构 成很大的威胁 ，他反对这种做法 。他认 为，最好的办法是 回 收。他谈到，目前 回收最大的问题 是发泡餐具体 积大 ，运输 费用过高 ，但据他介绍国外现在已经有一种技术是先用橘子 皮提炼 的一种液体将发泡餐具熔化 ，使体积变小 ，之后运输 的费用就会大大降低。他同时也指出，目前国内尚无这样 的 研究 ，他们有这样的意 向。尽管人们对发泡餐具是否有毒还 有诸多的争议 ，但一次性发泡餐具对环境的危害却是 毫无疑 问的 。 发泡塑料餐具 的主要 成分之 一为高分 子化合物 聚苯 乙 烯。被遗弃后 ，这种高分子物很难降解成 自然界可以吸收转 化的物质。一个一次性发泡塑料餐具在常温常湿的 自然条件 下降解 ，大约需要 2 0 0年的时间。 即使能达到部分降解 ，但降解后的长达 1 c m左右的残留 物进入土壤后对植物和土壤依然有很大 的危害。首先 ，废塑 料制品混在土壤中会阻碍农作物 吸收养分和水 分，导致农 作 物减产 ；其次 ，废塑料制品被动物吞入 会导致其死亡 ；再次 塑料制品很难处理 。如果将其填埋会 占用土地 ，且长时间不 降解。如果这些白色垃圾被焚烧 ，也将产生大量二恶英等有 害气体 ，严重污染大气。 对此，聂 永丰认 为 一次性发 泡餐具 首先造成 视觉污 染 ，即在我们生活周 围随处可见 的白色垃圾给我们的视觉造 成的不适 ，更重要的是对城市市容的损害。该所另一位博士 李金惠认为 ，除了视觉污染之外，还有存在潜在污染 ，即对 土壤和周 围环境 的污染。发泡餐具的分解物形成的小颗粒的 危害 比沙粒要大得多。 有资料表明，发泡塑料包装产品的生产蕴涵着丰厚的利 润，一般生产厂家在 3年至 5年 内即可步入 高速生长期 。我 国国内 9 o ％以上的此种产品生产厂家系台湾 、日本、韩 国的 企业 ，他们在国内的生产期限少则 5年，多 的长达 l 0年。与 我国内地每年两三百亿元的市场需求相对应 ，绝大多数发泡 塑料包装企业 目前处在利润高回报期。 ” 绿色高效 回收聚苯乙烯泡沫塑料有着广泛 的市场前景和 经济效益。它将成为未来几 十年利国利 民、造福 子孙、节省 外汇 、变废为宝的好项 目。 绿色高效 回收聚苯乙烯泡沫塑料 ，它是在众多 的有机溶 剂中，经过无数次实验 和配 比，分析和 比较 ，实践 和测试 ， 最终找到的一种分子结构酷似苯乙烯 ，并能够大量溶解 聚苯 乙烯泡沫塑料 的这种最优 良、最适宜的溶剂。 该溶剂能 以 1 5 0倍 以上的体积比来溶解聚苯 乙烯 发泡塑 料 ，且得到的溶液无毒 ，有淡淡的水果香味，不易燃烧 ，2 2 0 ℃以上该溶剂全部挥发。 利用这种溶剂将溶解后的树脂溶液放在加热釜 中，加热 脱去溶剂 ，并 回收该溶剂而制得聚苯乙烯 ；或 喷雾 于燥 法脱 去溶剂并回收该溶剂而制得粉状聚苯乙烯。这就意味着非常 棘手的 “ 白色污染”问题变得容易解决 了，和常规回收方法 相比 ，仅回收运费这一项就节省 5 0 倍 以上的费用。 具体实施生产方法及工艺流程 1 、现场将 聚苯 乙烯 泡沫塑料 放入 回收车 中搅拌 机里 ， 加入该溶剂桶 中的溶剂搅拌溶解 ，充分溶解后灌装在树脂桶 内，运回工厂。 2 、在真空干燥喷雾 室 内，将树脂桶 内的树脂加 压喷雾 制得粉状聚苯乙烯 ，筛选灌装；同时用真空压缩系统 回收该 溶剂 ，灌装在溶剂桶 内。 3 、在密封加热釜中加入溶解后 的树脂 ，加热 得聚苯乙 烯 ；利用真空压缩系统 回收该溶剂 ，通过密炼造粒 系统造粒 聚苯乙烯 ，灌袋包装。 由于这项技术的发明，它有望彻底解决中国的 “ 白色污 染”问题。 项 目发明人 王作天