通过控制金属模具的温度可将仅200℃的蒸竹粉用于注塑[摘要]通过控制金属模具的温度可在注塑中尝试添加蒸竹粉。

竹粉放在一个小压力容器内在200℃下蒸了20分钟。

蒸粉的热流动试验是为了便于进行粉末流动性的研究。

粉末在160-220℃具有流动性，其中在180-200℃具有良好的流动性。

注塑在180℃或200摄氏度的注射温度和80-160℃的金属模具温度的条件下进行。

通过这个过程可以获得产品。

特别的，在金属模具温度在140或160℃时可获得拥有类似光泽表面的塑料产品。

注射温度影响着注射压力；注射温度和金属模具温度较高时，应在低压下往金属模具内注入熔融材料。

然而，材料在金属模具内的流动性并没有影响到产品的表面纹理。

引言利用木质材料作为工业材料来使用被预计将是有效的。

然而，传统的木质材料加工方法例如直接加工或塑料成型等存在着工作效率和加工性较差等问题。

由于需要将木质材料作为用于进行批量生产时使用的工业材料，其生产力应得到提高。

此外，需要更有效的方法使木质材料用于成型任意形状的产品。

为了解决这些问题，作者开发了一个木质材料注塑成型的方法。

材料的流动性是注射成型的一个重要因素。

在压力和热量的作用下，木质材料由于软化以及分解成木质素和半纤维素形成液体流动状态(Yamashita et al., 2007)。

Miki et al. (2004)用木粉的饱和水溶液通过注射成型制造了复杂形状的产品。

然而，由于水在加热时会产生的水蒸气和热解气体，使得材料中的水在成型过程中起着负面影响。

此外，据报道，在木粉饱和水溶液注塑成型时不可以使用传统的电动注射机所使用的热塑性塑料。

(Miki et al., 2005)为了解决这些问题，木质材料应在干燥条件下具有良好的流动性以便于成型。

然而，据报道，在加热干燥木材时其软化点的温度提高了(Hillis and Rozsa, 1985)。

因此，仅使用木质材料进行注塑是很困难的。

另一方面，通过加热和水制备的木质材料由于在成型之前进行分解被视为一种有效的方式。

Takahashi et al. (2010)报道，通过蒸汽制备的木粉其热流动温度降低。

此外，作者进行了一次蒸竹粉的注射实验，并证明通过蒸汽制备的粉末，其注射能力得道提高(Kajikawa and Iizuka, 2013)。

在这项研究中,尝试使用了烘干状态的蒸竹粉用于注塑。

注塑机构由一个注射部分和一个金属模具部分组成。

更为可取的是注射温度高使得材料呈流体状态。

另一方面，金属模具的温度应该较低以便于模制产品得到有效的冷却。

但是当金属模具温度过低时，金属模具内的材料流动不充分。

出于这个原因，我们在注塑时应试图控制金属模具温度。

在实验中，竹粉被蒸制过，且其流动性已经被热流动性实验研究过。

此外，我们进行了使用蒸竹粉的注射成型测试，并评估了金属模具温度对模制产品外观和成型压力变化的影响。

1 材料和方法1.1 准备材料以竹粉作为材料。

首先，竹子经过自动进料刨床加工获得竹屑。

然后，竹屑经过铣削机床进一步被粉碎。

筛取直径为300微米以下的竹粉用于这个实验。

图1（a）展示了粉末的粒度分布。

在这个图示中，粉末粒度主要集中在75-300微米。

使用一个小型压力容器来蒸制竹粉。

通过加热装满水和粉末的小型压力容器生成饱和水蒸气来处理粉末。

所制备的粉末的含水量应是在蒸制前准备粉末干重的200%。

粉末在200℃下蒸制20分钟。

蒸制后，粉末置于30℃的一个风干的状态下干燥。

此外，粉末在105℃下干燥以便于烘干至实验前的状态。

图1（b）和（c）分别显示蒸制后和未蒸制的竹粉表象。

蒸制后粉末的颜色变为姜黄色。

图1：（a）竹粉的粒度分布；（b）竹粉蒸制前的外观；（c）竹粉蒸制后的外观。

1.2 热流实验为了研究蒸竹粉的流动性，我们依据了JIS K 7210设计了这个热流动试验。

在流动性实验中我们使用了毛细管流变仪（日本岛津公司测试用CFT-500D）。

测试缸体外圆柱直径为11mm，模具型腔直径为2mm长度为8mm。

首先，将测试缸体加热到测试温度f T。

将干重1.5g的粉末放入缸中并且插入活塞。

在这种状况下，粉末预热6分钟。

活塞在预热3分钟后排出多余气体后加压。

之后活塞以49Mpa压力将材料挤压入模具。

测试温度取140、160、180、200和220℃。

1.3 注射成型实验用于测试的注塑设备示意图如图2（a ）所示。

粉末在缸体中通过加热加压使其通过金属模具的流道和浇口。

注射部分和金属模具部分分别用带式加热器和筒式加热器单独加热。

在缸体内部、金属模具内表面、和金属模具外表面分别测量出温度c T 、mi T 和mo T 。

配置的缸体，定位圈，浇口套和金属模具如图2（b ）和（c ）所示。

(a) 总装图；(b)缸体、定位圈、浇口套的装配；(c)金属模具的装配图2 用于注塑测试的设备原理图首先，竹粉放入加热缸中同时插入活塞。

然后，在粉末预热5分钟后，活塞以一个恒定的速度压下，1分钟后达到200Mpa 之后保持压力不变。

最后，使用冷却风机设备冷却，并在mo T 低于80℃后取出模制产品。

活塞的速度为100mm/min ，c T 温度取180和200℃、mi T 温度取80、100、120、140和160℃。

2. 结果和讨论2.1 蒸竹粉的流动性如图3（a ）所示，蒸竹粉在f T 温度为160、180、200和220ºC 条件下经挤压流动入模具中。

图3（b ）展示了在测试期间活塞的行程。

对于每个温度，由于粉末被挤压在缸体中，行程增加同时压力也就增加。

在f T 温度为180和200℃时，粉末被挤压完全的时间比其他任何温度下所用的时间要短。

这个结果表明，粉末在温度为180-200摄氏度时较好的流动性。

Goring (1963)报道到，木质素和半纤维素的软化温度分别为为134-230℃和167-217℃。

因此，认为当温度超过半纤维素的软化温度时，粉末具有良好的流动性。

然而，在f T 温度为220℃时，其流动性降低。

这表明，粉末在超过200℃的高温下的软化和分解对流动性产生了负面影响。

2.2 注射成型产品的外观热流动试验的结果决定了f T 取180和200℃。

在其他条件下也可能获得注射成型的产品。

图4展示了一个典型的在金属模具被完全填充下的注射产品的外观。

产品的颜色变成黑色，并且产生了类似塑料的表面光泽。

图5（a ）显示了金属模具温度对注射成型产品的外观的影响。

如图5所示，在c T 温度为180℃条件下，当mi T 温度为80和100℃时，材料没有完全填满金属模具而且这些产品的表面是粗糙的；当mi T 温度为120℃时，材料完全充满金属模具但产品的表面有点粗糙；当mi T 温度为140和160℃时，材料填充完全并且产品拥有表面光泽。

相比之下，如图5（b ）在c T 温度为200℃条件下，当mi T 温度为100、120、140和160℃时材料完全填充金属模具的样子。

另一方面，在c T 温度为2000℃、mi T 温度为140和160℃的产品表面光泽与c T 温度为180℃、mi T 温度为140和160℃时一样。

这些结果表明，当材料在较低温时填充模具应提高注射温度。

然而无论注射温度如何，金属模具的温度都应较高以保证产品的高光泽表面。

图3 热流动试验结果（a ）挤压成型材料的外观。

（b ）热流动曲线图4 金属模具被完全填充下的注射产品的典型外观（c T =200℃，mi T =160℃）：（a ）主视图；（b ）顶针面视图；（c ）浇口面视图图5金属模具温度对注射产品外观的影响：（a ）c T =180℃；（b ）c T =200℃。

2.3注射成型时注射压力的变化图6显示了在注射成型时注射压力的变化。

在每一种条件下，都可以观察到出现两个压力峰值。

据报道，类似的现象也出现在木粉-塑料混合物毛细管流动试验，并且在材料开始流动时压力下降(Imanishi et al., 2005)。

材料首先在缸体中被压实。

接下来，材料注入浇口时出现了第一个压力峰值。

之后，材料到达金属模具，并在浇口处再一次被压实。

最后，材料开始流向在垂直方向的注射部位时出现了第二个压力峰值。

在c T 温度为180℃的情况下，第一个压力峰值不随mi T 温度的变化而变化，第二个压力峰值在mi T 温度下降时增加。

此外，在mi T 温度很低时第二个压力峰值也很低。

当c T 温度为200℃时第一次压力峰值几乎和c T 温度为180℃时一样。

然而，第二次压力峰值变小了。

此外，第二次压力峰值不随mi T 温度变化而变化。

当材料在金属模具内流动时，c T 温度为200℃时和c T 温度为180℃时一样，压力随mi T 温度的降低而增加。

这些结果表明，高温时材料在注射部位和金属模具内部较容易流动。

然而，如图6所示，尽管在c T 温度为180℃、mi T 温度为160℃时注射与在c T 温度为200℃、mi T 温度为120℃时注射其压力变化几乎相同，但是产品的外观是不一样的。

因此，我们认为决定表面纹理的因素不仅仅是材料在金属模具内的流动性还有金属模具的温度。

图6 注射成型时注射压力的变化：（a ）c T =180℃；（b ）c T =200℃。

结论在这项研究中，设计了蒸竹粉的热流动试验和通过控制金属模具温度的蒸竹粉注射试验。

蒸竹粉在160-220℃的测试温度条件下产生流动。

特别的，在180和200℃具有较好的流动性。

通过注射成型制造模制产品是可行的。

当注射温度为180℃时，在金属模具温度为140或160℃时，可以得到完全填充模具的产品。

此外，在注射温度为200℃时，可在金属模具温度为100-160℃获得产品。

然而，无论注射部分的温度为多大，在金属模具温度为140和160℃下产品可获得类似塑料的表面光泽。

关于注射压力的变化，我们发现当材料在金属模具内流动时注射压力随着注射部位和金属模具温度的增加而降低。

然而，金属模具内的流动性并没有影响产品的表面纹理。

致谢语这项工作由JSPS KAKENHI 的编号为24360309提供支持。

我们对这个基础性研究表示万分感谢。

参考文献[1]Goring, D. A. I., 1963. Thermal Softening of Lignin, Hemicellulose and Cellulose. PULP AND PAPER MAGAZINE OF CANADA, 64, T517-T527.[2]Hillis, W. E., Rozsa, A. N., 1985. High temperature and chemical effects on wood stability. Wood Science and Technology, 19, 57-66.[3]Imanishi, H., Soma, N., Takeushi, K., Sugino, H., Kanayama, K., 2005. Flow Properties of Wood Powder –Plastic Mixture I. Understanding of flow properties by capillary flow tests. Mokuzai Gakkaishi, 51 (3), 166-171. (in Japanese)[4]Kajikawa, S., Iizuka, T., 2013. Influence of St eaming and Boiling at 180 ºC plus on the injectability of Bamboo Powder. Key Engineering Materials, 554-557, 1856-1863.[5]Miki, T., Takakura, N., Iizuka, T., Yamaguchi, K., Kanayama, K., 2004. Effects of Forming Conditions on Injection Moulding of Wood Powders. Proceedings of The 7th Esaform Conference on Material Forming, 295-298.[6]Miki, T., Takakura, N., Iizuka, T., Yamaguchi, K., Imanishi, H., Kanayama, K., 2005. Injection Moulding of Wood Powder with Low Binder Content. JSME International Journal Series A, 48 (4), 387-392.[7]Takahashi, I., Takasu, Y., Sugimoto, T., Kikata, Y., Sasaki, Y., 2010. Thermoplastic behavior of steamed wood flour under heat and compression. Wood Science and Technology, 44, 607-619.[8]Yamashita, O., Yokochi, H., Imanishi, H., Kanayama, K., 2007. Transfer molding of bamboo. Journal of Materials Processing Technology, 192-193, 259-264.。