基于阻燃性能优化的厨余垃圾处理器过载保护装置注塑模具工艺参数研究

Research on Injection Molding Process Parameters of Overload Protection Device for Food Waste Disposer Based on Flame Retardancy Optimization

摘要

针对厨余垃圾处理器过载保护装置模具的阻燃性能展开研究，通过单因素试验筛选出3种关键工艺参数，通过正交试验与方差分析确定注射温度和冷却时间对阻燃性能具有显著影响。在此基础上，优化工艺参数，得出最佳工艺组合：注射温度180 ℃、注射压力55 MPa、冷却时间4 s。相比原工艺，优化后的工艺使极限氧指数（LOI）提高10.2%，热释放速率（HRR）降低29%。最终，将优化参数输入模流分析模型，验证得出在该工艺条件下模具成型过程未产生明显缺陷。

Abstract

The study investigates the flame retardancy of the mold for the overload protection device of a kitchen waste disposer. Through single-factor tests, three key process parameters were identified, and orthogonal tests combined with analysis of variance revealed that injection temperature and cooling time significantly affect the flame retardancy. Based on these findings, the process parameters were optimized, leading to the identification of the optimal process combination: an injection temperature of 180 ℃, an injection pressure of 55 MPa, and a cooling time of 4 s. Compared to the original process, the optimized parameters resulted in a 10.2% increase in the limited oxygen index (LOI) and a 29% reduction in the heat release rate (HRR). Finally, the optimized parameters were input into a Moldflow simulation model, confirming that no significant defects occurred during the molding process under these conditions.

Graphical abstract

关键词

厨余垃圾处理器 / 过载保护装置 / 正交试验 / 阻燃性能 / 工艺优化 / 模流分析

Key words

Kitchen waste disposer / Overload protection device / Orthogonal test / Product performance / Optimization design / Mold flow analysis

过载保护装置作为家电和工业设备的核心安全组件之一，其阻燃性能至关重要^[1]。在高功率密度和极端工作条件下，当设备遭遇过载或过热时，优异的阻燃性能能够有效防止因温度过高引发的火灾与材料损坏^[2-3]。因此，如何评估和优化过载保护装置的阻燃性能成为确保其高强度工作条件下安全性的关键问题。近年来，许多研究人员研究了工艺参数对过载保护装置注塑的影响。周堪培^[3]优化了电源连接器注塑成型的圆柱度，侯震等^[4]则更加关注注塑制品的质量与复制精度。聚酰胺66(PA66)作为一种高性能的工程塑料，具有优异的机械强度、耐热性、耐化学腐蚀性和耐磨性等特点，被广泛应用于各种工业产品中^[5]。陈飞飞等^[6]采用KH550改性的玻璃纤维(GF)增强PA66复合材料的力学及绝缘性能，结果表明：添加质量分数为20%的KH550改性的GF能够增强PA66复合材料的力学、绝缘以及阻燃性能。李佳馨等^[7]针对PA66的物理、化学改性及应用进行充分总结，利用二聚酸、己内酰胺等与PA66发生共聚、接枝、交联等化学反应，改变PA66的分子链结构，提升了复合材料的力学、阻燃等性能，并降低其吸水率。正交试验方法被广泛应用于工业产品的优化设计^[8-9]。吴凌云^[10]采用正交方法对网络连接器进行工艺优化，在提升性能的基础上，使产品的质量降低8.8%，节约了生产材料。任晔^[11]采用正交方法使AMT传感器平面度的优化率提高42.2%。而模流分析作为一种计算机模拟的理论手段，则可以帮助验证这些试验参数下难以观察到的材料流动、冷却过程和翘曲情况等，从而帮助优化工艺设计^[12-15]。本文选取厨余垃圾处理器过载保护装置为研究对象，采用单因素试验确定对阻燃性能具有影响的工艺参数，然后采用正交试验与方差分析筛选出最优的工艺参数组合，并提供相关优化方向，旨在为相关研究提供参考。

1 试验和模拟设置

1.1 过载保护装置塑件分析

本文研究不同的处理工艺对厨余垃圾处理器^[16]过载保护装置阻燃性能的影响。过载保护装置的核心是粉碎装置，粉碎装置的外壳材质是影响其阻燃性能的本质，装置为采用原位共聚法将含磷阻燃剂引入PA66(FR-PA66)的塑料制品，阻燃剂采用三聚氰胺磷酸盐，该物质具有良好的阻燃效果和热稳定性，具有较高的热分解温度和阻燃效果。

1.2 初始模流分析

网格划分直接影响后续优化的准确性。将生成的三维模型导入Moldflow软件中。图1为模具模拟仿真的网格划分，网格总单元数为113 016，最大纵横比为3.521 7，平均纵横比为1.56，满足模流分析的要求。

初始注塑条件基于材料熔点、流动性进行设置。利用Autodesk Moldflow 2019进行模流分析，执行填充、冷却、翘曲、应力分析等不同模块，模拟注塑过程，最终查看分析结果，评估缺陷可能。为初步了解流动行为以及判断材料在模具中的流动路径、流动阻力和填充状态，采用模流分析进行了预试验。根据FR-PA66复合材料特性，具体初始条件为模具表面温度50 ℃，熔体温度220 ℃，冷却时间20 s。图2为模流分析的评估结果。从图2可以看出，可能存在接合线缺陷，末端位置的填充压力最高为6.89 MPa，表明填充完全，不存在欠注现象，最大变形为2.146 mm。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

根据产品要求和材料特性，经过多次试验总结，选取注射温度180 ℃、注射压力55 MPa、冷却时间3 s、保压时间1 s的基础条件进行单因素试验，选取注射温度、注射压力、冷却时间以及保压时间4种参数进行分批试验。图3为工艺参数对极限氧指数(LOI)和热释放速率(HRR)的影响。

注射温度极大地影响模具的阻燃性能。从图3a可以看出，当注射温度从150 ℃升高至230 ℃，LOI呈先上升后下降趋势，在190 ℃时达到最佳。而HRR的变化趋势与之相反，随着注射温度提高，HRR性能呈现先下降后上升的趋势，在190 ℃时最低。这可能是由于注射温度过低时，材料流动性不足，导致模腔填充不完全，并产生表面缺陷，进而增加材料的氧化敏感性；而当注射温度过高时，材料可能发生降解，从而促进了氧化反应的发生，导致阻燃性能的下降^[5-7]。

注射压力通过影响熔融材料充填模腔的速度和质量而间接影响模具阻燃性能。从图3b可以看出，当注射压力从40 MPa增加至80 MPa时，LOI呈现先上升后下降的趋势，在60 MPa达到最佳，HRR性能呈现先下降后上升的趋势。这是由于注射压力不足时，制品内部增大的空隙与较差的致密性导致了氧气与产品的接触增多，从而降低阻燃性能；尽管过高的注射压力能够改善模腔填充效果，但过高的压力可能导致内应力的增大，增加了材料内部能量，最终削弱了其抗氧化能力^[5-7]。

冷却时间通过影响模具制品的固化质量和内应力释放而间接影响阻燃效果。从图3c可以看出，随着冷却时间从1 s延长至9 s，LOI呈现先增大后减小的趋势，最佳冷却时间约为5 s；HRR呈现单调增加的趋势，但增幅随着冷却时间的增加而降低。这可能是过短的冷却时间导致制品未完全固化，易发生翘曲及尺寸不稳定，进而使产品在不稳定状态下更易发生氧化；而过长的冷却时间则可能导致内应力积聚，从而影响阻燃性能^[17]。

从图3d可以看出，保压时间从1 s增至9 s，LOI几乎未见显著变化；HRR受到保压时间的影响较小，并有波动变化的现象。这可能是由于在适当的注射压力下，制品的固化质量和内应力积累已在较短时间内达到平衡，因此延长保压时间对阻燃性能的影响较为有限^[18]。

2.2 注塑工艺参数优化

2.2.1 正交试验设计与分析

基于上述单因素分析试验，选取对阻燃性能具有显著影响的3个参数(注射温度、注射压力与冷却时间)，在最佳反应条件附近设计L₉(3⁴)的正交试验，量化3个因素对阻燃性能的影响。表1为L₉(3⁴)正交试验的因素水平设计，表2为L₉(3⁴)正交试验结果。从表2可以看出，LOI最佳性能出现在第1组，LOI为31.2%，最差性能出现在第9组，LOI为21%，差值为10.2%。对于HRR，最佳性能出现在第1组，为220 kW/m²，而最差性能出现在第9组，为310 kW/m²，差值为90 kW/m²。

此外，通过R值可以判断各因素对LOI影响的主次顺序为：A>B>C。各因素对HRR影响的主次顺序为：A>C>B。LOI和HRR在A₁B₁C₁组合条件下均达到最佳。注射压力和注射温度的合理选取，有利于材料分子链的排列更加紧密，提高致密性和均匀性，进而增强LOI与HRR性能^[18-20]。这可能是因为B因素的增加引起了分子链过度取向，从而降低了材料的韧性^[21]；C因素的增加导致材料内部的应力集中，进而降低阻燃性能^[22]；A因素对阻燃性能的影响则可能表现在低水平导致材料流动性差，形成内部缺陷^[23]；适中水平使分子链排列更加均匀，致密性提升，阻燃性能达到最佳^[24]，过高水平引起材料降解，导致燃烧速率增加。

表3和表4分别为LOI与HRR的方差分析结果。从表3可以看出，试验的精度与可靠性达标，各因素对LOI的影响顺序为A>B>C，A因素影响最显著，C因素影响最弱。从表4可以看出，各因素对HRR的影响顺序为A>C>B，A因素为主要影响因素，B与C因素影响相近。

通过正交试验与方差分析的结果得出，因素A是影响LOL和HRR的关键因素，A₁B₁C₁是最佳组合。通过试验进行验证，具体工艺条件为注射温度180 ℃、注射压力55 MPa、冷却时间4 s，此时LOI高达31.2%，达到最佳阻燃性能，HRR高达220 kW/m²。

2.2.2 优化参数后的模流分析

采用优化后的参数进行模流分析，图4为优化后模流分析的评估结果。从图4a可以看出，模具的流动前沿温度最低为174.3 ℃，表明材料在填充尾部仍然具有很好的温度范围，流动性强，能够保证良好的填充效果。从图4b可以看出，温度上限为135 ℃的熔接线均不明显，表明熔融材料在汇合区域的温度较低，导致熔接线的形成较弱，几乎未见明显痕迹。这意味着材料在充填过程中流动顺畅，接合区域未出现冷缠结或未完全融合的现象。从图4c可以看出，6.908 0 MPa的填充末端压力属于中等偏高的水平。该压力有助于确保材料能够充分填充模具，减少空隙和缺陷，表明注射过程的控制较为精确，能够有效地填充模腔并保证产品的质量。从图4d可以看出，变形最大值为1.662 0 mm，幅度较小，满足要求。

3 结论

本文优化了厨余垃圾处理器过载保护装置的注塑成型工艺，旨在提高其阻燃性能。通过系统的单因素试验和正交试验，识别出注射温度和冷却时间对材料的阻燃性能具有显著影响。在此基础上，确定最佳工艺参数组合：注射温度180 ℃、注射压力55 MPa、冷却时间4 s。优化后，LOI提高10.2%，HRR降低29%。模流分析模型验证了优化后的工艺条件下模具成型过程未产生明显缺陷。本研究为注塑模具工艺参数的优化提供参考。

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基金资助

中国成人教育协会“十四五”成人继续教育科研规划课题(2023-148Y)