塑料與成型工藝,成型質量有關的各種性能,統稱為塑料的工藝性能,了解和掌握塑料的工藝性能,直接關係到塑料能否順利成型和保證塑件質量,同時也影響模具的設計要求。
熱塑性塑料的工藝性能除了熱力學性能、結晶性、取向性外、還有收縮性、流動性、熱敏性、水敏性、吸濕性、相容性等,以下介紹熱塑性塑料(Thermoplastic)的工藝性能和要求。

目錄
1. 塑料的收縮性
2. 塑料融體流動性
3. 熱敏性
4. 水敏性
5. 吸濕性
6. 相容性
7. 塑料的加工溫度

1. 塑料的收縮性
塑料通常是在高溫熔融狀態下充滿模具型腔而成型,當塑件從塑模中取出冷卻到室溫後,其尺寸會比原來在塑模中的尺寸小,這種特性稱為收縮性。它可用單位長度塑件收縮量的百分數來表示,既收縮率(S)。
由於這種收縮不僅是塑件本身的熱脹冷縮造成的,而且還與各種成型工藝條件及模具因素有關,因此成型後塑件的收縮稱為成型收縮。可以通過調整工藝參數或修改模具結構,以縮小或改變塑件尺寸的變化情況。
成型收縮分為尺寸收縮和後收縮兩種形式,而且同時都具有方向性。

  •   a.塑件的尺寸收縮

由於塑件的熱漲冷縮以及塑件內部的物理化學變化的原因,導致塑件脫模冷卻到室溫後發生尺寸縮小的現象,為此在設計模具的成型零部件時必須考慮通過設計對它進行補償,避免塑件尺寸出現超差。

  •    b.塑件的後收縮

塑件成型時,其因內部物理、化學、力學變化等因素產生一系列應力,塑件成型固化後存在殘餘應力,塑件脫模後,各種殘餘應力的作用將會使塑件尺寸產生再次縮小的現象。通常,一般塑件脫模後,因各種殘餘應力的作用將會使塑件尺寸產生再次縮小的現象。通常,一般塑件脫模後10h內的後收縮較大,24h後基本定型,但要達到最終定型,則需要很長時間,一般熱塑性塑料的後收縮大於熱固性塑料。
為了穩定塑件成型後的尺寸,有時根據塑料的性能及工藝要求,塑件在成型後須進行熱處理,熱處理後也會導致塑件的尺寸發生收縮,稱為後處理收縮。在對高精度塑件的模具設計應補償後收縮和後處理收縮產生的誤差。

  •    c.塑件收縮的方向性

塑料在成型過程中高分子沿流動方向的取向效應會導致塑件的各向異性,塑件的收縮必然會因方向的不同而不同。通常沿料流的方向性收縮大、強度高、而與料流垂直的方向收縮小、強度低。同時,由於塑件各個部位添加劑不均勻,密度不均勻,故收縮也不均勻,從而使塑件收縮產生收縮差,容易造成塑件產生翹曲,變形以致開裂。
塑件成型收縮率分為實際收縮率和計算收縮率,實際收縮率表示模具或塑件在成型溫度的尺寸與塑件在常溫時的尺寸之間的差別,計算收縮率則表示模具在常溫時的尺寸與塑件在常溫時的尺寸之間的差別計算公式如下(圖1)

 

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因實際收縮率與計算收縮率數值相差很小,所以在普通中、小型模具設計時常採用收縮率來計算型腔及型芯等的尺寸。而對大型、精密模具設計時一般採用實際收縮率來計算型腔及型芯等的尺寸。

在實際成型時,不僅塑料品種不同,其收縮率不同,而且同一品種塑料的不同批號,或同一塑件的不同部位的收縮率也不同。影響收縮率變化的主要因素有以下四個方面

  • 1.塑料的品種

各種塑料都有其各自的收縮率範圍,但即使是同一種塑膠料,由於分子量、填料及配比等不同,則其收縮率及各向異性也各不相同。無定型塑料的收縮率小於1%,結晶型塑料的收縮率均超過1%,結晶型塑料射出的塑件,具有後收縮現象,需再冷卻24h厚測量其尺寸,精確動可達0.02mm。常用塑料收縮表見(圖2)。
 

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  • 2.塑件結構

塑件的形狀、尺寸、壁厚、有無嵌件、嵌件數量及布局等對收縮率有很大影響,一般塑件壁厚越大,收縮率越大,形狀複雜的塑件的收縮率小於形狀簡單的塑件的收縮率,有嵌件因嵌件阻礙使收縮率減小。

  • 3.模具結構

塑模的分型面、加壓方向及流道系統的結構形式、布局及尺寸等直接影響料流方向、密度分布、寶壓補償作用及成型時間,對收縮率及方向性影響很大,尤其是擠出成型和射出成型更為突出。

  • 4.成型條件工藝

模具的溫度、射出壓力、保壓時間等成型條件對塑件收縮率均有較大影響。模具溫度高,則融料冷卻慢、密度高、收縮率大。尤其是對結晶塑料、因其體積變化大,其收縮率更大,模具溫度分布均勻性也直接影響塑件個部分收縮率的大小和方向性。射出壓力高,則融料黏度差小。脫模後彈性恢復大,收縮率減小。保壓時間長,則收縮率小,但方向性明顯。
由於收縮率不是一個固定值,而是在一定範圍內波動,收縮率的變化將引起塑件尺寸變化,因此,在模具設計時應根據塑料的收縮率範圍、塑件厚度、形狀、進澆口形式、尺寸、位置成型因素等綜合考慮確定塑件各部位的收縮率。對精度高的塑件應選取收縮率波動範圍小的塑膠,並留有修模餘地,試模後逐步修正模具,以達到塑件尺寸、精度要求。

 

2. 塑料融體流動性
在成型過程中,塑料熔體在一定的溫度、壓力下充填模具型腔的能力稱為塑料的流動性。塑料流動性的好壞,在很大程度上直接影響成型工藝的參數,如成型溫度、壓力、周期、模具流道系統的尺寸及其他結構參數。在決定塑件大小和壁厚時,也要考慮流動性的影響流動性的大小與塑料的分子結構有關,具有線型分子而沒有或很少有交聯結構的樹脂流動性大。塑料中加入填料,會降低樹脂的流動性;而加入增塑劑或潤滑劑,則可增加塑料的流動性。塑件合理的結構設計也可以改善流動性,例如在流道和塑件的拐角處採用圓角結構時會改善熔體的流動性。
塑料的流動件對塑件質量、模具設計以及成型工藝影響很大,流動性差的塑料,不容易充滿型腔,易產生缺料或熔接痕等缺陷,因此需要較大的成型壓力才能成型。相反,流動性好的塑料,可以用較小的成型壓力充滿型腔。但流動性太好,會在成型時產生嚴重的溢料飛邊。因此,在塑件成型過程中,選用塑件材料時,應根據塑件的結構、尺寸及成型方法選擇適當流動性的塑料。以獲得滿意的塑件。此外,模具設計時應根據塑料流動性來考慮分型面和澆注系統及進料方向:選擇成型溫度時也應考慮塑料的流動性。

反映塑料融體流動性能的指標是熔融指數,可以用MI或MFR來標示,前者是英文”Melt Index”的縮寫,後者是”Melt Flow Rate”(融體流動速率)的縮寫,此外還可以用MVR(Melt Volume Rate,融體體積流動速率)來測定和標示。
熔融指數(MI),也稱融體流動速率(MFR),其定義為:在規定條件下,一定時間內擠出的熱塑性物料的量,也即融體每10min通過標準口模毛細管的質量,單位為g/10min。融體流動速率可表征熱塑性塑料在熔融狀態下的黏流特性,對保證熱塑性塑料及其製品的質量,對調整生產工藝都有重要的指導意義。
近年來,融體流動速率以從”質量”的概念上,又引申到”體積”的概念上,及增加了融體體積流動速率。其定義為:融體每10min通過標準口模毛細管的體積,用MVR(Melt Volume Rate,融體體積流動速率)表示,單位為cm^3/10 min。從體積的角度出發,對表征熱塑性塑料在熔融狀態下的黏流特性,對調整生產工藝,又提供了一個科學的指導參數。對於原先的融體流動速率,則明確的稱其為融體質量流動速率,仍記為MFR。

融體質量流動速率與融體體積流動速率以在最近的ISO標準中明確提出,中國的標準也將做相應修訂,而在進出口業務中,融體體積流動速率的測定也將很快得到應用。
塑料熔融指數MI(MFR)的測試裝置如(圖3)所示,具體的試驗方法如下:在規定的溫度與荷重下,測定熔融狀態下的塑料才料在10 min內通過某規定模孔的流量,即(圖4)。

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按照模具設計要求,熱塑性塑膠的流動性可分為三類。

  • 1.流動性好的塑料,如聚酰胺(Polyamide,PA)、聚乙烯(polyethylene,PE)、聚苯乙烯(Polystyrene, PS)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、醋酸纖維素(Cellulose acetate (CA))和聚甲基戊烯(Polymethylpentene(PMP))等。
  • 2.流動性中等的塑料,如改性聚苯乙烯、ABS、AS、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly (Methyl Methacrylate),PMMA)、聚甲醛(Polyoxymethylene,POM)和氯化聚醚(Chlorinated Polyether,CP)等。
  • 3.流動性差的塑料,如聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)、硬聚氯乙烯、聚苯醚(polyphenylene oxide,PPO)、聚砜(Polysulfone,PSF or PSU)、聚芳砜(Polyarylsulfone,PAS)和氟塑料等。

塑料流動性的影響因素主要有以下三個。

  • 1.溫度

料溫高、則塑料流動性增大,但料溫對不同塑料的流動性影響各有差異。聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、ABS、AS、聚碳酸酯、聚酸纖維素等塑料流動性受溫度變化的影響較大;而聚乙烯、聚甲醛的流動性受溫度變化的影響較小。

  • 2.壓力

射出壓力增加大,則融料受剪切作用增大,流動性也增大,尤其是聚乙烯、聚甲醛十分敏感。但過高的壓力會使塑件產生應力,並且會降低融體黏度,形成毛邊。

  • 3.模具結構

流道系統的形式、尺寸、布置、型腔表面粗糙度、流道截面積厚度、型腔形式、模具排氣、領卻系統設計、融料流動阻力等因素都直接影響融料的流動性。
凡是遇到促使融料溫度降低、流動阻力增大的因素(如塑件壁厚太薄、轉角外採用尖角等),流動性就會降低。(圖5)列出了常用塑料改進流動性能的方式。

 

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3. 熱敏性
各種塑料的化學結構在熱量作用下均有可能發生變化,某些熱穩定性差的塑料,在料溫高和受熱時間常的情況下就會產生分解、降解、變色的特性,這種對熱量的敏感程度稱為塑料的熱敏性。熱敏性很強的塑料(即熱穩定性很差的塑料)通常稱為熱敏性塑料。例如硬聚氯乙烯、聚三氟氯乙烯、聚甲醛等。這種塑料在成型過程中很容易在不太高的溫度下發生熱分解、熱降解或在受熱時間較長的情況下分生過熱降解,從而影響塑件的性能和表面質量。
熱敏性塑料融體在發生熱分解或熱降解時,會產生各種降解產物,有的降解產物會對人體、模具和設備產生刺激、腐蝕或帶有一定毒性;有的降解產物還會是加速該塑料降解的催化劑,如聚氯乙烯降解產生氯化氫,能起到進一步加劇高分子降解作用。
為了避免熱敏性塑膠在加工成型過程中發生熱降解現象,在模具設計、選擇射出機及成型時,可在塑料中加入熱穩定劑;也可採用合適的設備,嚴格控制成型溫度、模溫、加熱時間、螺桿轉塑及背壓等,及時清除降解產物,設備和模具應採取防腐蝕等措施。

 

4. 水敏性
塑料的水敏性是指它在高溫、高壓下對水降解的敏感性,如聚碳酸酯即是典型的水敏性塑料。即使含有少量水分,在高溫、高壓下也會發生分解。因此,水敏性塑料在成型前必須嚴格控制水分含量,進行乾燥處理。

 

5. 吸濕性
吸濕性是指塑料對水分的親疏程度。根據此特性塑料大致可分為兩類:一類是具有吸水或黏附水分性能的塑料,如聚醯胺、聚碳酸酯、聚碸、ABS等:另一類是既不吸水也不易黏附水分的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等。
凡是具有吸水性傾向的塑料,如果在成型前水分沒有去除,含量超過一定限度,那麼在成型加工時,水分將會變為氣體並促使塑料發生分解,導致塑料起泡和流動性降低,使成型變得困難,而且使塑件的表面質量和力學性能降低。因此,為保證成型的順利進行和塑件的質量,對吸水性和黏附水分傾向大的塑料,在成型前必須除去水分,進行乾燥處理,必要時還應在射出機的料斗(筒)內設置紅外線加熱裝置。常用塑料的含水量與乾燥溫度件(圖6)

 

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引起塑料中水分和揮發物多的原因主要有以下三個方面。

  • 1.塑料(或樹脂)的平均分子量低。
  • 2.塑料(或樹脂)在生產時沒有得到充分的乾襙。
  • 3.薪水性大的塑料因存放不當而使其吸收了周圍空氣中的水分,不同塑料有不同的乾燥溫度和乾燥時間的規定。

 

6. 相容性
相容性是指兩種或兩種以上不同品種的塑料,在熔融狀態下不產生相分離現象的能力。
如果兩種塑料不相容,則在混熔時製件會出現分層、脫皮等表面缺陷。不同塑料的相容性與其分子結構有一定關係,分子結構相似者較易相容,例如高壓聚乙烯、低壓聚乙烯、聚丙烯彼此之間的混熔等;分子結構不相似者較難相容,例如聚乙烯和聚苯乙烯之間的混熔。塑料的相容性又俗稱為共混性。通過塑料的這一性質,可以得到類似共聚物的綜合性能,是改進塑料性能的重要途徑之一。

 

7. 塑料的加工溫度
塑料的加工溫度就是達到黏流態的溫度,加工問度不是一個點,而是一個範圍(從熔點到降解溫度之間)。在對塑料進行熱成型時應根據塑件的大小,複雜程度、厚薄、嵌件情況、所用著色劑對溫度的耐受性、射出基性能等因素選擇適當的加工溫度。常用塑料的加工溫度範圍見(圖7)

 

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為何在射出生產中溫度計所反映的溫度常可改變,而且同一塑件(同一模具),放到不同射出機上生產時所設定的溫度可能不相同?實際上塑料的熱成型溫度是相對固定的,只是由於採用的測溫方法、測溫點佈局及溫度感應器的性能差別才造成上述差異。溫度只是控制儀上顯示的溫度不是料桶(管)內融料的實際溫度,而是間接的、局部性的溫度。


以下資料是高分子的相關說明以及資料,有興趣的人可下載了解。

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